Datenbank-ACID-Eigenschaften: Atomar, Konsistent, Isoliert, Dauerhaft

Verständnis der Grundlagen zuverlässiger und konsistenter Datenbanktransaktionen

• Was sind ACID-Transaktionen?
  • Atomität
  • Konsistenz
  • Isolation
  • Haltbarkeit
• ACID-Eigenschaften in der Praxis
• Best Practices für die Nutzung von ACID-Transaktionen
• Zusätzliche Ressourcen

Ich halte es nicht für übertrieben zu sagen, dass Daten ziemlich wichtig sind. Daten sind besonders wichtig für moderne Organisationen. Tatsächlich ging The Economist sogar so weit zu sagen, dass Daten Öl als wertvollste Ressource der Welt überholt haben, was bereits 2017 war.

Eines der Probleme bei Daten sind jedoch die riesigen Mengen, die täglich verarbeitet werden müssen. Heutzutage werden so viele Daten weltweit generiert, dass wir einen neuen Begriff entwickeln müssen, nur um auszudrücken, wie viel Daten es gibt: Big Data. Sicher, es klingt nicht der beeindruckendste Begriff, aber die Tatsache bleibt.

Bei all dem Big Data suchen Organisationen nach Möglichkeiten, ihr Management aus praktischer, rechnerischer und sicherheitstechnischer Sicht zu verbessern. Wie Spidermans Onkel Ben einmal sagte:

"Mit großen [Daten] kommt große Verantwortung."

Die beste Methode, die die IT-Welt entwickelt hat, um die Komplexität des Datenmanagements zu meistern, ist die Nutzung von Datenbanken.

Was ist eine Datenbank?

Datenbanken sind strukturierte Datensätze, die in Computern gespeichert werden. Oft werden Datenbanken auf kompletten Serverfarmen gespeichert, die mit Computern gefüllt sind, die speziell für die Verarbeitung dieser Daten und der für deren Nutzung notwendigen Prozesse entwickelt wurden.

Moderne Datenbanken sind so komplexe Systeme, dass Managementsysteme dafür entwickelt wurden. Diese Datenbankmanagementsysteme (DBMS)) Suchen Sie danach, die Speicherung und Abruf von Daten innerhalb von Datenbanken zu optimieren und zu verwalten.

Der ACID-Ansatz ist einer der Leitsterne, die Organisationen zu einem erfolgreichen Datenbankmanagement führen.

Was sind ACID-Transaktionen?

Im Kontext der Informatik und Datenbanken steht ACID für:

• Atomität
• Konsistenz
• Isolation
• Haltbarkeit

ACID ist eine Reihe von Leitprinzipien, die sicherstellen, dass Datenbanktransaktionen zuverlässig verarbeitet werden. Eine Datenbanktransaktion ist jede Operation, die innerhalb einer Datenbank durchgeführt wird, wie zum Beispiel das Erstellen eines neuen Datensatzes oder das Aktualisieren von Daten innerhalb einer Datenbank.

ACID-Transaktionen sind Operationen innerhalb einer Datenbank, die mit Sorgfalt ausgeführt werden müssen, um sicherzustellen, dass die Daten nicht beschädigt werden. Die Anwendung der ACID-Eigenschaften auf jede Datenbankänderung ist der beste Weg, um deren Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Schauen wir uns jede Komponente an, um die volle Bedeutung von ACID im Datenbankmanagement zu verstehen.

Atomität

Konsistenz

Isolation

Haltbarkeit

ACID-Eigenschaften in der Praxis

Best Practices für die Nutzung von ACID-Transaktionen

Im Zusammenhang mit den ACID-Eigenschaften einer Datenbank bedeutet Atomizität, dass Sie entweder:

• Verpflichten Sie sich, die gesamte Transaktion durchzuführen
• Habe überhaupt keine Transaktion

Im Wesentlichen stellt eine atomare Transaktion sicher, dass jeder von Ihnen tätige Commit die gesamte Operation erfolgreich abschließt. Im Falle eines Verbindungsausfalls mitten in einer Operation wird die Datenbank in ihren Zustand zurückgesetzt, bevor der Commit gestartet wird.

