Transaction (giao dịch) trong cơ sở dữ liệu là nhân tố quan trọng giúp đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán dữ liệu trong hệ thống thông tin. Cùng tìm hiểu vai trò và cách thức hoạt động của nó trong bài viết dưới đây!

1. Transaction Database là gì?

Transaction (giao dịch) trong cơ sở dữ liệu (CSDL - database) là một đơn vị logic bao gồm một hoặc nhiều thao tác (câu lệnh SQL) liên quan đến việc truy cập, tạo, cập nhật hoặc xóa dữ liệu trong CSDL. Điểm đặc biệt của transaction đó là tất cả các thao tác bên trong nó phải được thực hiện như một khối thống nhất. 

Một transaction tuân theo nguyên tắc "tất cả hoặc không gì cả" (all-or-nothing), có nghĩa là:

• Nếu tất cả các thao tác trong transaction được thực hiện thành công, dữ liệu sẽ được cập nhật vĩnh viễn (quá trình này gọi là commit).

• Nếu bất kỳ thao tác nào gặp lỗi (ví dụ: do hệ thống gặp sự cố hoặc vi phạm ràng buộc dữ liệu), toàn bộ transaction sẽ bị hủy bỏ và CSDL sẽ trở về trạng thái ban đầu trước khi transaction bắt đầu (quá trình này gọi là rollback).

Một ví dụ minh họa điển hình đó là thực hiện giao dịch chuyển tiền - một transaction data (dữ liệu về 1 giao dịch cụ thể ví dụ như yêu cầu thanh toán). Giả sử thực hiện một giao dịch chuyển 5 triệu VNĐ từ tài khoản A sang tài khoản B, transaction được ghi nhận là:

• Trừ 5 triệu VNĐ từ tài khoản A.

• Cộng 5 triệu VNĐ vào tài khoản B.

Trong một transaction, hai thao tác trên phải được hoàn thành. Nếu một trong hai thao tác thất bại (chẳng hạn tài khoản A không đủ tiền), transaction sẽ rollback để đảm bảo không có thay đổi nào được áp dụng, giúp CSDL duy trì tính nhất quán. Chính vì vậy, transaction được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, ngay cả khi có sự cố xảy ra. Đây là nền tảng giúp các hệ quản trị cơ sở dữ liệu xử lý đồng thời và hiệu quả các yêu cầu phức tạp.

Một ứng dụng nổi bật của Transaction Database đó là được tích hợp với Data Lakehouse (Hồ dữ liệu tích hợp). Các transaction trong cơ sở dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong môi trường Data Lakehouse vì chúng đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu giữa các tầng lưu trữ và xử lý dữ liệu khác nhau. Bằng cách quản lý các thay đổi dữ liệu và cung cấp sự cô lập giữa các transaction đồng thời, chúng góp phần vào việc chuyển đổi, quản lý và phân tích dữ liệu một cách đáng tin cậy trong cấu trúc Data Lakehouse.

Đọc thêm bài viết: Data Lakehouse là gì? Sự khác biệt so với Data Warehouse và Data Lake

Mỗi thao tác đều an toàn và đáng tin cậy với các transactions trong hệ thống cơ sở dữ liệu

2. Tại sao Transaction Database lại quan trọng?

Transaction Database đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì tính nhất quán và đáng tin cậy của dữ liệu, đặc biệt khi hệ thống gặp các sự cố bất ngờ như mất điện, lỗi phần mềm hoặc phần cứng. Trong những tình huống này, transaction đảm bảo rằng CSDL sẽ chỉ ghi nhận các thay đổi đã được xác nhận hoàn toàn (commit) trước thời điểm xảy ra sự cố. Các transaction chưa hoàn tất tại thời điểm đó sẽ được hoàn tác (rollback) một cách sạch sẽ, ngăn chặn mọi lỗi hoặc sai sót trong dữ liệu.

Ngoài ra, trong môi trường có nhiều yêu cầu đồng thời từ các người dùng hoặc ứng dụng truy cập và thao tác trên cùng một dữ liệu, transaction giúp đảm bảo sự cô lập giữa các yêu cầu này. Điều này ngăn chặn xung đột hoặc ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thao tác đồng thời, duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu và đảm bảo các thay đổi được thực hiện một cách độc lập, chính xác.

Nhờ vào những cơ chế này, transaction trở thành công cụ quan trọng để đảm bảo CSDL luôn hoạt động ổn định và đáng tin cậy. 

Tính nhất quán và toàn vẹn của hệ thống dữ liệu được đảm bảo bởi các transaction trong hệ thống cơ sở dữ liệu

3. Transaction Database hoạt động như thế nào?

Vòng đời của một transaction trong cơ sở dữ liệu giao dịch (transactional database) trải qua nhiều trạng thái giao dịch, gồm:

1. Active (trạng thái hoạt động): Trong trạng thái này, dữ liệu vẫn đang được xử lý và chưa được lưu cố định vào CSDL. Thay vào đó, chúng chỉ tồn tại tạm thời trong bộ nhớ đệm (buffer) nằm trong bộ nhớ chính.

