PostgreSQLでのトランザクションの理解と使用

はじめに

トランザクションは、複数のステートメントをデータベースが処理する単一の操作としてカプセル化するメカニズムです。個別のステートメントを投入する代わりに、データベースはコマンドのグループをまとまりのある単位として解釈し、実行することができます。これにより、密接に関連する多くのステートメントの過程で、データセットの一貫性を確保できます。

このガイドでは、まずトランザクションとは何か、そしてなぜそれが有益なのかについて説明します。その後、PostgreSQLがトランザクションをどのように実装しているか、そしてそれらを使用する際の様々なオプションを見ていきます。

トランザクションとは？

トランザクションは、複数のステートメントを単一の操作として処理するためにグループ化および分離する方法です。各コマンドがサーバーに送信されるたびに個別に実行するのではなく、トランザクションでは、コマンドがまとめてバンドルされ、他のリクエストとは別のコンテキストで実行されます。

分離はトランザクションの重要な要素です。トランザクション内では、実行されたステートメントはトランザクション自体の環境のみに影響を与えます。トランザクションの内部からは、ステートメントはデータを変更でき、その結果はすぐに表示されます。外部からは、トランザクションがコミットされるまで変更は行われず、コミットされた時点でトランザクション内のすべてのアクションが一度に可視化されます。

これらの機能は、原子性（トランザクション内のアクションはすべてコミットされるか、すべてロールバックされるかのいずれかである）および分離性（トランザクションの外部ではコミットされるまで何も変更されず、内部ではステートメントが結果をもたらす）を提供することで、データベースがACID準拠を達成するのに役立ちます。これらが相まって、データベースが一貫性を維持するのに役立ちます（部分的なデータ変換が発生しないことを保証することで）。さらに、トランザクション内の変更は、不揮発性ストレージにコミットされるまで成功として返されず、これが永続性を提供します。

これらの目標を達成するために、トランザクションはさまざまな戦略を採用しており、異なるデータベースシステムは異なるメソッドを使用しています。PostgreSQLは多版型同時実行制御 (MVCC) と呼ばれるシステムを使用しており、これによりデータベースはデータスナップショットを使用して不要なロックなしでこれらのアクションを実行できます。これらすべてを合わせると、これらのシステムは現代のリレーショナルデータベースの基本的な構成要素の1つを形成し、クラッシュ耐性のある方法で複雑なデータを安全に処理することを可能にします。

一貫性の失敗の種類

人々がトランザクションを使用する理由の1つは、データの整合性やデータが処理される環境について特定の保証を得るためです。整合性はさまざまな方法で損なわれる可能性があり、それがデータベースがそれらを防ぐ方法に影響を与えます。

トランザクションの実装方法によって、不整合が発生する主な方法は4つあります。これらのシナリオが発生する可能性のある状況に対する許容度が、アプリケーションでトランザクションを使用する方法に影響します。

トランザクション分離レベル

トランザクションは「万能」な解決策ではありません。さまざまなシナリオでは、パフォーマンスと保護の間で異なるトレードオフが必要です。幸いなことに、PostgreSQLは必要なトランザクション分離のタイプを指定できます。

ほとんどのデータベースシステムが提供する分離レベルは以下のとおりです。

トランザクションの定義

PostgreSQLがトランザクションで使用できるさまざまな分離レベルについて説明したので、トランザクションの定義方法を見ていきましょう。

PostgreSQLでは、明示的にマークされたトランザクション外部のすべてのステートメントは、実際にはそれ自身の単一ステートメントトランザクションとして実行されます。トランザクションブロックを明示的に開始するには、BEGINまたはSTART TRANSACTIONコマンド（これらは同義です）のいずれかを使用できます。トランザクションをコミットするには、COMMITコマンドを発行します。

したがって、トランザクションの基本的な構文は次のようになります。

BEGIN;

statements

COMMIT;

より具体的な例として、ある口座から別の口座へ1000ドルを送金しようとしていると想像してください。私たちは、そのお金が常に2つの口座のいずれか一方にあり、両方にあることは決してないことを確実にしたいと考えています。

この送金をカプセル化する2つのステートメントを、次のようなトランザクションにまとめることができます。

 BEGIN;

UPDATE accounts
   SET balance = balance - 1000
 WHERE id = 1;

UPDATE accounts
   SET balance = balance + 1000
 WHERE id = 2;

COMMIT;

ここでは、id = 1の口座から1000ドルが引き出されることは、同時にid = 2の口座に1000ドルが預け入れられない限りありません。これらの2つのステートメントはトランザクション内で順次実行されますが、同時にコミットされ、それによって基となるデータセット上で同時に実行されます。

トランザクションのロールバック

トランザクション内では、すべてのステートメントがデータベースにコミットされるか、何もコミットされないかのいずれかです。トランザクション内で行われたステートメントや変更をデータベースに適用する代わりに放棄することを、トランザクションの「ロールバック」と呼びます。

トランザクションは、自動的または手動でロールバックできます。PostgreSQLは、内部のステートメントのいずれかがエラーになった場合、トランザクションを自動的にロールバックします。また、選択された分離レベルが許可しない場合、直列化エラーが発生する可能性があればトランザクションをロールバックします。