Dies ist wichtig, um Abstürze oder Ausfälle zu verhindern, die Fälle verursachen, in denen die Transaktion teilweise abgeschlossen wurde und in einem Unknown Gesamtzustand beendet wurde. Wenn während einer Transaktion ohne Atomizität ein Absturz auftritt, können Sie nicht genau wissen, wie weit der Prozess war, bevor die Transaktion unterbrochen wurde. Mit dem Prinzip atomare Transaktionen stellen Sie sicher, dass entweder die gesamte Transaktion erfolgreich abgeschlossen ist – oder dass nichts davon abgeschlossen wurde.

Im ACID-Datenbankmanagement bezeichnet Konsistenz die Aufrechterhaltung von Datenintegritätseinschränkungen.

Eine konsistente Transaktion verstößt nicht gegen die von den Datenbankregeln auferlegten Integritätsbeschränkungen. Die Durchsetzung der Konsistenz stellt sicher, dass, wenn eine Datenbank in einen illegalen Zustand gerät (bei einem Verstoß gegen Datenintegritätsbeschränkungen), der Prozess abgebrochen und Änderungen in ihren vorherigen rechtlichen Zustand zurückgesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Konsistenz innerhalb einer Datenbank während jeder Transaktion sicherzustellen, besteht darin, auch deklarative Einschränkungen auf die Datenbank einzusetzen.

Ein Beispiel für eine deklarative Einschränkung könnte sein, dass alle Kundenkonten einen positiven Saldo haben müssen. Wenn eine Transaktion ein Kundenkonto in einen negativen Saldo bringt, wird diese Transaktion zurückgesetzt. Dies stellt sicher, dass Änderungen die Datenintegrität erfolgreich aufrechterhalten oder vollständig aufgehoben werden.

Isolierte Transaktionen gelten als "serialisierbar", das heißt, jede ACID-Transaktion findet in einer bestimmten Reihenfolge statt, ohne dass Transaktionen gleichzeitig stattfinden.

Alle an der Datenbank durchgeführten Lese- oder Schreibvorgänge werden nicht von anderen Lese- und Schreibvorgängen separater Transaktionen auf derselben Datenbank beeinflusst. Es wird eine globale Reihenfolge erstellt, wobei jede Transaktion in einer Reihe in die Warteschlange gestellt wird, um sicherzustellen, dass die Transaktionen vollständig abgeschlossen sind, bevor eine neue beginnt.

Wichtig ist, dass das nicht bedeutet, dass zwei Operationen nicht gleichzeitig stattfinden können. Mehrere Transaktionen können stattfinden, solange diese Transaktionen keine Möglichkeit haben, die anderen gleichzeitig stattfindenden Transaktionen zu beeinflussen.

Dies kann Auswirkungen auf die Transaktionsgeschwindigkeit haben, da viele Operationen warten müssen, bevor sie gestartet werden können. Dieser Kompromiss ist jedoch die zusätzliche Datensicherheit durch die Isolation wert.

In einer ACID-Datenbank kann Isolation durch eine gleitende Skala der Erlaubnis erreicht werden, die zwischen sogenannten optimistischen und pessimistischen Transaktionen verläuft:

• Ein optimistisches Transaktionsschema geht davon aus, dass andere Transaktionen abgeschlossen werden, ohne zweimal an denselben Ort zu lesen oder zu schreiben. Mit dem optimistischen Schema werden beide Transaktionen abgebrochen und erneut versucht, falls eine Transaktion zweimal denselben Ort erreicht.
• Ein pessimistisches Transaktionsschema bietet weniger Handlungsfreiheit und sperrt Ressourcen, wobei angenommen wird, dass Transaktionen andere beeinflussen. Dies führt zu weniger Abbrüchen und Wiederholungen, bedeutet aber auch, dass Transaktionen häufiger in der Schlange warten müssen als beim optimistischen Transaktionsansatz.

Einen Sweet Spot zwischen diesen beiden Idealen zu finden, ist oft der Punkt, an dem Sie das beste Gesamtergebnis finden.

Der letzte Aspekt des ACID-Ansatzes im Datenbankmanagement ist die Beständigkeit.

