Для чего существуют принципы ACID? Можно ответить по бумажке, сказать, что это нужно для того, чтобы каждая транзакция обрабатывалась надежно, данные оставались в безопасности и системы работали предсказуемо.

Все это в свою очередь должно гарантировать целостность данных. Но что это вообще такое и на что влияет? А ответ очень простой. Обеспечивая целостность данных, мы предупреждаем ситуации, когда, к примеру, деньги со счета списались, но получателю так и не пришли. Или заказ оформился, а складские остатки не обновились.

В этой статье вы узнаете, почему так важны принципы ACID и что это за принципы. Оставайтесь со мной, если интересно!

Что такое ACID?

Это набор из четырех свойств, которые необходимы для надежной обработки операций в базе данных:

1. Atomicity (атомарность).

2. Consistency (согласованность).

3. Isolation (изолированность).

4. Durability (долговечность).

Вместе они гарантируют, что транзакция будет выполнена полностью и корректно — без частичных изменений и без повреждения данных, даже если система даст сбой.

В банковских системах ACID гарантирует, что деньги будут либо полностью переведены, либо операция будет отменена — никаких частичных переводов или двойных списаний. В e-commerce принципы ACID обеспечивают корректную обработку заказов: платёж либо проходит полностью, либо отклоняется, а складские остатки обновляются в реальном времени. Аналогично, в системах управления запасами ACID поддерживает согласованность данных, предотвращая расхождения в остатках при одновременных операциях. Собственно, эти принципы нужны там, где целостность данных имеет первостепенное значение.

Разбор свойств

Каждое из четырёх свойств ACID отвечает за определённый аспект управления транзакциями. Разберём их подробнее, чтобы понять, как они помогают строить надёжные и устойчивые системы.

Атомарность

Атомарность гарантирует, что транзакция рассматривается как единое, неделимое целое. Все операции внутри транзакции должны выполниться полностью — или не выполниться вовсе. Если какая-либо из операций завершилась неудачно, система откатывает всю транзакцию, исключая частичные изменения данных.

Если брать как пример банковскую систему, там атомарность гарантирует, что списание средств с одного счёта и зачисление на другой либо произойдут оба, либо вся транзакция отменится (в случае если произошла ошибка на каком-то этапе).

Согласованность

Согласованность гарантирует, что транзакция переводит базу данных из одного корректного состояния в другое, соблюдая все заданные правила, ограничения и инварианты. После завершения транзакции данные должны соответствовать всем проверкам целостности.

В банковских системах согласованность обеспечивает, что общий баланс по всем счетам не изменяется после перевода. Например, если 100 рублей переводятся с одного счёта на другой, сумма их остатков остаётся прежней, что соответствует бухгалтерским правилам.

Изолированность

Изолированность предотвращает взаимное влияние одновременно выполняющихся транзакций. Даже при высоких нагрузках параллельные транзакции не должны искажать результаты друг друга. Каждая из них выполняется так, будто она единственная в системе.

Например если двое покупателей пытаются приобрести последний товар одновременно, изолированность гарантирует, что успешной будет только одна транзакция, и складские остатки будут обновлены корректно.

Долговечность

Долговечность гарантирует, что результаты завершённой транзакции сохраняются навсегда. Даже если система упадёт сразу после коммита, изменения останутся в базе данных и будут доступны после восстановления.

Долговечность означает, что данные оформленного заказа будут сохранены. Даже если сервер упадёт через секунду после покупки, запись о заказе сохранится и будет доступна после перезапуска.

Транзакции ACID в реляционных БД

Большинство реляционных СУБД изначально строятся с учётом принципов ACID. Это означает, что они спроектированы так, чтобы гарантировать точность данных и надёжность операций. Как базы данных реализуют свойства ACID?

Традиционные SQL-СУБД обеспечивают ACID-свойства с помощью механизмов управления транзакциями — таких команд, как BEGIN, COMMIT и ROLLBACK. Эти команды управляют выполнением транзакций, а журналы транзакций и блокировки поддерживают целостность данных.

То есть атомарность обеспечивается благодаря ROLLBACK, который отменяет транзакцию при ошибке и предотвращает частичные обновления. Согласованность достигается благодаря ограничениям (например, внешним ключам, уникальным ключам), которые следят за корректностью данных. Изолированность реализуется через систему блокировок, предотвращающих конфликты между параллельными транзакциями. Долговечность обеспечивается сохранением результатов транзакций: после COMMIT данные не будут потеряны даже при сбое системы.

Большинство SQL-баз данных обеспечивает ACID из коробки, чтобы поддерживать транзакционную целостность. Системы вроде MySQL, PostgreSQL, Oracle и Microsoft SQL Server используют журналы транзакций (например, Write-Ahead Logging в PostgreSQL) и протоколы блокировок (например, двухфазная блокировка) для реализации ACID.

