並行性制御とは何か？
並行性制御（Concurrency Control）とは、データベース管理システム（DBMS）やコンピュータシステムにおいて、複数のトランザクションが同時に実行される際に、データの一貫性と整合性を維持するための技術や機構のことを指します。
それは、特にデータベースやマルチスレッド/マルチプロセス環境において重要な概念であり、並行処理によって起こりうるデータの矛盾や競合を防ぐことが主な目的です。
以下に、詳しく解説します。
並行性制御の必要性
データベースは多くのユーザーによって同時にアクセスされることが一般的です。
例えば、オンラインショッピングサイトでは、複数のユーザーが同時に製品情報を閲覧したり、購入手続きを行ったりすることが考えられます。
このような環境では、同時に実行される複数のトランザクションの間でのデータの競合や不整合が発生しないようにすることが重要となります。
もし、並行性制御が適切に行われない場合、以下のような問題が発生する可能性があります。
ダーティーリード（Dirty Read） あるトランザクションがまだコミットされていない他のトランザクションのデータを読み取ってしまう状況です。
仮にそのトランザクションがロールバックされると、読み取ったデータは無効なものとなります。
ノンリピータブルリード（Non-Repeatable Read） 一つのトランザクションが同じクエリを複数回実行した場合に、各回の実行結果が異なる状況です。
これは途中で他のトランザクションによってデータが変更された場合に起こります。
ファントムリード（Phantom Read） トランザクションの間でクエリの範囲によっては、以前には存在しなかったデータが別のトランザクションによって挿入されることで、結果セットが変わる可能性があります。
並行性制御の方法
並行性制御には以下のような手法があります。
ロック機構 データの整合性を保持するために、トランザクションがオブジェクト（データベースの行やテーブルなど）に対して操作を行う前にロックを取得する方法です。
ロックは通常、排他ロック（Exclusive Lock）と共有ロック（Shared Lock）の二種類があり、データの競合を防ぎます。
排他ロックは書き込み操作中に、他のトランザクションによる読み書き双方を禁止するのに対し、共有ロックは読み取り操作中に他の読み込みを許可しますが、書き込みは禁止します。
楽観的制御（Optimistic Concurrency Control） ロック機構とは異なり、トランザクションは他のトランザクションの存在を気にせずに進め、その最後のコミット時に競合を検出し、競合があった場合にロールバックを行う方式です。
データベースが多くの読取り操作に対して設定されている場合に有効です。
タイムスタンプ順序制御（Timestamp Ordering Protocol） すべてのトランザクションにタイムスタンプを付与し、それに基づき操作の順序を管理します。
特定の順序で操作を処理することで、データの一貫性を保ちます。
多バージョン型同時実行制御（MVCC Multi-Version Concurrency Control） これは、データの複数のバージョンを保持し、トランザクションが同時にそれぞれ異なるバージョンを読み書きできるようにする方法です。
これにより、読取りと書込みの競合を効率的に処理できます。
有名なデータベース、例えばPostgreSQLやOracle、MySQLなどで採用されている方法です。
根拠とその重要性
並行性制御の背後にある理論的根拠としては、データベースシステムにおけるACID特性が挙げられます。
ACID特性はAtomicity（原子性）、Consistency（一貫性）、Isolation（独立性）、Durability（耐久性）を指し、データベーストランザクションの信頼性を向上させる基礎を提供します。
原子性 トランザクションは全ての操作が成功した場合にのみコミットされます。
一部でも失敗した場合は全てがロールバックされ、データの不整合を防ぎます。
一貫性 トランザクションはデータベースの整合性制約を常に満たすようにします（例 制約違反がないように）。
独立性 トランザクションは他の並行実行トランザクションの影響を受けません。
耐久性 トランザクションのコミット結果はシステム障害が発生しても永続的に保持されます。