Die Beständigkeit stellt sicher, dass Änderungen an der Datenbank (Transaktionen), die erfolgreich durchgeführt wurden, dauerhaft erhalten bleiben, selbst im Falle von Systemausfällen. Dies stellt sicher, dass die Daten in der Datenbank nicht beschädigt werden durch:

• Serviceausfälle
• Abstürze
• Weitere Fälle von Ausfall

Dauerhaftigkeit wird durch die Verwendung von Änderungsprotokollen erreicht, die beim Neustart von Datenbanken (oder Teilen der Datenbank) referenziert werden.

ACID unterstützt Datenintegrität und -sicherheit

Wenn alle Aspekte des ACID-Ansatzes erfolgreich zusammengeführt werden, werden Datenbanken mit höchster Datenintegrität und Datensicherheit  gepflegt, um sicherzustellen, dass sie der Organisation kontinuierlich einen Mehrwert bieten. Eine Datenbank mit beschädigten Daten kann kostspielige Probleme darstellen, da Organisationen großen Wert auf ihre Daten legen – sowohl für den täglichen Betrieb als auch für strategische Analysen.

Die Verwendung von ACID-Eigenschaften mit Ihrer Datenbank stellt sicher, dass Ihre Datenbank weiterhin wertvolle Daten während der gesamten Operationen liefert.

ACID in relationaler Datenbank

Die Verwendung von ACID-Eigenschaften in realen Anwendungen wie relationalen Datenbanken ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Datenintegrität.

SQL Server entspricht vollständig den ACID-Prinzipien, was es ideal macht, um eine starke Datenintegrität zu gewährleisten. Mit MySQL ist die ACID-Konformität von der Speicher-Engine abhängig.

ACID in der noSQL-Datenbank

MongoDB, eine NoSQL-Datenbank, die auf Dokumente ausgerichtet ist, wurde ursprünglich nicht auf ACID-Eigenschaften ausgelegt. Neuere Versionen integrieren jedoch ACID auf Dokumentebene, sodass es SQL Server in Bezug auf Datenintegrität schnell nähert.

Um die ACID-Leitprinzipien effektiv anzuwenden, befolgen Sie diese Best Practices:

• Modelliere Daten, um verwandte Daten gemeinsam zu speichern. Sie verringern das Risiko von Inkonsistenzen, fördern die Skalierbarkeit und unterstützen effizientere Zugriffs- und Aktualisierungseffizienz.
• Teile langfristige Transaktionen in kleinere Stücke auf. Kürzere Transaktionen benötigen weniger Ressourcen.
• Begrenze Transaktionen auf 1.000 Dokumentänderungen. Dies ermöglicht es dem System, große Datenmengen zu verarbeiten und gleichzeitig Stabilität und Leistung zu erhalten.
• Konfigurieren Sie angemessene Lese- und Schreibbeschränkungen , um Datenkonsistenz, Systemleistung und Verfügbarkeit besser auszubalancieren.
• Behandle Fehler und versuche erneut Transaktionen, die aufgrund vorübergehender Fehler fehlschlagen. Du reduzierst die Anzahl der fehlgeschlagenen Operationen und stellst sicher, dass mehr ACID-Transaktionen vollständig abgeschlossen sind, um die Datenkonsistenz zu bewahren.
• Beachten Sie die Leistungskosten für Transaktionen, die mehrere Shards betreffen. Um Latenz und potenzielle Ausfälle zu reduzieren, möchten Sie möglicherweise verwandte Transaktionen auf einer Aktie lokalisieren.
• Erzwingen Sie die Datenintegrität mit Einschränkungen , die ungültige Dateneingaben verhindern, und validieren Sie die Daten, bevor sie zur Datenbank gelangen.
• Nutzen Sie Logging und Backups, um Datenverluste zu vermeiden, planen Sie häufige Backups und testen Sie sie gründlich.

Verwandte Literatur

• BMC Machine Learning & Big Data Blog
• Datenarchitektur erklärt: Komponenten, Standards und sich verändernde Architekturen
• CAP-Theorem für Datenbanken: Konsistenz, Verfügbarkeit & Partitionstoleranz
• Data Streaming erklärt: Vor- und Nachteile und wie es funktioniert
• Datenethik für Unternehmen
• 3 einfache Strategien zur Datenmonetarisierung für Unternehmen

Diese Beiträge sind meine eigenen und spiegeln nicht unbedingt die Position, Strategien oder Meinung von BMC wider.