データベース初心者のためのトランザクション入門：基礎から実践まで

「トランザクション」という用語をよく耳にするものの、その正確な意味や重要性を理解している人は意外と少ないのではないでしょうか。本記事では、データベース設計における重要な概念である「トランザクション」について、初心者にもわかりやすく解説します。ACID特性から実践的な活用例まで、具体例を交えながら詳しく説明していきます。

はじめに

「トランザクション」という言葉を聞いたことはありますか？ IT の世界、特にデータベースを扱う上で非常に重要な概念ですが、初心者の方には少し難しく感じるかもしれません。

例えば、銀行口座からお金を引き出す場面を想像してみてください。ATM で 1 万円を引き出す操作は、実際には「口座残高から 1 万円を減らす」と「ATM から 1 万円を出す」という複数の処理が組み合わさっています。もし、これらの処理の途中でエラーが発生したらどうなるでしょうか？ 口座からお金は減ったのに、ATM からお金が出てこなかった、なんてことになったら大変ですよね。

トランザクションは、まさにこのような問題を防ぐための仕組みです。複数の処理をまとめて 1 つの「作業単位」として扱い、すべて成功するか、すべて失敗するか を保証することで、データの整合性を保ちます。

この記事では、トランザクションの基本的な知識から、その種類、ACID 特性、実際の活用例までをわかりやすく解説します。さらに、理解を深めるための練習問題も用意しました。ぜひ最後まで読んで、トランザクションをマスターしましょう！

トランザクションのACID特性

トランザクションには、ACID 特性と呼ばれる 4 つの重要な性質があります。ACID とは、原子性（Atomicity）、一貫性（Consistency）、独立性（Isolation）、耐久性（Durability） の頭文字を取ったものです。これらの特性により、データベースの信頼性が保証されます。ACID特性は、システム障害や同時アクセスが発生した場合でも、データの信頼性と整合性を確保するために非常に重要です。

原子性

原子性は、トランザクションに含まれる複数の処理を、不可分な1つの単位として扱うことを意味します。先ほどの銀行の例で言えば、「口座残高から 1 万円を減らす」と「ATM から 1 万円を出す」という 2 つの処理は、どちらか一方だけが成功することはありません。両方成功するか、両方が失敗するかのどちらかです。

一貫性

一貫性は、トランザクションの前後で、データベースの状態が常に整合性を保つことを保証します。例えば、銀行口座の残高がマイナスになるような処理は、一貫性を満たさないため、トランザクションは失敗します。

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ても、互いに干渉することなく処理されることを保証します。もし、A さんが口座からお金を引き出している最中に、B さんが A さんの口座に振り込みを行ったとしても、A さんの引き出し処理と B さんの振り込み処理は互いに影響を受けません。

耐久性

耐久性は、トランザクションが正常に完了した場合、その結果は永続的に保存されることを保証します。例えば、A さんが口座からお金を引き出した後、システムに障害が発生したとしても、引き出し処理の結果は失われることはありません。

トランザクションの処理

トランザクションは、一般的に以下の流れで処理されます。

• トランザクション開始: トランザクションを開始する命令をデータベースに発行します。
• 処理の実行: データベースに対する更新処理など、必要な操作を実行します。
• コミット: 処理がすべて正常に完了した場合、コミットを発行して変更を確定させます。
• ロールバック: 処理中にエラーが発生した場合、ロールバックを発行して変更をすべて取り消します。

これらの処理により、トランザクションの ACID 特性が保証され、データの整合性が保たれます。

トランザクションは、複数の処理を全て成功するか全て失敗するかで実行することで、データの整合性を保ちます。例えば、ECサイトでの購入処理を考えてみましょう。

• ユーザーが商品をカートに入れる。
• ユーザーが注文を確定する。
• システムが在庫を確認する。
• 在庫があれば、在庫数を減らす。
• 注文情報をデータベースに登録する。
• ユーザーに注文確認メールを送信する。

これらの処理がすべて成功すれば、注文は正常に完了します。しかし、途中でエラーが発生した場合（例えば、在庫切れだった場合）、トランザクションはロールバックされ、それまでの処理はすべてなかったことになります。これにより、在庫数がマイナスになったり、注文情報だけが登録されたりするといった不整合を防ぐことができます。

分散データベースでは、二相コミットプロトコル（2PC）が使用されます。これは、トランザクションに関与するすべての参加者が、トランザクションをコミットするかロールバックするかについて合意することを保証するためのプロトコルです。