Ниже приведён простой пример транзакции в PostgreSQL, которая соответствует принципам ACID.

Этот пример демонстрирует перевод денег между двумя счетами — транзакция либо выполняется полностью, либо полностью откатывается в случае ошибки:

BEGIN;

-- Step 1: Debit $500 from Account A
UPDATE accounts 
SET balance = balance - 500 
WHERE account_id = 'A';

-- Step 2: Credit $500 to Account B
UPDATE accounts 
SET balance = balance + 500 
WHERE account_id = 'B';

-- Commit the transaction if both steps succeed
COMMIT;

-- Rollback the transaction if an error occurs
ROLLBACK;

В этой транзакции, если один из операторов UPDATE завершится неудачно, вся транзакция откатится. База данных останется в корректном состоянии, так как общий баланс между двумя счетами не изменится. Если другая транзакция попытается одновременно изменить эти же счета, механизм блокировок гарантирует, что сначала завершится одна транзакция, а затем другая. А после коммита изменения сохраняются навсегда.

ACID vs. BASE в NoSQL-базах данных

Хотя транзакции ACID долгое время считались золотым стандартом обеспечения целостности данных в реляционных СУБД, NoSQL-базы нередко ставят во главу угла гибкость и масштабируемость, жертвуя строгой транзакционной согласованностью. В результате для некоторых сценариев был принят альтернативный подход — BASE. Разберём, что такое BASE, чем он отличается от ACID и когда каждый из подходов предпочтителен.

BASE — это акроним от Basically Available, Soft state, Eventual consistency. Он определяет набор свойств, характерных для NoSQL-баз, в которых приоритетом являются доступность и гибкость, а не строгая согласованность.

Свойства BASE можно описать следующим образом:

1. Basically available (базовая доступность). Система гарантирует ответ на запрос, даже если часть узлов недоступна или вышла из строя.

2. Soft state (мягкое состояние). Из-за асинхронных обновлений состояние системы может меняться со временем, даже без прямого пользовательского ввода.

3. Eventual consistency (согласованность в конечном итоге). Данные со временем придут к согласованному состоянию, но на коротких промежутках возможны расхождения.

Различия между этими принципами можно выделить в три пункта.

1. ACID обеспечивает строгую согласованность после каждой транзакции, строго соблюдая правила целостности. BASE жертвует строгой согласованностью ради производительности и доступности — данные могут быть временно несогласованными, но придут в порядок позже.

2. ACID-системы ставят во главу угла согласованность, из-за чего могут становиться недоступными при сбоях. BASE-системы ориентированы на высокую доступность и остаются отзывчивыми даже при сетевых проблемах или отказах отдельных узлов.

3. ACID-системам сложно масштабироваться горизонтально, поскольку строгая согласованность на распределённых системах требует значительных ресурсов. BASE-системы легко масштабируются и рассчитаны на распределённую архитектуру, где допустимы временные несогласованности.

Когда использовать ACID, а когда BASE? ACID подходит для сценариев, где критична точность данных. Финансовые транзакции, складские остатки, e-commerce и т. д. BASE предпочтителен, когда важнее масштабируемость, скорость и доступность (например CDN-системы, ленты соц. сетей). На самом деле это, конечно же, не непреложное правило, но итоговый выбор делаете вы.

Распространённые проблемы с транзакциями ACID

Реализация транзакций ACID не обходится без сложностей. Особенно они проявляются в системах с высокой нагрузкой, распределённых базах данных и при одновременной обработке множества транзакций.

Одним из главных компромиссов при использовании ACID является производительность. Обеспечение атомарности, согласованности и долговечности требует ресурсов, особенно при большом объёме транзакций.

Эти требования замедляют операции по следующим причинам:

1. Когда мы реализуем атомарность, все шаги транзакции должны выполниться как единое целое. Если одна из операций не удаётся, транзакция откатывается целиком. Процесс отката может быть ресурсоёмким.

2. Транзакции, по принципу согласованности, должны приводить базу данных в корректное состояние, что часто включает проверку ограничений, триггеров и бизнес-правил. Эти дополнительные проверки увеличивают время обработки.

3. Если говорить про долговечность, после коммита транзакции изменения должны быть сохранены навсегда, что обычно требует записи в несколько мест (логи транзакций, дисковое хранилище). Постоянное хранение может снижать пропускную способность системы.

И с ростом объёма транзакций эти процессы могут создавать узкие места, ограничивая масштабируемость и скорость отклика системы.

В целом принципы ACID традиционно рассчитаны на однородные или централизованные системы, где проще обеспечивать целостность и согласованность данных. При масштабировании, особенно на географически распределённые кластеры, поддержание ACID становится сложнее.

