【ITニュース解説】Understanding the ACID Concept with PostgreSQL

ACIDとは、データベースが信頼性の高い処理を行う上で不可欠な四つの特性、すなわち原子性（Atomicity）、一貫性（Consistency）、隔離性（Isolation）、永続性（Durability）の頭文字を取った概念である。これらの原則は、PostgreSQLのようなリレーショナルデータベース管理システム（RDBMS）の基盤を形成し、銀行システムや在庫管理など、データの正確性と完全性が極めて重要となるアプリケーションにおいて、データが常に正しく保たれることを保証する。ACID特性は、エラー発生時や複数の処理が同時に行われる状況、さらにはシステム障害時でも、データベースのトランザクションが確実に実行されるように設計されている。これは、一部のNoSQLデータベースで用いられるBASEモデルとは対照的に、データの厳密な正確性を追求するシステムで特にその価値を発揮する。

まず、**原子性（Atomicity）**は、一つのトランザクションに含まれるすべての操作が、完全に成功するか、あるいは完全に失敗して何も適用されないかのどちらかであることを保証する。これにより、部分的なデータ更新によって矛盾が生じることを防ぐ。PostgreSQLでは、トランザクション管理システムがこの原子性を実現している。「BEGIN」コマンドでトランザクションを開始し、すべての操作が成功した場合は「COMMIT」で変更を確定する。もし途中で制約違反やシステムクラッシュといったエラーが発生した場合は、PostgreSQLは自動的に、あるいは「ROLLBACK」コマンドによって、トランザクション内のすべての変更を取り消し、データが元の状態に戻ることを保証する。さらに、「SAVEPOINT」を使うことで、トランザクション内で部分的に変更を巻き戻すといった、よりきめ細やかな制御も可能である。例えば、銀行で口座Aから口座Bへ100ドルを送金するトランザクションを考える。

BEGIN; UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE account_id = 'A' AND balance >= 100; UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE account_id = 'B'; COMMIT;

もし口座Aからの引き出しは成功したが、口座Bへの入金が何らかの理由で失敗した場合、PostgreSQLは両方の操作を巻き戻し、口座Aの残高も変更前の状態に戻す。これにより、データの一貫性が損なわれるのを防ぐ。

次に、**一貫性（Consistency）**は、トランザクションが完了した際に、データベースが常に有効な状態を保ち、定義されたすべての制約や規則（例えば、主キー、外部キー、チェック制約など）が守られていることを保証する。PostgreSQLは、これらの制約をトランザクションの実行中に強制することで、データの一貫性を維持する。また、MVCC（Multiversion Concurrency Control：複数バージョン同時実行制御）システムも、各トランザクションがデータベースの一貫したスナップショット（特定の時点のデータベースの状態）で動作することを保証し、一貫性の維持に貢献する。さらに、トリガーやルールを定義することで、より複雑なカスタムの一貫性要件を強制することもできる。例として、従業員テーブルに従業員の年齢が18歳以上であるという制約を設定する場合を考える。

CREATE TABLE employees ( id SERIAL PRIMARY KEY, name VARCHAR(100) NOT NULL, age INT CHECK (age >= 18) );

BEGIN; INSERT INTO employees (name, age) VALUES ('Alice', 25); INSERT INTO employees (name, age) VALUES ('Bob', 16); COMMIT;

この場合、2番目の「INSERT」文は年齢制約に違反するため失敗し、トランザクション全体が巻き戻される。これにより、データベースに無効なデータが挿入されることを防ぎ、一貫性が保たれる。

三つ目に、**隔離性（Isolation）**は、複数のトランザクションが同時に実行されたとしても、それらが互いに干渉することなく、あたかも一つずつ順番に実行されたかのように見えることを保証する。これにより、あるトランザクションの途中の変更が、別のトランザクションから見えることを防ぐ。PostgreSQLでは、MVCCシステムがこの隔離性を実現しており、各トランザクションにデータベースの独立したスナップショットを提供することで、他のトランザクションによる同時変更から隔離する。PostgreSQLは複数の隔離レベルをサポートしており、用途に応じて選択できる。「Read Committed」はデフォルトの隔離レベルで、トランザクションはコミットされたデータのみを参照する。「Repeatable Read」は、トランザクション中に同じデータを何度読み込んでも同じ値が見えることを保証する。「Serializable」は最も厳格なレベルで、並行して実行された複数のトランザクションが、あたかも順番に実行されたかのような結果になることを保証し、ファントムリード（あるトランザクションが同じクエリを複数回実行したときに、別のトランザクションによって挿入された新しい行が見えてしまう現象）も防ぐ。「SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL」コマンドで隔離レベルを設定できる。例えば、「Repeatable Read」レベルで同時に更新を行うケースを考える。