並行性制御はこのうち特に独立性を高め、データの一貫性と整合性を強固にするために利用されるのです。
これによって、複数のユーザーが安心して同時にデータベースを操作できる体験を提供します。
データベースの規模が大きくなり、利用者が増えるにつれて、このような制御の重要性は増しています。
これが、システムの設計や運用において並行性制御が欠かせない理由となります。
なぜ並行性制御がデータベースにおいて重要なのか？
並行性制御（Concurrency Control）は、データベース管理システム（DBMS）において極めて重要な役割を果たす機能です。
その主な目的は、複数のトランザクションが同時にデータにアクセスし、操作を行う際にデータの一貫性と整合性を保つことです。
並行性制御が重要である理由とその根拠について詳しく説明します。
並行性制御が重要な理由
データの一貫性の保持
複数のユーザーが同時にデータベースにアクセスして操作を行う環境では、データの不整合が発生する可能性があります。
例えば、異なるユーザーが同時に同じデータを更新した場合、それぞれの変更が競合し、予期しない結果を生むことがあります。
並行性制御はこのような状況で、トランザクションがデータベースの一貫性規則を遵守するように管理します。
データの整合性の維持
トランザクションは原子性、整合性、独立性、耐久性（ACID特性）を備えている必要があります。
特に、整合性とはトランザクション実行後にもデータが正しい状態でいることを指します。
並行性制御はこれを達成するために、トランザクション間の調整を行い、データが常に有効な状態を保つようにします。
死活問題の回避
データベースにおけるデッドロック（死活問題）は、トランザクションが互いにロックを獲得しようとして待ち状態に陥り、進行しなくなる問題です。
並行性制御によって、デッドロックを予防または検出し、解決策を講じることでシステムのスムーズな動作を保証します。
スループットの向上
適切な並行性制御を行うことで、データベースのスループット、つまり単位時間当たりに処理できるトランザクション数を増加させることができます。
特にロックベースの制御により、できるだけ多くのトランザクションを並列に実行することが可能になります。
ユーザビリティの向上
高トラフィックのデータベースにおいては、ユーザーは応答時間が遅くなると不便を感じます。
並行性制御は、データベースアクセスの効率を改善することで、ユーザーにより良いエクスペリエンスを提供します。
根拠と理論的背景
並行性制御が持つ重要性は、以下の理論と実践に基づいています。
ACID特性
正しく設計された並行性制御は、ACID特性を満たすことを保証します。
ACID特性は、データベーストランザクションが信頼性と一貫性を提供するための基盤です。
並行性制御によってトランザクションの独立性が担保され、同時実行されるトランザクションの影響を最小化します。
ロック機構とタイムスタンプ
実際の並行性制御の技術には、ロックベースのプロトコルやタイムスタンプベースのプロトコルなどがあります。
ロックベースのプロトコルは、リソースの競合を防ぐためにトランザクション間でリソースをロックします。
一方、タイムスタンプベースのプロトコルは、各トランザクションにタイムスタンプを付与し、古いタイムスタンプから順に処理することで整合性を維持します。
シリアライザビリティ理論
トランザクションスケジュール（実行順序）が一連のシリアルスケジュールに等価であることを保証することが重要です。
シリアルスケジュールとは、トランザクションが一つずつ順番に実行されるスケジュールです。
並行性制御により、並列実行されるトランザクションがシリアルスケジュールと同じ結果をもたらすように制御されます。
デッドロック検出と回避アルゴリズム
死活問題に対処するために、デッドロック検出アルゴリズム（ウォーターリング視覚化、WAIT-DEPTHテストなど）や回避アルゴリズム（タイムアウト、優先度ルールなど）が適用されます。
これにより、デッドロックの発生を最小限に抑え、システムの効率を維持します。
拡張トランザクションモデル
最新のデータベースシステムでは、長期間にわたるトランザクションや分散環境でのトランザクションを管理するために拡張トランザクションモデルが検討されています。
これにより、グローバルなデータ整合性が保たれます。
実際の活用シーン
オンライン取引システム
