交易與 ACID

交易是什麼

是一組被視為單一工作單位的資料庫操作：要嘛全部生效，要嘛全部不生效。 它是資料庫對應用程式最重要的抽象——讓開發者在面對當機與並行時，仍能以「一次只有我在操作、而且操作不會做到一半」的方式思考。

BEGIN;                                  -- 或 START TRANSACTION
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
SAVEPOINT before_fee;                   -- 部分回滾點
UPDATE accounts SET balance = balance - 5 WHERE id = 1;   -- 手續費
ROLLBACK TO SAVEPOINT before_fee;       -- 取消手續費，但保留第一筆更新
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;                                 -- 或 ROLLBACK 放棄全部

沒有明確 時，多數系統處於 autocommit：每個語句自成一筆交易。

ACID

排程與可序列化

排程（schedule）是多筆交易操作的交錯順序。序列排程是交易一個接一個執行； 一個排程若效果等價於某個序列排程，稱為可序列化（serializable）——這是隔離性的黃金標準。

兩個操作衝突的條件：來自不同交易、存取同一資料項、且至少一個是寫入。三種衝突：

• R–W（unrepeatable read）：\(T_1\) 讀 \(A\) 後 \(T_2\) 寫 \(A\)。

• W–R（dirty read）：\(T_1\) 寫 \(A\) 後 \(T_2\) 讀 \(A\)。

• W–W（lost update）：\(T_1\) 寫 \(A\) 後 \(T_2\) 寫 \(A\)。

衝突可序列化：能透過交換不衝突的相鄰操作變成序列排程。判定方法：畫優先圖（precedence graph）—— 節點是交易，若 \(T_i\) 的某操作與 \(T_j\) 的操作衝突且 \(T_i\) 在前，畫 \(T_i \to T_j\)。無環 \(\Leftrightarrow\) 衝突可序列化，拓撲排序就是等價的序列順序。

View serializability 是更寬鬆的定義（允許 blind write 的特例），但判定是 NP-complete，實務系統都以衝突可序列化為目標。

此外還要考慮可復原性：若 \(T_2\) 讀了 \(T_1\) 的寫入，\(T_2\) 必須在 \(T_1\) 之後 commit（recoverable）； 否則 \(T_1\) 中止時 \(T_2\) 已 commit 的結果建立在不存在的資料上。更強的 strict 排程（不讀也不覆寫未 commit 的資料） 避免連鎖中止（cascading abort）並讓 undo 變簡單——這是多數系統實際採用的。

異常現象

以下以兩筆交易 \(T_1\)、\(T_2\) 的時間軸呈現（時間由上而下）。

隔離等級

ANSI/ISO SQL-92 用「禁止哪些異常」定義四個等級：

各系統的實際行為：

PostgreSQL 把 Read Uncommitted 當成 Read Committed 處理——MVCC 架構下根本不會讀到未 commit 的版本。

Snapshot Isolation 與 write skew

-- 兩個 session 同時執行
BEGIN ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
SELECT count(*) FROM doctors WHERE on_call;          -- 兩邊都得到 2
UPDATE doctors SET on_call = false WHERE name = 'Alice';   -- session 1
UPDATE doctors SET on_call = false WHERE name = 'Bob';     -- session 2
COMMIT;                                              -- 兩邊都成功：0 人值班！

兩筆交易寫的是不同列，first-committer-wins 不會發生衝突。防範方法： (1) 改用 ——SSI 會在其中一方 commit 時偵測到 rw-conflict 的危險結構並回報 ； (2) 把「隱含的衝突」物化： 鎖住所讀的值班列、或在一張 表上做 製造 W–W 衝突； (3) 用約束（如對「至少一人值班」建立觸發器或 exclusion constraint）。

並行控制的三大家族

接下來三章分別深入三種實現隔離性的策略，這裡先建立地圖：