العزل (أنظمة قواعد البيانات)

في أنظمة قواعد البيانات ، يُعدّ العزل أحد خصائص معاملات ACID ( الذرية ، والاتساق ، والعزل، والمتانة ) . وهو يُحدد كيفية ظهور سلامة المعاملة للمستخدمين والأنظمة الأخرى. يُتيح مستوى العزل المنخفض لعدد أكبر من المستخدمين الوصول إلى البيانات نفسها في الوقت نفسه، ولكنه يزيد أيضًا من عدد تأثيرات التزامن (مثل عمليات القراءة غير المكتملة أو فقدان التحديثات ) التي قد يواجهها المستخدمون. في المقابل، يُقلل مستوى العزل المرتفع من أنواع تأثيرات التزامن التي قد يواجهها المستخدمون، ولكنه يتطلب موارد نظام أكبر ويزيد من احتمالية أن تُعيق معاملةٌ ما معاملةً أخرى. ^{[ 1 ]}

يشمل التحكم بالتزامن الآليات الأساسية في نظام إدارة قواعد البيانات التي تتولى عزل العمليات وضمان صحتها. ويُستخدم هذا النظام بكثافة من قِبل محركات قواعد البيانات والتخزين لضمان التنفيذ الصحيح للمعاملات المتزامنة، ولضمان صحة عمليات نظام إدارة قواعد البيانات الأخرى (عبر آليات مختلفة). عادةً ما تُقيّد آليات المعاملات توقيت عمليات الوصول إلى بيانات قاعدة البيانات ( جداول المعاملات ) وفقًا لترتيبات محددة تُعرف بخصائص جدولة التسلسل والاسترداد . ويؤدي تقييد تنفيذ عمليات الوصول إلى قاعدة البيانات عادةً إلى انخفاض الأداء (المقاس بمعدلات التنفيذ)، ولذلك تُصمم آليات التحكم بالتزامن عادةً لتوفير أفضل أداء ممكن في ظل هذه القيود. وفي كثير من الأحيان، وعند الإمكان دون المساس بصحة البيانات، يتم التضحية بخاصية التسلسل لتحسين الأداء. ومع ذلك، لا يمكن التضحية بخاصية الاسترداد، لأن ذلك يؤدي عادةً إلى انتهاك سلامة قاعدة البيانات .

يُعدّ نظام القفل ثنائي المراحل أكثر طرق التحكم في تزامن المعاملات شيوعًا في أنظمة إدارة قواعد البيانات، ويُستخدم لتوفير إمكانية التسلسل وإمكانية الاسترداد لضمان صحة البيانات. للوصول إلى عنصر في قاعدة البيانات، تحتاج المعاملة أولًا إلى الحصول على قفل لهذا العنصر. وبناءً على نوع عملية الوصول (مثل قراءة أو كتابة عنصر) ونوع القفل، قد يتم حظر عملية الحصول على القفل وتأجيلها إذا كانت معاملة أخرى تحتفظ بقفل لهذا العنصر.

يُفرض العزل عادةً على مستوى قاعدة البيانات. مع ذلك، يمكن استخدام أنظمة مختلفة من جانب العميل. يُمكن التحكم به في أُطر عمل التطبيقات أو حاويات وقت التشغيل مثل J2EE Entity Beans ^{[ 2 ].} في الأنظمة القديمة، قد يُنفذ العزل بشكل منهجي (من قِبل مطوري التطبيقات)، على سبيل المثال باستخدام الجداول المؤقتة. في تطبيقات الويب ثنائية الطبقات، أو ثلاثية الطبقات، أو متعددة الطبقات، يُمكن استخدام مدير المعاملات للحفاظ على العزل. مدير المعاملات هو برنامج وسيط يقع بين خدمة التطبيق (خدمة التطبيق الخلفية) ونظام التشغيل . يُمكن لمدير المعاملات توفير عزل شامل وذرية. فهو يتتبع انضمام الخوادم الجديدة إلى المعاملة ويُنسق بروتوكول الالتزام الذري بين الخوادم. تُجرّد التفاصيل من التطبيق، مما يجعل المعاملات أبسط وأسهل في البرمجة. مُراقب معالجة المعاملات (TPM) هو مجموعة من البرامج الوسيطة، بما في ذلك مدير المعاملات. قد يُوفر مُراقب معالجة المعاملات عزلًا محليًا للتطبيق باستخدام مدير القفل. ^{[ 2 ]}

يشير معيار ANSI/ISO SQL 92 إلى ثلاث ظواهر قراءة مختلفة عندما تسترجع معاملة بيانات قد تكون معاملة أخرى قد قامت بتحديثها.

