Isolation (Datenbank)

In der Informatik bezeichnet der Begriff Isolation die Trennung von Transaktionen auf eine Weise, dass eine laufende Transaktion nicht von einer parallel ablaufenden Transaktion durch Änderung der benutzten Daten in einen undefinierten Zustand gebracht werden kann. Die Isolation ist eine der vier ACID-Eigenschaften.

Beispiel

Das folgende ist ein Beispiel für eine Transaktion in Bezug auf die Datenbank eines Warenlagers. Genauer handelt es sich um eine mögliche Transaktion, die beim Einfügen eines neuen Artikels in ein Warenwirtschaftssystem auftreten könnte.

Transaktionsanfang

Selektiere alle Datensätze, die in der Spalte Titel den Text "Kekspudding" enthalten (Aktion 1)

Wenn ein solcher Datensatz existiert

warne den Benutzer und zeige den existierenden Eintrag an

sonst

Füge Eintrag "Kekspudding" hinzu (Aktion 2)

Transaktionsende

Während dieser Datenbanktransaktion treten mindestens ein oder höchstens zwei einzelne Arbeitsschritte auf. Geben nun zwei Benutzer zum gleichen Zeitpunkt denselben Datensatz in das hypothetische Warenwirtschaftssystem ein, kann es passieren, dass die entsprechenden Transaktionen auf ungünstige Weise parallel ablaufen:

Zeitpunkt	Transaktion 1	Transaktion 2	Ergebnis
1	Aktion 1		Keine Einträge gefunden.
2		Aktion 1	Keine Einträge gefunden.
3	Aktion 2		Eintrag wird hinzugefügt.
4		Aktion 2	Eintrag wird nochmal hinzugefügt.

Durch Isolation dieser beiden, parallel ablaufenden Transaktionen kann die Doublettenbildung vermieden werden. Bei Isolation durch Serialisierung (strikte Trennung von Transaktionen und deren Ausführung in Folge) könnte dieser Ablauf beispielsweise wie folgt aussehen:

Zeitpunkt	Transaktion 1	Transaktion 2	Ergebnis
1	Aktion 1		Keine Einträge gefunden.
2		Aktion 1	Tabelle gesperrt: Transaktion muss warten.
3	Aktion 2		Eintrag wird hinzugefügt.
4		Aktion 1	Transaktion wird fortgeführt. Neuer Datensatz wird gefunden.

Mögliche Probleme

Bei Datenbanken können durch mangelnde Transaktionsisolation im Wesentlichen die folgenden Probleme auftreten:

1. Lost Updates: Zwei Transaktionen modifizieren parallel denselben Datensatz und nach Ablauf dieser beiden Transaktionen wird nur die Änderung von einer von ihnen übernommen.
2. Dirty Read: Daten einer noch nicht abgeschlossenen, anderen Transaktion werden gelesen.
3. Non-Repeatable Read: Wiederholte Lesevorgänge liefern unterschiedliche Ergebnisse.
4. Phantom Read: Suchkriterien treffen während einer Transaktion auf unterschiedliche Datensätze zu, weil eine (während des Ablaufs dieser Transaktion laufende) andere Transaktion Datensätze hinzugefügt, entfernt oder verändert hat.

Transaktionsisolation bei SQL

Der ANSI/ISO SQL-Standard (SQL92) des Datenbankinterface SQL sieht vier Transaktionsisolationsebenen vor, die allerdings nicht alle von sämtlichen Datenbanksystemen unterstützt werden. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Güte und die auftretenden Probleme bei Einsatz der verschiedenen Isolationsebenen:

Isolationsebene	Dirty Read	Non-Repeatable Read / Phantom	Lost Updates
Read Uncommitted	möglich	möglich	unmöglich
Read Committed	unmöglich	möglich	unmöglich
Repeatable Read	unmöglich	Non-Repeatable Read unmöglich, Phantom Read möglich	unmöglich
Serializable	unmöglich	unmöglich	unmöglich

Read Uncommitted

Bei diesen Isolationslevel ignorieren Leseoperationen jegliche Sperre, daher können die Anomalien Dirty Read, Non-Repeatable Read und Phantom Read auftreten.

