1. 概要
同時実行制御（排他制御）は、データベース管理システム（DBMS）において非常に重要な機能です。複数のアプリケーションプログラムが同時にデータベースにアクセスする場合、データの一貫性や整合性を保つために必要不可欠な制御方法です。この制御により、データの更新や参照が適切に管理され、データベースの信頼性が確保されます。
2. 詳細説明
2.1. 同時実行制御の目的
同時実行制御の主な目的は以下の通りです：
- データの一貫性の維持：データの矛盾や不整合が生じないようにする。
- トランザクションの独立性の確保：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実行できるようにする。
- システムの性能と並行性の最適化：効率的にリソースを使用しながら、同時実行性を最大限に引き出す。
2.2. 同時実行制御の主要な技術
2.2.1. ロック
ロックは、データにアクセスする際に使用される最も基本的な制御方法です。ロックには以下の2種類があります：
- 共有ロック（Sロック）：データの読み取りに使用され、他のトランザクションが同時にデータを読むことを許可します。
- 排他ロック（Xロック）：データの更新に使用され、他のトランザクションがデータを読むことも書くこともできなくします。
2.2.2. ２相ロック法
２相ロック法は、トランザクションの実行中にロックの獲得と解放を管理する方法です。以下の2つのフェーズに分かれます：
- 拡張フェーズ：トランザクションは必要なすべてのロックを獲得し、いかなるロックも解放しない。
- 縮小フェーズ：一度ロックを解放し始めると、新たなロックを取得しない。
2.2.3. タイムスタンプ順序法
タイムスタンプ順序法では、各トランザクションに一意のタイムスタンプを割り当て、そのタイムスタンプの順序に基づいて実行順序を決定します。これにより、トランザクション間の競合を管理し、データの一貫性を保ちます。
2.2.4. 楽観的制御法
楽観的制御法は、トランザクションの実行中はロックを取得せず、コミット時に競合が発生していないかをチェックする方法です。この方法は、ロックによる待ち時間が発生しないため、システムの並行性を高めます。
3. 応用例
3.1. オンラインバンキングシステム
複数の顧客が同時に同じ口座にアクセスする場合、同時実行制御により残高の整合性が保たれます。例えば、AさんとBさんが同時に送金操作を行う場合、データの整合性が確保されるよう、ロックやタイムスタンプ順序法が利用されます。
3.2. 航空券予約システム
多数のユーザーが同時に座席を予約しようとする場合、同時実行制御により二重予約が防止されます。たとえば、同じ座席が複数回予約されるのを防ぐために、排他ロックが使用されます。
3.3. Eコマースプラットフォーム
複数の購入者が同じ商品を同時に注文する場合、在庫数の一貫性が保たれます。例えば、在庫数の減少処理が重複しないように、共有ロックと排他ロックを組み合わせて使用します。
3.4. 医療記録管理システム
複数の医療従事者が同時に患者のデータにアクセスし、記録を更新する場合、同時実行制御によって患者情報の整合性が保たれます。データの更新に排他ロックが使用される一方、読み取りには共有ロックが使用されます。
4. 例題
例題1
問題：あるデータベースで２相ロック法を使用している場合、以下のトランザクションの実行順序は正しいでしょうか？
- トランザクションA開始
- トランザクションAがデータXを共有ロック
- トランザクションAがデータYを排他ロック
- トランザクションAがデータXの共有ロックを解放
- トランザクションAがデータZを排他ロック
- トランザクションAがデータYとZのロックを解放
- トランザクションA終了
回答：この実行順序は２相ロック法に違反しています。ステップ4でデータXのロックを解放した後、ステップ5で新たにデータZをロックしています。２相ロック法では、ロックの解放（縮小フェーズ）が始まったら、新たなロックの獲得（拡張フェーズ）は行えません。
例題2
問題：楽観的制御法を使用しているデータベースシステムにおいて、この方法の利点と欠点を1つずつ挙げてください。
回答：
- 利点：ロックによる待ち時間が発生しないため、並行性が高くなります。
- 欠点：コミット時に競合が検出された場合、トランザクションのロールバックとリトライが必要となり、システムの負荷が高くなる可能性があります。例えば、多くの競合が発生するシナリオでは、トランザクションの再試行が頻発し、効率が低下することがあります。
5. まとめ
同時実行制御（排他制御）は、複数のアプリケーションプログラムが同時にデータベースにアクセスする際に、データの一貫性と整合性を保つための重要な機能です。ロック、２相ロック法、タイムスタンプ順序法、楽観的制御法などの技術を用いて実現されます。これらの制御方法を適切に選択・実装することで、データベースの信頼性と性能を確保することができます。
これらの制御方法は、データベースの設計や運用における課題を解決するために不可欠であり、今後の技術の発展と共に進化し続ける分野です。最新の知識を持ち、具体的な応用例を通じて理解を深めることが重要です。