オンラインバンキングや電子商取引プラットフォームなどのリアルタイムシステムでは、データの同時アクセスが頻繁に発生します。
並行性制御が機能しなければ、不正確な口座残高表示や重複注文などが発生する可能性があります。
在庫管理システム
リアルタイムでの在庫更新や注文処理が必要な場合、並行性を制御することで在庫状況の不整合を防ぎます。
クラウドベースのデータサービス
複数のクラウドサービスが統合された分散データベース環境では、並行性制御が効率的に機能することで、データアクセスの整合性を保ちます。
以上のように、並行性制御はデータベースシステムにおいて不可欠な役割を果たしており、高度なデータ処理が求められる現代のシステムにおいて、その重要性はますます高まっています。
トランザクションの正確性とデータの一貫性を保証することで、安定したシステム運用が可能となります。
ロック機構とはどのように機能するのか？
並行性制御（Concurrency Control）は、データベース管理システムにおいて、複数のトランザクションが同時に実行される際に、データの一貫性と整合性を維持するための重要なメカニズムです。
その中でロック機構は、データアクセスの同期を確保するための主要な手段の一つとなっています。
ロック機構を理解することは、データベースの効率的な運用にとって不可欠です。
ここでは、ロック機構の機能とその理論的背景について説明します。
ロック機構の基本
ロック機構は、トランザクションがデータを読み書きする際に、他のトランザクションからの干渉を防ぐための仕組みです。
ロックはデータベースの異なるレベル（例えば、レコード、ページ、テーブル、データベース全体）に設定されることがあります。
主な目的は、データの整合性を保ちながら競合状態（例えば、ダーティリードやロストアップデート）を防ぐことです。
ロックの種類
共有ロック（Shared Lock, Sロック）
共有ロックは、データを読み取るときに使用されます。
他のトランザクションも同じデータに対して共有ロックを取得できるため、同時に複数の読み取り操作が可能です。
しかし、共有ロックの間はそのデータに対する書き込み（Xロック）は許可されません。
排他ロック（Exclusive Lock, Xロック）
排他ロックは、データに対する書き込みを行うときに使用されます。
このロックが取得されている間、そのデータに対する他のすべてのロック（SロックおよびXロック）は拒否されます。
これにより、同時に複数の書き込みが行われることによるデータの不整合が防止されます。
ロックのプロトコル
2相ロックプロトコル（Two-Phase Locking Protocol）
2相ロックプロトコルは、データベースの一貫性を保証するためにしばしば使用される方式です。
このプロトコルは、ロック獲得フェーズ（拡張フェーズ）とロック解放フェーズ（縮小フェーズ）の2つのフェーズに分かれています。
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取得します。
このフェーズではロックを取得するが、解放することはありません。
縮小フェーズ トランザクションは保持しているロックを解放し始めます。
縮小フェーズでは新たにロックを取得することはできません。
2相ロックプロトコルはスケジューリングの直列化可能性を保証し、競合が発生しないようにするための基本的な方法です。
デッドロック
ロック機構にはデッドロックと呼ばれる問題が存在する可能性があります。
これは、2つ以上のトランザクションがお互いが必要としているリソースをロックし合い、永久に進行できない状態を指します。
デッドロック予防 システムデザインによりデッドロックが発生する可能性を防ぎます。
例えば、すべてのロックを一度に取得する方法やロックの取得順序をルール化することです。
デッドロック検出と回復 デッドロックが発生した際に、それを検出して介入する手法です。
タイムアウトやウェイトフォーグラフを使用してデッドロックを検出し、特定のトランザクションを中止することで回復を試みます。
根拠
ロック機構に関する理論的根拠はコンピュータサイエンスの分野、とくにデータベーストランザクション管理理論に基づいています。
以下のような文献と研究がこの理論の基盤を提供しています
ACID特性 トランザクション処理システムはACID特性（Atomicity一貫性、Isolation、Durability）に準拠しており、これによりデータベースの信頼性と整合性が確保されます。