トランザクションの状態

トランザクションの種類

トランザクションには、いくつかの種類があります。ここでは、代表的なものを紹介します。

• フラットトランザクション: 最も基本的なトランザクションで、階層構造を持たない単純なトランザクションです。
• ネストトランザクション: 階層構造を持つトランザクションで、親トランザクションの中に子トランザクションを含めることができます。子トランザクションは、親トランザクションの一部として実行され、親トランザクションがコミットされれば子トランザクションもコミットされます。
• セーブポイント: トランザクションの中で、特定の時点の状態を保存しておく仕組みです。ロールバックを行う際に、セーブポイントまで戻ることができます。

直列化可能性

複数のトランザクションが同時に実行される場合、データベースの整合性を保つためには、トランザクションの実行順序を適切に制御する必要があります。この実行順序のことをスケジュールと呼びます。

直列化可能性とは、複数のトランザクションを同時に実行した結果が、それらのトランザクションをある順序で逐次的に実行した結果と同じになる性質のことです。直列化可能性が保証されていれば、同時実行によってデータの整合性が損なわれることはありません。

トランザクションの活用例

トランザクションは、データベースを利用する様々な場面で活用されています。

• 銀行の預金処理: 預金の入出金、振込など、銀行のシステムではトランザクションが不可欠です。口座残高の整合性を保ち、誤った処理を防ぐために、トランザクションが利用されています。
• ローン処理: ローンの申請、承認、融資実行など、一連の処理をトランザクションとして扱います。
• ATMでの引き出し: 現金の引き出し、口座残高の更新などをトランザクションとして扱います。
• オンライン決済: オンラインバンキングでの送金、支払いなどをトランザクションとして扱います。

銀行口座への入金や引き出し、小切手、オンライン決済、デビットカードの利用など、さまざまな取引がトランザクションとして処理されます。これらの取引は、発生順に処理されるか、または金額の昇順で処理されます。

EC サイトでの購入処理: EC サイトでの商品購入は、商品の在庫を減らす、注文情報を登録する、決済処理を行うなど、複数の処理が関係しています。これらの処理を 1 つのトランザクションとして扱うことで、注文処理の途中でエラーが発生した場合でも、データの整合性を保つことができます。

練習問題

それでは、トランザクションの理解を深めるために、練習問題に挑戦してみましょう！

問題 1

ACID 特性のうち、「トランザクションに含まれる処理は、すべて成功するか、すべて失敗する」という性質を表すものはどれですか？
(1) 原子性
(2) 一貫性
(3) 独立性
(4) 耐久性

問題 2

トランザクションが正常に完了した際に、変更を確定させるために発行する命令はどれですか？
(1) コミット
(2) ロールバック
(3) セーブポイント
(4) フラットトランザクション

問題 3

EC サイトで商品を購入する際、トランザクションはどのように役立ちますか？ 具体例を挙げて説明してください。

練習問題の解説

問題 1 の解答

(1) 原子性

解説：
原子性は、トランザクションに含まれる複数の処理を、不可分な 1 つの単位として扱う性質です。つまり、トランザクション内の処理は、すべて成功するか、すべて失敗するかのどちらかとなります。

問題 2 の解答

(1) コミット

解説：
コミットは、トランザクションの処理がすべて正常に完了した場合に、変更を確定させるために発行する命令です。

問題 3 の解答

EC サイトで商品を購入する際は、商品の在庫を減らす、注文情報を登録する、決済処理を行うなど、複数の処理が必要です。これらの処理を 1 つのトランザクションとして扱うことで、注文処理の途中でエラーが発生した場合でも、データの整合性を保つことができます。

例えば、在庫が不足している商品を注文した場合、トランザクションはロールバックされ、注文情報や決済処理は取り消されます。これにより、在庫がマイナスになるといった矛盾した状態を防ぐことができます。

まとめ

この記事では、トランザクションの基本的な知識、ACID 特性、処理の流れ、種類、そして活用例までを解説しました。トランザクションは、データベースの信頼性を保証する上で非常に重要な仕組みです。

• トランザクションは、データベースの複数の操作を1つの単位として扱い、データの整合性を保証するための仕組みです。
• ACID特性（原子性、一貫性、独立性、耐久性）は、トランザクションの信頼性を保証する重要な性質です。
• トランザクションには、フラットトランザクション、ネストトランザクション、セーブポイントなど、いくつかの種類があります。
• トランザクションは、銀行の預金処理、ECサイトでの購入処理など、様々な場面で活用されています。

まけまけ

フルスタックエンジニア

会社の研修でpythonを勉強し始めました。