في الأمثلة التالية، تتم عمليتان. في العملية الأولى، يتم تنفيذ استعلام، ثم في العملية الثانية، يتم تنفيذ تحديث، وأخيراً في العملية الأولى، يتم تنفيذ نفس الاستعلام مرة أخرى.

تستخدم الأمثلة العلاقة التالية:

ابدأ ؛ حدد العمر من المستخدمين حيث المعرف = 1 ؛ -- يسترجع 20

ابدأ ؛ تحديث المستخدمين ، تعيين العمر = 21 حيث المعرف = 1 ؛ -- لا يوجد التزام هنا

SELECT age FROM users WHERE id = 1 ; -- READ UNCOMMITTED يُرجع 21 (قراءة غير نظيفة) -- READ COMMITTED يُرجع 20 (تم تجنب القراءة غير النظيفة) REPEATABLE READ يُرجع 20 (تم تجنب القراءة غير النظيفة) SERIALIZABLE يُرجع 20 (تم تجنب القراءة غير النظيفة) COMMIT ;

التراجع ؛

ابدأ ؛ حدد العمر من المستخدمين حيث المعرف = 1 ؛ -- يسترجع 20

ابدأ ؛ حدّث بيانات المستخدمين ، واضبط العمر على 21 حيث يكون المعرّف = 1 ؛ ثمّ قم بالتثبيت .

SELECT age FROM users WHERE id = 1 ; -- READ UNCOMMITTED يسترجع 21 (قراءة غير قابلة للتكرار) -- READ COMMITTED يسترجع 21 (قراءة غير قابلة للتكرار) REPEATABLE READ يسترجع 20 (تم تجنب القراءة غير القابلة للتكرار) SERIALIZABLE يسترجع 20 (تم تجنب القراءة غير القابلة للتكرار) COMMIT ;

ابدأ ؛ حدد الاسم من المستخدمين حيث العمر > 17 ؛ -- يسترجع أليس وبوب

ابدأ ؛ أدخل في جدول المستخدمين القيم ( 3 ، 'كارول' ، 26 )؛ نفّذ التغييرات ؛

SELECT name FROM users WHERE age > 17 ; -- READ UNCOMMITTED يسترجع Alice وBob وCarol (قراءة وهمية) -- READ COMMITTED يسترجع Alice وBob وCarol (قراءة وهمية) REPEATABLE READ يسترجع Alice وBob وCarol (قراءة وهمية) SERIALIZABLE يسترجع Alice وBob (تم تجنب القراءة الوهمية) COMMIT ;

من بين خصائص ACID الأربع في نظام إدارة قواعد البيانات ، تُعد خاصية العزل الأكثر تهاونًا. عند محاولة الحفاظ على أعلى مستوى من العزل، عادةً ما يقوم نظام إدارة قواعد البيانات بتأمين البيانات، مما قد يؤدي إلى فقدان التزامن ، أو يُطبّق نظام تحكم في التزامن متعدد الإصدارات . يتطلب هذا إضافة منطق برمجي لضمان عمل التطبيق بشكل صحيح.

تُوفر معظم أنظمة إدارة قواعد البيانات مستويات عزل متعددة للمعاملات ، والتي تتحكم في درجة التأمين التي تحدث عند اختيار البيانات. في العديد من تطبيقات قواعد البيانات، يُمكن تصميم غالبية معاملات قاعدة البيانات بحيث لا تتطلب مستويات عزل عالية (مثل مستوى SERIALIZABLE)، مما يُقلل من عبء التأمين على النظام. يجب على المبرمج تحليل كود الوصول إلى قاعدة البيانات بدقة لضمان عدم تسبب أي تخفيف للعزل في أخطاء برمجية يصعب اكتشافها. في المقابل، يؤدي استخدام مستويات عزل أعلى إلى زيادة احتمالية حدوث حالة جمود ، الأمر الذي يتطلب أيضًا تحليلًا دقيقًا وتقنيات برمجة مُتقنة لتجنبها.