Read Committed

Dieses Isolationslevel setzt für die gesamte Transaktion Schreibsperren auf Objekten, die verändert werden sollen, setzt Lesesperren aber nur kurzzeitig beim tatsächlichen Lesen der Daten ein. Daher können Non-Repeatable Read und Phantom Read auftreten, wenn während wiederholten Leseoperationen auf dieselben Daten, zwischen der ersten und der zweiten Leseoperation, eine Schreiboperation einer anderen Transaktion die Daten verändert und committed.

Repeatable Read

Bei dieser Isolationsebene ist sichergestellt, dass wiederholte Leseoperationen mit den gleichen Parametern auch dieselben Ergebnisse haben. Sowohl bei Lese- als auch bei Schreiboperationen werden für die gesamte Dauer der Transaktion Sperren gesetzt. Dies führt dazu, dass bis auf Phantom Reads keine Anomalien auftreten können.

Serializable

Die höchste Isolationsebene garantiert, dass die Wirkung parallel ablaufender Transaktionen exakt dieselbe ist wie sie die entsprechenden Transaktionen zeigen würden, liefen sie nacheinander in Folge ab. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass keine Transaktion verloren geht und dass sich keine zwei Transaktionen gegenseitig beeinflussen. Da die meisten Datenbanksysteme allerdings nur eine Illusion von sequentieller Ausführung aufrechterhalten, ohne tatsächlich alle Transaktionen nacheinander einzeln abzuarbeiten, kann es hier vorkommen, dass eine Transaktion von der Seite der Datenbank aus abgebrochen werden muss. Eine Anwendung, die mit einer Datenbank arbeitet, bei der die Isolationsebene Serializable gewählt wurde, muss daher mit Serialisationsfehlern umgehen können und die entsprechende Transaktion gegebenenfalls neu beginnen.

MVCC

MVCC (Multi Version Concurrency Control) sorgt über Versionsbildung für möglichst geringe Wartezeiten. Durch Versionssprünge können "Lost Updates" auftreten, welche sich mit "select ... for update" oder dem Sperren der Daten verhindern lassen. Leseoperationen verursachen niemals Wartezeiten, weil Schreiboperationen und Leseoperationen nicht auf dieselbe Version zugreifen, um mehrere Versionen speichern zu können ist folglich wesentlich mehr Arbeitsspeicher nötig. Der "Dirty Read" kann nicht auftreten, da Schreiboperationen nur nach einem "commit" eine, den Leseoperationen zugänglichen, Version erzeugen.

Isolationsebene	Dirty Read	Non-Repeatable Read / Phantom	Lost Updates[Anmerkung 1]
Read Committed	unmöglich	möglich	möglich
Repeatable Read	unmöglich	unmöglich	möglich
Serializable	unmöglich	unmöglich	möglich

1. ↑ Kann auftreten, wenn eine Transaktion mit einer Leseoperation beginnt und später eine Schreiboperation durchführt. Wenn zwischen den beiden Operationen eine Transaktion eine Schreiboperation durchführt, greift diese auf dieselbe Version zu wie die erste. Deshalb geht eine der Schreibaktionen verloren.

Weblinks

• "Transaction Isolation" in der Dokumentation zu PostgreSQL. PostgreSQL, abgerufen am 15. Oktober 2011 (englisch). 
• "The InnoDB Transaction Model and Locking" in der Dokumentation zu MySQL. MySQL, abgerufen am 15. Oktober 2011 (englisch). 
• "Data Concurrency and Consistency" in der Dokumentation zu Oracle Datenbank. Oracle.com, abgerufen am 15. Oktober 2011 (englisch).