-- Transaction 1 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ; BEGIN; SELECT balance FROM accounts WHERE account_id = 'A'; -- 例えば500ドルと表示 -- (この間に、別のトランザクションが口座Aの残高を600ドルに更新してコミットしたとする) SELECT balance FROM accounts WHERE account_id = 'A'; -- ここでも500ドルと表示 COMMIT;

-- Transaction 2 BEGIN; UPDATE accounts SET balance = 600 WHERE account_id = 'A'; COMMIT;

MVCCのおかげで、トランザクション1はトランザクション2による更新の影響を受けず、一貫したスナップショットを見続ける。これにより、互いの処理が混在することなく、独立して実行される。

最後に、**永続性（Durability）**は、一度コミットされたトランザクションによる変更が、システム障害（例えば、電源喪失やクラッシュなど）が発生しても失われることなく、永久に保存されることを保証する。PostgreSQLは、WAL（Write-Ahead Logging：先行書き込みログ）というメカニズムを用いてこの永続性を実現している。WALでは、トランザクションの変更が実際にディスクに書き込まれる前に、その変更内容がログファイルに記録される。このログは、物理的なディスクに書き込まれる（fsync設定により制御される）ため、システムがクラッシュしても、再起動時にWALログを再生することで、コミットされたすべての変更を回復できる。また、チェックポイントという仕組みにより、データベースの状態を定期的にWALと同期させることで、障害からの回復処理を効率化する。例えば、注文情報をデータベースに挿入するトランザクションを考える。

BEGIN; INSERT INTO orders (order_id, product, amount) VALUES (1, 'Laptop', 999.99); COMMIT;

この「INSERT」文がコミットされると、その変更はWALログに記録され、ディスクに書き込まれる。もしこの直後にサーバーがクラッシュしても、PostgreSQLは再起動時にWALログを読み込み、この注文がデータベースに確実に反映されるようにする。

PostgreSQLは、これらのACID特性を強力にサポートするために、いくつかの高度な機能を備えている。MVCCは一貫性と隔離性を高め、並行処理環境での競合を減らす。WALは永続性を保証し、クラッシュリカバリを可能にする。チェックポイントはリカバリの効率を向上させる。また、「BEGIN」、「COMMIT」、「ROLLBACK」、「SAVEPOINT」といったトランザクションコマンドは、トランザクションの正確な制御を提供する。主キーや外部キー、カスタムトリガーなどによる制約の強制は、データの一貫性を検証し維持する。

これらすべてのACID特性がどのように連携して機能するかを、銀行振込の例で再び確認する。

CREATE TABLE accounts ( account_id VARCHAR(10) PRIMARY KEY, balance NUMERIC CHECK (balance >= 0) ); INSERT INTO accounts (account_id, balance) VALUES ('A', 500), ('B', 200);

BEGIN; UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE account_id = 'A' AND balance >= 100; UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE account_id = 'B'; COMMIT;

このトランザクションでは、まず原子性により、口座Aからの引き出しと口座Bへの入金という二つの操作が、どちらも成功するか、どちらも失敗するかのいずれかとなる。途中でエラーが発生すれば、両方の操作が巻き戻される。次に、balance >= 0という「CHECK」制約によって一貫性が保証され、残高がマイナスになることはない。さらに、MVCCによって隔離性が保たれるため、他のトランザクションは、この送金処理の途中の状態（例えば、口座Aから引かれたが口座Bにはまだ入金されていない状態）を見ることはない。そして、トランザクションが「COMMIT」された後は、WALによってその変更が永続的に保存され、システムが突然停止してもデータが失われることはないという永続性が保証される。

このように、PostgreSQLはMVCC、WAL、強力な制約強制、そして洗練されたトランザクション管理を通じて、ACID特性を堅牢に実装している。金融取引、Eコマースの注文、企業データ管理といった、高いデータ整合性が求められるあらゆるアプリケーションにとって、PostgreSQLは原子性、一貫性、隔離性、永続性を保証し、ミッションクリティカルなシステムの強固な基盤を提供する。