2. Partially committed (trạng thái cam kết một phần)

Transaction đạt đến trạng thái này khi đã hoàn tất hầu hết các thao tác và đang thực thi thao tác cuối cùng. 

• Trạng thái này thường là tín hiệu để thực hiện commit, vì sau khi thao tác cuối cùng hoàn tất, dữ liệu sẽ được lưu cố định vào CSDL thông qua lệnh commit. 

• Nếu xảy ra lỗi trong trạng thái này, transaction sẽ chuyển sang trạng thái Thất bại (Failed). Ngược lại, nếu mọi thao tác đều được thực hiện thành công, transaction sẽ chuyển sang trạng thái Đã cam kết (Committed).

3. Committed (trạng thái đã cam kết)

Transaction đạt đến trạng thái này khi tất cả những thao tác liên quan đã được thực thi thành công, bao gồm cả lệnh commit. Trong trạng thái này:

• Dữ liệu đã được lưu cố định vào CSDL sau khi các thay đổi cần thiết được thực hiện.

• Transaction được đánh dấu đã hoàn thành. 

4. Failed (trạng thái thất bại)

Transaction chuyển sang trạng thái này nếu bất kỳ thao tác nào trong quá trình thực thi (ở trạng thái Active hoặc Partially Committed) gây ra lỗi. Trong trạng thái này, quá trình transaction thực hiện bị dừng lại. Hệ thống phục hồi cơ sở dữ liệu đảm bảo rằng CSDL trở lại trạng thái ban đầu (xem như transaction chưa từng được thực hiện).

5. Terminated (trạng thái kết thúc)

Đây là trạng thái cuối cùng và là trạng thái kết thúc của transaction sau khi đã cam kết hoặc hủy bỏ. Nếu lỗi không thể được khắc phục trong trạng thái Thất bại (Failed), transaction sẽ bị hủy bỏ, và một lệnh rollback được thực hiện để đưa CSDL trở về trạng thái đã được lưu gần nhất. Khi transaction bị hủy bỏ, mô-đun phục hồi CSDL sẽ xử lý bằng cách khởi động lại hoặc hủy bỏ hoàn toàn transaction.

Gác trạng thái của một transaction cơ sở dữ liệu trong quá trình thao tác

4.  Transaction Database thực hiện dựa trên thứ tự nào?

Khi nhiều transaction cần được thực hiện đồng thời trong CSDL, việc xác định thứ tự thực hiện chúng là yếu tố quan trọng để đảm bảo dữ liệu luôn nhất quán và an toàn. Có hai loại thứ tự chính được sử dụng:

1. Serial Schedule (Thực hiện tuần tự): Trong phương pháp này, các transaction được thực hiện theo thứ tự lần lượt, nghĩa là tại một thời điểm chỉ có một transaction được xử lý. Transaction tiếp theo chỉ bắt đầu sau khi transaction trước đó đã hoàn thành.

Ưu điểm: Đảm bảo tính nhất quán tuyệt đối vì các transaction không gây ảnh hưởng lẫn nhau.

Nhược điểm: Tốc độ xử lý chậm, làm tăng thời gian chờ và giảm hiệu suất hệ thống, đặc biệt không phù hợp với các hệ thống lớn cần xử lý nhiều yêu cầu đồng thời.

2. Non-Serial Schedule (Thực hiện không tuần tự): Để cải thiện hiệu suất, phương pháp này cho phép nhiều transaction có thể chạy song song, ngay cả khi một số transaction chưa hoàn tất. Điều này giúp giảm thời gian chờ và tăng thông lượng (throughput) của hệ thống.

Ưu điểm: Tăng hiệu quả xử lý, tối ưu hóa khả năng hoạt động của hệ thống.

Nhược điểm: Nếu không quản lý tốt, có thể dẫn đến lỗi hoặc trạng thái không nhất quán trong CSDL.

Để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu khi thực thi không tuần tự, các kỹ thuật như Two-Phase Locking (Khóa hai pha), Timestamp Ordering (Định thời gian theo thứ tự), hoặc Serializable Schedule (Lập lịch tuần tự hóa) thường được áp dụng.

Việc chọn loại thứ tự thực hiện phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống. Thực hiện tuần tự mang lại tính an toàn cao và được dùng làm tiêu chuẩn để so sánh. Trong khi đó, thực hiện không tuần tự, nếu được quản lý chặt chẽ, sẽ mang lại hiệu suất cao hơn mà vẫn duy trì tính nhất quán của dữ liệu.

