Введение
В этой статье рассмотрим, что такое "Сериализуемость" (Serializability) и какие гарантии она предоставляет.
В реляционных СУБД уровень изоляции Serializable (сериализуемость), как следует из названия, обеспечивает сериализуемость транзакций. Однако, как вы увидите далее, в некоторых базах данных реализована также строгая сериализуемость (Strict Serializability), которая представляет собой комбинацию сериализуемости и линеаризуемости (Linearizability).
Последовательное выполнение
Прежде чем говорить о сериализуемости, давайте рассмотрим последовательное выполнение (Serial execution). Сериализуемость и последовательное выполнение — это не одно и то же.
Последовательное выполнение обеспечивает монопольный доступ к общему ресурсу одному и только одному клиенту в каждый отдельно взятый момент времени. Это показано на диаграмме ниже:
Предоставляя монопольный доступ к разделяемым ресурсам, можно предотвратить появление аномалий данных, поскольку каждая транзакция будет видеть базу данных в согласованном состоянии, в котором ее оставила предыдущая транзакция.
Существует множество технологий, использующих последовательное выполнение, например, JavaScript, Node.js, Volt DB.
Однако здесь есть пробле��а. Согласно закону Амдала, степень распараллеливания обратно пропорциональна проценту последовательных операций.
Следовательно, последовательное выполнение плохо масштабируется, то есть оно ограничено системами, хранящими данные в памяти, с очень быстрыми операциями.
Конфликты конкурентного доступа
Большинство реляционных СУБД позволяет одновременно работать через несколько соединений. Таким образом, в каждый момент времени может выполняться несколько транзакций, читающих и изменяющих данные.
При отсутствии сериализуемости есть вероятность появления конфликтов. В контексте транзакций баз данных эти конфликты называются феноменами (phenomena) или аномалиями (anomalies) данных.
Например, на диаграмме ниже показана аномалия потерянного обновления (Lost Update), которая может возникнуть при отсутствии сериализуемости:
Если вы сравните диаграмму аномалии потерянного обновления с первой диаграммой последовательного выполнения, то увидите, что при потерянном обновлении чередуются операции чтения и записи, относящиеся к разным транзакциям.
Для предотвращения аномалий журнал транзакций должен линеаризовать транзакции, чтобы не было чередования операций чтения и записи, относящихся к разным транзакциям.
Сериализуемость (Serializability)
Таким образом, чтобы избежать конфликтов, мы не должны смешивать транзакции. Последовательное выполнение позволяет избежать чередования транзакций, предоставляя транзакции эксклюзивный доступ к базе данных, но той же цели можно достичь, не жертвуя параллелизмом.
Такое решение называется сериализуемостью (Serializability). В отличие от последовательного выполнения, сериализуемость позволяет выполнять несколько транзакций одновременно, но с одним условием: результат должен быть эквивалентен последовательному выполнению.
То есть, если Алиса и Боб выполняют одновременно две транзакции, то возможно только два варианта последовательного выполнения:
сначала транзакция Алисы (Alice), потом транзакция Боба (Bob);
сначала транзакция Боба (Bob), потом транзакция Алисы (Alice).
Если инструкции в журнале транзакций следуют этому паттерну, то результат считается сериализуемым.
В случае трех транзакций (A, B и C) будет 3! = 6 вариантов последовательного выполнения. Для достижения сериализуемости порядок не имеет значения. Единственное ограничение — результат должен быть как при последовательном выполнении.
Для N одновременных транзакций получается N! возможных вариантов последовательного выполнения, каждый из которых представляет собой сериализуемый поток выполнения.
Если поток транзакций является одновременно сериализуемым и линаризуемым (операции применяются мгновенно), то мы получаем модель строгой сериализуемости (Strict Serializable).
Реализация сериализуемости
Для реализации сериализуемости есть два подхода:
2PL (Two-Phase Locking, двухфазная блокировка) — используется в SQL Server и MySQL для реализации уровня изоляции Serializable.
Serializable Snapshot Isolation — реализован в PostgreSQL.
Уровень изоляции Serializable в Oracle на самом деле является Snapshot Isolation (изоляцией снимков состояния), и хотя это решает многие проблемы, но не защищает от всех возможных аномалий ассиметрии записи (Write Skew).
Заключение
Сериализуемость (Serializability) позволяет предотвратить конфликты конкурентного доступа, не жертвуя параллелизмом, как в случае с последовательным выполнением (Serial execution).
Пока результат будет эквивалентен некоторому возможному последовательному выполнению, несколько транзакций могут быть успешн�� зафиксированы (commit). Для реализации сериализуемости могут использовать либо блокировки, либо механизм MVCC (Multi-Version Concurrency Control).
Всех желающих приглашаем на открытое занятие курса OTUS "Java Developer. Professional", на котором разберем вредные советы по созданию кода.
