【ACID 特性】Isolation (分離性) をわかりやすく解説

2024.06.17
Isolation (分離性)Isolation とは、他のトランザクション処理の影響を受けない特性です。
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リード現象 (Read Phenomena)

リード現象リード現象とは、読み取り時に、他のトランザクションの影響によって発生する現象です。

一般的なリード現象は次の 3 つです。

ダーティーリード

ダーティーリードとは、COMMIT していない別のトランザクションの結果が見える現象です
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ノンリピータブルリード

ノンリピータブルリードとは、別のトランザクションの更新により、同じデータを読み取っても、異なる値を取得する現象です。
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トランザクションが分離されているなら、右側は COMMIT するまで同じ値を返すべきである。
(右側は COMMIT するまで、左側のトランザクションの影響を受けないことが期待される)

ファントムリード

ファントムリードとは、別のトランザクションの追加・削除により、同じ検索条件でも、取得する行数が異なる現象です。
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リード現象の対策

リード現象を防ぐために、RDBMS には「MVCC」と「ロック」の２つの機能があります。

MVCC (MultiVersion Concurrency Control) とは

MVCC とは、変更前の行 (スナップショット) を Undo ログに残す仕組みです。

MVCC は、行に以下の３つのフィールドを追加することで実現します。

フィールド説明
DB_TRX_ID行を挿入/更新(削除)したトランザクションの識別子
DB_ROLL_PTRUndo レコードへのポインタ
DB_ROW_ID行の識別子

MVCC では、過去のスナップショット (変更前の行) を読み取ることで、リード現象を防ぎます。

自分の DB_TRX_ID より新しい行は見えない (DB_ROLLPTR で更新 Undo ログを遡る)

なお、Undo ログはロールバックでも利用します。

ロックとは

ロックとは、競合/不整合を防ぐために、読み書きを制限することです。

先にロックが取得されている場合は、後続はロックの解除を待つ必要があります。

ロックの範囲

ロックの範囲 (LOCK_TYPE) には、行ロックと、テーブルロックが存在します。

ロックの種類

ロックの種類 (LOCK_MODE) には、次の2種類が存在します。

ロックの種類該当する SQL説明
共有ロック (S)SELECT ... FOR SHARE読み取りのため
排他ロック (X)SELECT ... FOR UPDATE/INSERT/UPDATE/DELETE読み書きのため

ロックの取得条件

すでに誰かがロックを取得している場合、後から取得するロックには、次の制限があります。

先/後共有ロック (S)排他ロック (X)
共有ロック (S)◯×
排他ロック (X)××

つまり、誰かが読み取り中のレコードは書き込めませんし、誰かが書き込み中のレコードは読み書きできません。(ロックが解放されるまで待つ必要があります)

これにより、リード現象を防ぎます。

ロック読み取りと一貫性読み取り

ロックの解除待ちが発生するため、ロックはなるべくしたくないです。

そのため、ロックを取得しない一貫性読み取り (SELECT 文) が存在します。

読み取りの種類SQLMVCC 読み取り先ロック
一貫性読み取り
(Consistent Read)		SELECTスナップショットロックしない
ロック読み取り
(Locking Read)		SELECT ... FOR SHARE現在のテーブル共有ロック
SELECT ... FOR UPDATE現在のテーブル排他ロック

一貫性読み取りでは、ロックの代わりに MVCC のスナップショットでリード現象を防ぎます。

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分離レベル

分離レベル分離レベルとは、リード現象をどの程度許容するか定義したものです。

トランザクションを並行で実行すると、他のトランザクションでリード現象が発生します。

一方で、パフォーマンスの観点から、トランザクションは可能な限り並行で実行したいです。

そのため、分離レベルを用いて、パフォーマンスと Isolation のバランスを決定します。

分離レベルダーティーリードノンリピータブルリードファントムリード
READ UNCOMMITTED発生する発生する発生する
READ COMMITTED発生しない発生する発生する
REPEATABLE READ発生しない発生しない△※1
SERIALIZABLE発生しない発生しない発生しない
※1 ANSI では「発生する」。
MySQL (InnoDB) の場合は、一貫性読み取りとロック読み取りの１種類だけだと「発生しない」。組み合わせた場合は「発生する」
一貫性読み取りは MVCC, ロック読み取りはギャップロック/ネクストキーロックが防ぐ

