リレーショナルデータベース（RDBMS）は、データの一貫性、信頼性、そして永続性を確保するための強力なツールです。
これを支えるのが、「ACID特性」という概念です。
ACIDとは、トランザクションの処理において守られるべき4つの重要な特性を表しており、これらの特性を理解することで、データベースシステムがどのように高い信頼性と整合性を保っているのかを深く知ることができます。
この記事では、ACID特性が何か、そしてそれがどのようにトランザクションに関連するのかを詳しく解説します。また、トランザクションの重要性を理解し、ACID特性がどのようにデータベースにおける障害やエラーを防ぐ役割を果たすのかについても触れます。
トランザクションとは？
まず、ACID特性を説明する前に「トランザクション」という概念を明確にしておきましょう。
トランザクションは、データベースに対する一連の操作を一つの単位として扱う概念です。トランザクション内で行われる操作は、全てが成功するか、全てが失敗するかのいずれかであることが保証されます。
これを「All or Nothing」と呼び、部分的に操作が成功した場合でも、残りの操作が失敗すれば全体が元に戻されます。
例えば、銀行の送金処理を考えてみましょう。送金元の口座からお金が引き落とされ、送金先の口座にお金が振り込まれるという一連の処理があります。この場合、どちらか一方が失敗すれば、全ての操作が取り消されることが保証されており、データベースの整合性が守られます。
これが、トランザクションの基本的な役割です。
ACID特性の詳細
ACID特性は、データベースシステムにおいてトランザクションを扱う際に守るべき4つの基本原則を示します。それぞれの特性がどのように機能し、データベースの整合性と信頼性を支えるのかを順番に見ていきましょう。
Atomicity（原子性）
原子性とは、トランザクション内で行われるすべての操作が
「完全に実行されるか、全く実行されないか」
のいずれかであることを保証します。
もし、トランザクション中にエラーや障害が発生した場合、全ての操作は取り消されます。これによりデータの整合性が保たれ、途中で中断された処理による不整合を防ぐことができます。
例えば、オンラインショップで商品を購入する場合を考えましょう。支払いが完了した後、在庫数が正しく更新される必要があります。
しかし、支払い処理は完了したが、在庫数の更新が失敗した場合、原子性が保証されていなければ、商品が売れたにも関わらず在庫数が更新されず、他の顧客が同じ商品を購入できてしまう事態が発生します。
原子性があれば、このような問題を未然に防ぐことができるのです。
Consistency(一貫性)
一貫性とは、
トランザクションが開始される前と終了後のデータベースの状態が、一貫したルールや制約に従っていることを保証
します。
具体的には、トランザクション中にデータベースに不整合が生じることはありません。
例えば、銀行口座の残高が常に正確であることを保証する必要があります。残高がマイナスになるような不正な操作を防ぐためには、整合性制約を守ることが重要です。
トランザクションが終了する時点で、すべての整合性制約（例えば、主キー、外部キー、一意性制約など）が満たされていることが確認されます。
Isolation(独立性)
独立性は、複数のトランザクションが同時に実行される際、
「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ないようにする特性」
です。
これにより、複数のトランザクションが同時に実行されても、それぞれのトランザクションはまるで単独で実行されているかのように振る舞います。
例えば、複数のユーザーが同時に同じ商品を購入しようとした場合を考えましょう。
もし独立性が確保されていない場合、データの競合や整合性の問題が発生し、同じ商品が複数回購入される可能性があります。しかし、独立性が確保されていれば、各トランザクションは他のトランザクションの影響を受けず、データの競合を防ぐことができます。
Durability(持続性)
持続性とは、
「トランザクションが成功裏に完了した後、その結果が永続的に保存され、システム障害やクラッシュが発生してもデータが失われない」
ことを保証する特性です。
トランザクションが完了した後、その変更が確実にデータベースに保存され、再起動後もデータが失われることはありません。
例えば、顧客がオンラインで注文を完了した際、システム障害が発生した場合でも注文情報が失われないことが求められます。持続性が保証されていれば、再起動後に注文情報が復元され、システムの信頼性が保たれます。
ACID特性とNoSQLの違い
ACID特性は、主にリレーショナルデータベース（RDBMS）に関連していますが、NoSQLデータベースには必ずしもACID特性が備わっているわけではありません。
NoSQLは、分散システムの特性やスケーラビリティを重視するため、CAP定理（Consistency, Availability, Partition tolerance）に基づいて、異なる選択肢を取ることがあります。
ACID特性とCAP定理は、データベースの設計において重要な指針ですが、ACIDは信頼性を最優先する一方で、CAP定理はスケーラビリティや可用性を重視します。
このため、NoSQLデータベースでは一部のACID特性が犠牲になる場合があります。したがって、用途に応じて適切なデータベースの選択が必要です。
ACID特性を意識したデータベース設計
ACID特性を守ることは、データベース設計の基本ですが、実際に運用する中でトランザクションの性能やスケーラビリティを考慮する必要もあります。特に大規模なシステムでは、ACID特性とパフォーマンスのバランスを取ることが求められます。
例えば、オンラインショップなどのトランザクションが頻繁に発生するシステムでは、ACID特性を保ちながらも効率的に処理を行うための工夫が必要です。データベースのチューニングや、トランザクションの最適化を行うことで、性能を落とさずにACID特性を守ることが可能になります。
このバランスをとるのは難しいよな～
ACID特性のまとめ
ACID特性は、リレーショナルデータベースが信頼性と整合性を保つために不可欠な原則です。
トランザクションにおける原子性、一貫性、独立性、そして持続性の4つの特性が確保されることで、データベース内のデータは安全で正確に管理されます。これらの特性を理解し、適切に運用することで、高い信頼性を持つシステムを構築することができます。
さらに、ACID特性とCAP定理の違いを意識することも重要です。NoSQLデータベースを使用する際には、ACID特性が必ずしも全て満たされるわけではないため、用途に応じてデータベースの選択が重要となります。
ACID特性をしっかりと理解し、データベース設計に活かしていきましょう！