現在のトランザクション中に与えられたステートメントを手動でロールバックするには、ROLLBACKコマンドを使用できます。これにより、トランザクション内のすべてのステートメントがキャンセルされ、実質的にトランザクションの開始時点に時間を巻き戻します。

例えば、以前使用した銀行口座の例を使い続けると仮定して、UPDATEステートメントを発行した後に、誤って間違った金額を送金してしまったり、間違った口座を使用してしまったりしたことが判明した場合、変更をコミットする代わりにロールバックすることができます。

   BEGIN;

  UPDATE accounts
     SET balance = balance - 1500
   WHERE id = 1;

  UPDATE accounts
     SET balance = balance + 1500
   WHERE id = 3;  -- Wrong account number here!  Must rollback

/* Gets us back to where we were before the transaction started */
ROLLBACK;

ROLLBACKすると、1500ドルは依然としてid = 1の口座に残ったままになります。

ロールバック時のセーブポイントの使用

デフォルトでは、ROLLBACKコマンドはトランザクションをBEGINまたはSTART TRANSACTIONコマンドが最初に呼び出された時点の状態にリセットします。しかし、トランザクション内の一部のステートメントだけを元に戻したい場合はどうすればよいでしょうか？

ROLLBACKコマンドを発行する際に任意の場所へロールバックすることはできませんが、トランザクション全体で設定した「セーブポイント」へはロールバックできます。SAVEPOINTコマンドを使用してトランザクションの場所を事前にマークし、ロールバックする必要があるときにそれらの特定の場所を参照できます。

これらのセーブポイントを使用すると、中間的なロールバックポイントを作成できます。その後、現在地とセーブポイントの間で行われたステートメントを任意で元に戻し、トランザクションの作業を続行できます。

セーブポイントを指定するには、SAVEPOINTコマンドの後にセーブポイントの名前を続けて発行します。

SAVEPOINT save_1;

そのセーブポイントにロールバックするには、ROLLBACK TOコマンドを使用します。

ROLLBACK TO save_1;

続けて、これまで使用してきた口座を例にした説明を続けます。

    BEGIN;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance - 1500
    WHERE id = 1;

/* Set a save point that we can return to */
SAVEPOINT save_1;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance + 1500
    WHERE id = 3;  -- Wrong account number here!  We can rollback to the save point though!

/* Gets us back to the state of the transaction at `save_1` */
 ROLLBACK TO save_1;

/* Continue the transaction with the correct account number */
   UPDATE accounts
      SET balance = balance + 1500
    WHERE id = 4;

   COMMIT;

ここでは、これまでのトランザクションで行ったすべての作業を失うことなく、犯した間違いから回復できます。ロールバック後、正しいステートメントを使用して計画通りにトランザクションを続行します。

トランザクションの分離レベルの設定

トランザクションに必要な分離レベルを設定するには、START TRANSACTIONまたはBEGINコマンドにISOLATION LEVEL句を追加します。基本的な構文は次のようになります。

BEGIN ISOLATION LEVEL <isolation_level>;

statements

COMMIT;

<isolation_level>には、以下のいずれかを指定できます（詳細は前述）。

• READ UNCOMMITTED（PostgreSQLではこのレベルが実装されていないため、READ COMMITTEDになります）
• READ COMMITTED
• REPEATABLE READ
• SERIALIZABLE

SET TRANSACTIONコマンドは、トランザクション開始後に分離レベルを設定するためにも使用できます。ただし、SET TRANSACTIONは、クエリやデータ変更コマンドが実行される前にのみ使用できるため、柔軟性が向上するわけではありません。

トランザクションの連結

複数のトランザクションを順次実行する必要がある場合、オプションでCOMMIT AND CHAINコマンドを使用してそれらを連結できます。

COMMIT AND CHAINコマンドは、内部のステートメントをコミットすることで現在のトランザクションを完了します。コミットが処理された後、すぐに新しいトランザクションを開始します。これにより、別のステートメントのセットをトランザクションにまとめることができます。

このステートメントは、COMMIT; BEGINを発行した場合とまったく同じように機能します。

    BEGIN;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance - 1500
    WHERE id = 1;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance + 1500
    WHERE id = 2;

/* Commit the data and start a new transaction that will take into account the committed from the last transaction */
   COMMIT AND CHAIN;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance - 1000
    WHERE id = 2;

   UPDATE accounts
      SET balance = balance + 1000
    WHERE id = 3;

   COMMIT;

トランザクションの連結は、新しい機能という点ではあまり提供しませんが、同じ種類の操作に焦点を当てながら自然な境界でデータをコミットするのに役立ちます。

結論

トランザクションは万能薬ではありません。さまざまな分離レベルには多くのトレードオフがあり、保護する必要がある一貫性の種類を理解するには考察と計画が必要です。これは、基盤となるデータが大幅に変化し、他の並行トランザクションとの競合の可能性が増加するような、長時間実行されるトランザクションでは特に顕著です。

そうは言っても、トランザクションのメカニズムは多くの柔軟性と強力な機能を提供します。相互に関連する並行操作を実行している間でもACID保証が維持されることを大きく助けます。複雑で安全な操作を実行するために、いつ、どのようにトランザクションを適切に使用するかを知ることは非常に貴重です。