Если говорить о распределенных транзакциях, то обратите внимание, они могут охватывать несколько узлов. Добиться согласия всех участников по результату транзакции непросто, особенно при высокой задержке сети или её разрывах. Для этого используют, например, протокол двухфазного подтверждения, который добавляет сложность и накладные расходы.

Также ACID-базы часто реплицируют данные на несколько серверов для долговечности. Синхронизация и поддержание согласованности реплик может быть медленным и потреблять много ресурсов. Сетевые задержки и сбои серверов ещё больше усложняют задачу.

Еще одна проблема заключается в том, что одновременные транзакции создают дополнительную проблему для ACID-баз в многопользовательских средах. Изолированность гарантирует, что транзакции не мешают друг другу, но для этого нужны механизмы управления доступом к данным. Наиболее распространённый способ — блокировки, которые тоже имеют свои сложности.

Базы используют блокировки строк и таблиц, чтобы предотвратить одновременный доступ к одним и тем же данным. Блокировки обеспечивают изолированность, но могут привести к взаимным блокировкам (deadlocks), когда две или более транзакций ждут освобождения ресурсов друг другом.

В свою очередь, высокий уровень параллелизма может вызывать частые блокировки, замедляя систему. С ростом числа транзакций управление блокировками становится сложнее и снижает производительность. При этом при deadlock или обнаружении конфликта одна из транзакций откатывается, что также влияет на ресурсы.

Рекомендации работы с транзакциями ACID

Соблюдение некоторых рекомендаций помогает поддерживать надёжность системы, особенно в высоконагруженных или сложных средах.

Одним из важнейших принципов является использование транзакций только там, где это действительно необходимо. ACID важны для операций, критичных к целостности данных, но применение транзакций ко всем операциям может создавать лишние накладные расходы и снижать производительность.

Следует ограничивать транзакцию только теми операциями, которые требуют атомарности и согласованности. Не оборачивайте в транзакцию лишние операции только для чтения.

Если возможно, разбивайте крупные операции на несколько меньших транзакций. Это уменьшает объём работы на одну транзакцию.

Старайтесь коммитить и откатывать транзакции как можно скорее, чтобы освободить ресурсы и избежать долгих блокировок.

Главная идея — концентрироваться только на критичных операциях, сохраняя целостность данных без лишней нагрузки.

Оптимизация параллельной работы (concurrency)

Настройка базы данных и контроль параллелизма необходимы для поддержания производительности при одновременном выполнении нескольких транзакций, не нарушая свойства изолированности.

Выбирайте подходящий уровень изоляции в зависимости от требований приложения. Например, READ COMMITTED подходит для большинства случаев, а SERIALIZABLE нужен там, где требуется строгая изоляция. Учтите, что высокие уровни изоляции могут увеличивать конкуренцию за ресурсы и снижать пропускную способность.

Корректно настраивайте блокировки, чтобы обеспечить целостность данных и при этом поддерживать высокий уровень параллелизма. Например, блокировки на уровне строк эффективнее, чем блокировка всей таблицы, при одновременном доступе к данным.

Иногда используют подход без блокировок — оптимистичный контроль параллелизма, предполагающий, что конфликты редки, а проверка данных выполняется только на момент фиксации транзакции. Это может быть эффективнее, чем удержание блокировок на протяжении всей транзакции.

Помните, что оптимизация параллельной работы защищает систему и поддерживает её отзывчивость даже при большом числе одновременно выполняющихся транзакций.

Мониторинг и логирование транзакций

Мониторинг и логирование необходимы, чтобы быть в курсе состояния и эффективности вашей базы данных.

Хорошо было бы, если бы вы отслеживали производительность транзакций. Используйте инструменты для мониторинга транзакций в реальном времени. Обращайте внимание на медленные запросы, чрезмерные блокировки и частые откаты — это может указывать на проблемы с управлением транзакциями или конфигурацией базы.

Логируйте ошибки и исключения. Все сбои транзакций, откаты и конфликты должны фиксироваться в логах для последующего анализа. Это помогает выявлять повторяющиеся проблемы, устранять неисправности и совершенствовать систему.

Анализируйте пропускную способность. Отслеживайте количество обрабатываемых транзакций и оценивайте, справляется ли система с нагрузкой. Если число транзакций превышает возможности системы, может потребоваться оптимизация конфигурации или более равномерное распределение нагрузки.

ACID-механизмы становятся куда понятнее, когда есть практика на реальных СУБД и живых запросах. Курс «SQL для разработчиков и аналитиков» как раз выстраивает это целостное понимание: от модели данных и оконных функций до оптимизации запросов и транзакционной логики. Пройдите вступительный тест и узнайте, подойдет ли вам программа курса.

А чтобы оставаться в курсе актуальных технологий и трендов, подписывайтесь на Telegram-канал OTUS.