بما أن كل مستوى عزل أقوى من المستويات الأدنى منه، بحيث لا يسمح أي مستوى عزل أعلى بإجراء محظور من قبل مستوى أدنى، فإن المعيار يسمح لنظام إدارة قواعد البيانات بتشغيل معاملة عند مستوى عزل أقوى من المستوى المطلوب (على سبيل المثال، قد يتم تنفيذ معاملة "قراءة ملتزمة" فعليًا عند مستوى عزل "قراءة قابلة للتكرار").

مستويات العزل المحددة بواسطة معيار ANSI / ISO SQL مدرجة على النحو التالي.

يختلف مستوى العزل الافتراضي لأنظمة إدارة قواعد البيانات اختلافًا كبيرًا. تسمح معظم قواعد البيانات التي تدعم المعاملات للمستخدم بتحديد أي مستوى عزل. كما تتطلب بعض أنظمة إدارة قواعد البيانات استخدام صيغة إضافية عند تنفيذ عبارة SELECT للحصول على أقفال (مثل SELECT ... FOR UPDATE للحصول على أقفال كتابة حصرية على الصفوف التي تم الوصول إليها).

ومع ذلك، فقد تعرضت التعريفات المذكورة أعلاه لانتقادات لكونها غامضة، ولأنها لا تعكس بدقة العزلة التي توفرها العديد من قواعد البيانات:

تُبين هذه الورقة البحثية عددًا من نقاط الضعف في منهجية الشذوذ لتحديد مستويات العزل. فظواهر ANSI الثلاث غامضة، وحتى في أكثر تفسيراتها مرونةً، لا تستبعد بعض السلوكيات الشاذة... وهذا يؤدي إلى نتائج غير بديهية. على وجه الخصوص، تتميز مستويات العزل القائمة على الأقفال بخصائص مختلفة عن نظيراتها في ANSI. وهذا أمرٌ مُقلق لأن أنظمة قواعد البيانات التجارية تستخدم عادةً تطبيقات الأقفال. إضافةً إلى ذلك، لا تُميز ظواهر ANSI بين عدد من أنواع سلوك مستويات العزل الشائعة في الأنظمة التجارية. ^{[ 5 ]}

وهناك أيضًا انتقادات أخرى تتعلق بتعريف العزل في معيار ANSI SQL، حيث أنه يشجع المنفذين على القيام بـ "أشياء سيئة":

... يعتمد هذا الأمر، بطرق دقيقة، على افتراض استخدام آلية تأمين للتحكم في التزامن، بدلاً من آلية تزامن تفاؤلية أو متعددة الإصدارات. وهذا يعني أن الدلالات المقترحة غير محددة بدقة . ^{[ 6 ]}

لا يُعدّ التسلسل الشاذ مرادفًا للتسلسل. أي أنه من الضروري، ولكن ليس كافيًا، أن يكون الجدول الزمني القابل للتسلسل خاليًا من جميع أنواع الظواهر الثلاثة. ^{[ 5 ]}

• الذرية
• تناسق
• متانة
• قفل (قاعدة البيانات)
• التحكم التفاؤلي في التزامن
• نظام إدارة قواعد البيانات العلائقية
• عزلة سريعة

• مفاهيم قاعدة بيانات أوراكل® ، الفصل 13: تزامن البيانات واتساقها، والظواهر التي يمكن تجنبها، ومستويات عزل المعاملات
• مرجع لغة SQL لقاعدة بيانات Oracle® ، الفصل 19: عبارات SQL: من SAVEPOINT إلى UPDATE ، و SET TRANSACTION
• في JDBC : حقول الثوابت الخاصة بالاتصال ، Connection.getTransactionIsolation() ، Connection.setTransactionIsolation(int)
• في إطار عمل Spring : @Transactional ، العزل
• بي. بايليس. متى يكون "الحموضة" حموضة؟ نادراً.