5. Thuộc tính ACID của Transaction Database

Trong cơ sở dữ liệu quan hệ, transaction phải đảm bảo các đặc tính atomicity (tính nguyên tử), consistency (tính nhất quán), isolation (tính cô lập) và durability (tính bền vững), được viết tắt là ACID. Những đặc tính này đảm bảo rằng giao dịch cơ sở dữ liệu được xử lý một cách đáng tin cậy. Dưới đây là chi tiết về ý nghĩa của từng đặc tính trong transaction:

4 đặc tính chính của thuộc tính ACID trong một hệ cơ sở dữ liệu (Transaction Database ACID) - Ảnh: ScyllaDB

• Atomicity (Tính nguyên tử)

Tính chất nguyên tử đảm bảo rằng tất cả các thao tác trong một transaction phải được thực hiện hoàn toàn, hoặc không thực hiện gì cả. Điều này có nghĩa là transaction là một đơn vị không thể chia nhỏ. Nếu có bất kỳ thao tác nào thất bại, toàn bộ transaction sẽ bị hủy và các thay đổi trước đó sẽ bị rollback để ngăn chặn việc cập nhật không hoàn chỉnh lên CSDL.

Ví dụ, trong một ứng dụng đặt vé trực tuyến, việc đặt vé có thể bao gồm hai hành động riêng biệt nhưng liên quan chặt chẽ: đặt chỗ cho khách hàng và thanh toán chỗ ngồi đó. Transaction đảm bảo rằng cả hai hành động này sẽ được thực hiện như một đơn vị duy nhất. Nếu một trong hai hành động thất bại, toàn bộ transaction sẽ bị hoàn tác, và chỗ ngồi sẽ được làm trống để transaction khác tiếp tục.

• Consistency (Tính nhất quán)

Bất kỳ transaction nào cũng phải đảm bảo rằng sau khi hoàn thành, CSDL vẫn ở trạng thái nhất quán theo các quy tắc và ràng buộc hiện có trong CSDL (khóa chính, khóa ngoại, unique,..). Nếu CSDL ở trạng thái nhất quán trước khi transaction diễn ra, nó phải tiếp tục ở trạng thái nhất quán sau khi transaction hoàn tất, bất kể transaction thành công hay thất bại.

Ví dụ, khi người dùng gửi tiền vào ứng dụng ngân hàng trực tuyến, số dư mới phải được cập nhật ngay lập tức để phản ánh khoản tiền đã gửi. Tính nhất quán mạnh mẽ đảm bảo rằng tổng tiền trong ngân hàng không bao giờ hiển thị cao hơn hoặc thấp hơn thực tế.

• Isolation (Tính cô lập)

Tính chất này đảm bảo rằng mỗi transaction được thực hiện như thể nó là transaction duy nhất đang chạy trên hệ thống. Dữ liệu được sử dụng trong một transaction chưa hoàn thành sẽ không bị thay đổi bởi các transaction khác. Mặc khác, dữ liệu đã được thay đổi trong transaction nhưng chưa commit sẽ không được hiển thị ở các lệnh truy vấn khác. Điều này ngăn ngừa các xung đột khi có nhiều transaction đồng thời thao tác trên cùng một dữ liệu.

Thông thường, CSDL cung cấp nhiều cấp độ cô lập khác nhau để kiểm soát mức độ toàn vẹn giao dịch.

• Durability (Tính bền vững)

Tính bền vững đảm bảo rằng bất kỳ transaction nào được cam kết thành công sẽ được lưu lại vĩnh viễn, ngay cả khi có sự cố hệ thống. Nếu CSDL bị lỗi sau khi transaction hoàn thành nhưng trước khi dữ liệu được ghi lên đĩa, hệ thống sẽ đảm bảo rằng các thay đổi của transaction vẫn được áp dụng khi hệ thống trở lại hoạt động.

Đọc thêm bài viết: Thuộc tính ACID là gì? Sự khác biệt do với BASE trong cơ sở dữ liệu 

6. Kết luận

Transaction Database là một thành phần cốt lõi đảm bảo tính toàn vẹn, nhất quán và đáng tin cậy của dữ liệu trong các hệ thống thông tin. Từ việc quản lý đồng thời nhiều yêu cầu cho đến xử lý sự cố không mong muốn, transaction giúp CSDL duy trì trạng thái an toàn và ổn định. Với những nguyên tắc như tính nguyên tử, tính cô lập, tính nhất quán và tính bền vững (ACID), transaction không chỉ bảo vệ dữ liệu khỏi mất mát mà còn nâng cao hiệu suất và hiệu quả hoạt động.

Hiểu rõ cách thức hoạt động và vai trò của transaction trong CSDL sẽ giúp tổ chức xây dựng các hệ thống dữ liệu mạnh mẽ, hỗ trợ việc ra quyết định nhanh chóng và chính xác trong bối cảnh ngày càng phụ thuộc vào dữ liệu hiện nay.