なお、分離レベルは以下のグローバル変数・セッション変数で確認可能です。

select @@global.tx_isolation, @@session.tx_isolation;
+-----------------------+------------------------+
| @@global.tx_isolation | @@session.tx_isolation |
+-----------------------+------------------------+
| REPEATABLE-READ       | REPEATABLE-READ        |
+-----------------------+------------------------+

SERIALIZABLE

SERIALIZABLE とは、直列に実行 (各トランザクションを順番に順番) した場合と、同じ結果を保証する分離レベルです。

SERIALIZABLE は、全てのリード現象を防ぎます。

MySQL (InnoDB) の SERIALIZABLE では、すべての SELECT 文で共有ロックを取得 (SELECT ... FOR SHARE に変換) することで SERIALIZABLE を保証します。

SERIALIZABLE
このレベルは REPEATABLE READ と似ていますが、autocommit が無効になっている場合、InnoDB はすべてのプレーン SELECT ステートメントを SELECT ... FOR SHARE に暗黙的に変換します。 autocommit が有効な場合、SELECT は独自のトランザクションです。

https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/ja/innodb-transaction-isolation-levels.html

REPEATABLE READ

REPEATABLE READ とは、同じトランザクション内で SELECT を実行すると、常に同じ結果となることが保証されている分離レベルです。

REPEATABLE READ は、ANSI の定義上ファントムリードが発生します。

しかし、MySQL (InnoDB) の場合、「一貫性読み取り」と「ロック読み取り」が混在しない場合は、ファントムリードが発生しません。(混在する場合は発生します)

読み取りの種類SQLファントムリードを防ぐ方法
一貫性読み取り
(Consistent Read)		SELECT最初に SELECT を実行した時の
MVCC のスナップショット
ロック読み取り
(Locking Read)		SELECT ... FOR SHARE共有ロック
(ギャップロック/ネクストキーロック)
SELECT ... FOR UPDATE排他ロック
(ギャップロック/ネクストキーロック)
一意検索 (WHERE id = 1) ではレコードロック、範囲検索 (WHERE id > 5) ではギャップロック/ネクストキーロックを使う

READ COMMITTED

READ UNCOMMITTED とは、他のトランザクションが COMMIT した結果を読み取る分離レベルです。

READ COMMITTED では、ファントムリードとノンリピータブルリードが発生します。

※MySQL の READ COMMITTED では、以下の理由でファントムリードが発生
・一貫性読み取りでは、常に最新のスナップショットを取得するため
・ロック読み取りでは、ギャップロックを行わないため

ファントムリードの動作

CREATE TABLE isolation(id INT);
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
BEGIN;
INSERT INTO isolation VALUES(1);
SELECT * FROM isolation;
+------+
| id   |
+------+
|    1 |
+------+
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
BEGIN;
SELECT * FROM isolation;
Empty set (0.00 sec)
COMMIT;
SELECT * FROM isolation;
+------+
| id   |
+------+
|    1 |
+------+

ノンリピータブルリードの動作

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
BEGIN;
UPDATE isolation SET id=2 WHERE id=1;
SELECT * FROM isolation;
+------+
| id   |
+------+
|    2 |
+------+
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
BEGIN;
SELECT * FROM isolation;
+------+
| id   |
+------+
|    1 |
+------+
COMMIT;
SELECT * FROM isolation;
+------+
| id   |
+------+
|    2 |
+------+

READ UNCOMMITTED

READ UNCOMMITTED とは、トランザクションが全く分離していない分離レベルです。

READ UNCOMMITTED では、ファントムリードとノンリピータブルリードに加えて、ダーティリードが発生します。

ダーティリードの動作

CREATE TABLE dirty(id INT);
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;
BEGIN;
INSERT INTO dirty VALUES(1);
SELECT * FROM dirty;
+------+
| id   |
+------+
|    1 |
+------+
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;
BEGIN;
SELECT * FROM dirty;
+------+
| id   |
+------+
|    1 |
+------+
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