Isolation（分離性）は特にロック機構と関連しており、トランザクションの並行性制御を実現するための基本原則となっています。
直列化可能性理論 これは、複数のトランザクションが並行して実行される場合に、その結果がどのような順序で実行されても、単一スレッドで直列に実行した場合と同じであることを保証する理論です。
2相ロックプロトコルにより、この直列化可能性が実現されます。
理論と実践 Jim GrayやTheo Härderをはじめとするデータベースの先駆者たちによる多くの研究が、ロックメカニズムや並行性制御の理論的基盤を築き上げています。
彼らの研究は、トランザクション処理システムの効率性と安全性を高めるための枠組みを提供しています。
以上の情報は、ロック機構がデータベースシステムにおいてどのように機能し、その理論的背景がどのように構築されているかを理解するのに役立ちます。
この理解は、特に大規模なデータベースを管理する際に、データの整合性を維持し、効率的なシステム運用を保証するために不可欠です。
デッドロックを防ぐための方法は？
デッドロックは、コンピューティングシステムにおいて複数のプロセスが互いに資源を奪い合いながら、それぞれが他のプロセスが保持している資源を待ち続ける状態です。
この状態が続くと、いずれのプロセスも進行しなくなり、システムは停止状態に陥ります。
デッドロックを防ぐためには、いくつかの方法があります。
以下に主要なデッドロック防止戦略を詳しく説明し、それぞれの根拠も示します。
資源の循環的待機を防ぐ
デッドロックの4つの必要条件のうち、「循環的待機」は、プロセスが循環的に資源を待ち続けることによって成立します。
この条件を防ぐためには、すべての資源に一意の順序を与え、その順に資源を要求するようにします。
これにより、循環待ちの状況を回避できます。
根拠 循環的待機を防ぐことで、プロセス間に資源の取得に関するルールを持たせることができ、デッドロックが発生するための環境を作らせない状態に誘導します。
資源の保持と待ちを無効にする
プロセスが資源を保持したまま他の資源を要求するのではなく、必要なすべての資源を一度に要求し、すべて利用できるまで待機させる方法です。
すべての資源が利用可能になった段階で一度に使用を開始するか、どれか一つの資源が不可の場合は再度試行する、という方法です。
根拠 資源を一度に確保することにより、プロセスが他の資源を待ち続ける状態を防ぎます。
プロセスが別のプロセスによって保持されている資源を待つことがないため、デッドロックが発生しにくくなります。
資源の限定
一定の資源しか許可しないよう、資源のインスタンス数を制限することによっても、デッドロックの防止に寄与します。
資源が限られていることで、明示的な資源管理を容易にし、特定のプロセス順序付けを実行しやすくなります。
根拠 資源の利用を制限することで、明示的に資源の利用を制御し、プロセスの実行の公平性と順序付けを実現しやすくします。
これによりデッドロックの可能性を削減します。
タイムアウトを利用する
資源の待ち時間に対してタイムアウトを設定し、一定時間経過後には資源の獲得をあきらめ、他のタスクやスレッドに切り替えるようにします。
これにより、デッドロックを防止します。
根拠 タイムアウトを導入することで、システムが自動的にデッドロックを解除できるようにします。
一定時間の後にスレッドがタイムアウトすることで、他のスレッドに資源を渡しやすくし、リソースのデッドロックを打破できます。
デッドロック検出と回復
これは防ぐ方法ではありませんが、デッドロックを定期的に検出し、それが見つかった場合に回復する戦略です。
デッドロックの検出には、資源のグラフを用いるなどの方法があります。
デッドロックが検出された場合には、選択的にプロセスを中止して資源を解放するなど、回復手段を実施します。
根拠 デッドロックの完全な防止は難しい状況もあるため、最悪のケースに備えて検出し回復する方法も重要となります。
検出と回復手法を組み合わせると、デッドロックの持続的な発生を抑えることが可能です。
以上の方法を単体または組み合わせて使用することで、システムにおけるデッドロックの防止が可能です。
システムの特性や要求に応じて、それぞれの方法をカスタマイズしながら実装することが望ましいです。
