ACID (コンピュータ科学)

ACIDモデル：信頼できるデータベーストランザクションのための4つの特性

1970年代後半、ジム・グレイによって提唱されたACIDモデルは、信頼性の高いデータベーストランザクションを実現するための4つの重要な特性を定義しています。これらの頭文字をとってACID（アトムシティ、コンシステンシー、アイソレーション、デュラビリティ）と呼ばれ、1983年にはアンドレアス・ロイターとテオ・ヘルダーによってさらに発展させられました。本稿では、ACIDモデルの各特性と、それらを実現するための技術的な側面について詳しく解説します。

4つの特性：銀行送金を例に

銀行における口座間送金を例に、ACIDの各特性を具体的に見ていきましょう。

1. 不可分性（Atomicity）

不可分性とは、トランザクションを構成する複数の操作が、すべて成功するか、またはすべて失敗することを保証する性質です。口座Aから口座Bへ1万円を送金する場合、

1. 口座Aから1万円を減額する
2. 口座Bに1万円を加算する

という2つの操作が原子的に実行されます。片方の操作だけが成功することはなく、両方が成功するか、どちらも失敗します。もし片方だけが実行された場合、銀行全体の預金残高に不整合が生じてしまいます。

2. 一貫性（Consistency）

一貫性とは、トランザクションの実行前後で、データベースが整合性制約を満たしている状態を維持することを保証する性質です。例えば、預金残高は常に0以上でなければなりません。送金によって預金残高が負になるようなトランザクションは、一貫性制約に違反するため実行されません。

3. 独立性（Isolation）

独立性とは、複数のトランザクションが並行して実行される場合でも、各トランザクションが他のトランザクションの影響を受けずに、あたかも単独で実行されているかのように見える性質です。これは、トランザクション間の干渉を防ぎ、データの一貫性を保つために重要です。口座Aから口座Bへの送金処理が、他の送金処理に影響されないようにする仕組みがこれにあたります。

4. 永続性（Durability）

永続性とは、トランザクションが完了し、その結果がデータベースに永続的に保存された後、システム障害が発生しても、その結果が失われない性質です。これは、ログや冗長化などの技術によって実現されます。送金処理が完了した時点で、その結果がデータベースに確実に保存され、システム障害が発生してもデータが失われないようにする仕組みです。

ACIDの実装：課題と工夫

ACID特性を厳密に実装することは、容易ではありません。複雑なトランザクションや並行処理においては、性能の低下やデッドロックなどの問題が発生する可能性があります。

ロック機構

ACIDの実装においては、ロック機構が重要な役割を果たします。排他ロックや共有ロックなど、適切なロック戦略を選択することで、データの一貫性を確保します。

ログ先行書き込み（Write-Ahead Logging）

ログ先行書き込みは、データベースへの変更を適用する前に、その変更内容をログに記録する技術です。システム障害が発生した場合、ログから変更内容を復元することで、データの一貫性を保ちます。

シャドウページング

シャドウページングは、データベースの変更を、一時的なコピーに対して適用する技術です。トランザクションが完了したら、コピーを元のデータベースに置き換えることで、データの一貫性を確保します。

トランザクション分離レベル

複数のトランザクションが並行して実行される場合、独立性を完全に保証することはコストが高いため、トランザクション分離レベルを設定することで、独立性の程度を調整します。

ツーフェーズコミット（Two-Phase Commit）

分散環境でトランザクションを実行する場合、ツーフェーズコミットプロトコルを用いることで、複数のデータベースシステム間でデータの一貫性を確保します。

ACID以外の整合性モデル

ACIDモデル以外にも、BASE（Basically Available, Soft state, Eventually consistent）など、様々な整合性モデルが存在します。BASEモデルは、可用性と整合性のバランスを取りながら、スケーラビリティの高いシステムを実現するモデルです。

まとめ

ACIDモデルは、信頼性の高いデータベースシステムを構築するために不可欠な概念です。本稿で解説した内容を理解することで、データベースシステムの信頼性向上に役立つでしょう。しかし、ACIDの厳密な実装は困難であり、性能や可用性とのトレードオフを考慮した実装が必要となります。それぞれの特性を理解し、適切な技術を選択することで、信頼性の高いシステムを実現することができます。

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