デッドロックの防止は、システムの全体的なスループット向上や効率性の改善に寄与するため、しっかりとした設計と計画が必要です。
楽観的並行制御と悲観的並行制御の違いとは？
楽観的並行制御と悲観的並行制御は、データベースや並行処理システムにおいて、複数のトランザクションが同時にアクセスする際の整合性を保つために使われる方法です。
これらの手法は、それぞれ異なるアプローチで競合を管理し、整合性を守ろうとします。
それでは、両者の違いについて詳しく説明します。
悲観的並行制御
悲観的並行制御（Pessimistic Concurrency Control）は、データへの競合アクセスが頻繁に発生すると予想される場合に適したアプローチです。
この方法では、データへのアクセスを制限することで、他のトランザクションが同じデータにアクセスできないようにします。
具体的には、データに対する操作を行う前にロックをかけて、そのデータを保護します。
主な特徴
ロック機構 読み取りロック（Read Lock）と書き込みロック（Write Lock）の二種類があり、特に書き込みロック中は他のトランザクションが対象データにアクセスできないような排他制御がなされます。
デッドロックのリスク 複数のトランザクションが互いにロックを待機する状況、すなわちデッドロックが発生する可能性があります。
このため、デッドロックを避ける戦略（タイムアウトやデッドロック検出と解消）が必要です。
スループットの低下 全てのアクセスを制限するため、システムの全体的なスループットが低下する可能性があります。
しかし、整合性と同期の確保という観点からは信頼性が高い手法です。
根拠
悲観的並行制御は、環境においてデータの競合が頻繁であると予想される場合に効果を発揮します。
多くのトランザクションが相互に競合する場合、事前にリスクを管理し、データの整合性を確保するため、ロック機構が必要です。
この手法は銀行取引や在庫管理システムなど、高い整合性が必要とされるケースで広く採用されています。
楽観的並行制御
楽観的並行制御（Optimistic Concurrency Control）は、競合することが稀であると仮定した上で動作します。
この手法では、トランザクションが自由にデータにアクセスし、変更を行います。
トランザクションの終了時に整合性確認を行い、競合が発生していた場合にのみ修正を求めます。
主な特徴
衝突検出 トランザクションの完了時にデータの整合性確認を行います。
競合が検出された場合、通常トランザクションは再試行されます。
非ロック型処理 基本的にロックを使用せずに処理を行います。
そのため、デッドロックの問題がありません。
システム性能の向上 ロック機構による制限がないため、高いスループットを持ち、同時実行性能を向上させます。
根拠
楽観的並行制御は、データアクセスの競合の頻度が低い環境で有効です。
競合が少ない場合、わざわざロックをかけるのはかえってオーバーヘッドとなり、システム性能を損なうおそれがあります。
Webアプリケーションや一時的なデータ処理では、並行するトランザクションが少ない場合が多く、この手法が有効です。
比較と選択
視点によっては、楽観的と悲観的のどちらを選択するかが非常に重要です。
選択肢は、期待されるトランザクションの競合頻度によって左右されます。
競合頻度が高い場合、悲観的制御が望ましいですが、そうでない場合は楽観的制御が効率的です。
データベース運用の目的 信頼性が最優先される場合、悲観的制御が適していることが多いです。
一方、性能重視の場合は楽観的制御が推奨されます。
トランザクションパターン トランザクションのパターンを事前に分析し、どの程度の競合が発生するかを見極めることも有用です。
処理の特性とユーザーの期待値 リアルタイム性が求められるアプリケーションでは、楽観的制御による遅延が耐えられるかを検討しなければなりません。
最終的な選択は、システムの特性と要件を基に決定する必要があります。
むやみにどちらか一方を選ぶのではなく、慎重な分析と実証実験を通じて最適な手法を導入することが成功への鍵となるでしょう。
【要約】
並行性制御は、データベースやコンピュータシステムで複数のトランザクションが同時に実行される際のデータの一貫性と整合性を維持する技術です。問題を防ぐために、ロック機構、楽観的制御、タイムスタンプ順序制御、MVCCなどの手法が用いられます。これは特にACID特性の独立性を強化し、データの整合性を確保するために重要です。
