青少年编程与数学 02-007 PostgreSQL数据库应用 17课题、事务处理

一、事务处理
二、隔离级别
三、注意事项
四、应用示例

课题摘要:本课题讨论了PostgreSQL中的事务处理，包括事务的关键特性（原子性、一致性、隔离性、持久性）和控制事务的命令（BEGIN、COMMIT、ROLLBACK、SAVEPOINT）。事务处理确保数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态，是维护数据库完整性和一致性的重要机制。课题还介绍了事务隔离级别的设置，包括事务级别和数据库或会话级别的设置，以及不同隔离级别对并发事务的影响。最后，提供了一个应用示例，展示了如何在存储过程中执行事务处理，包括插入和更新操作，并在操作失败时进行回滚。通过这些内容，课题强调了在数据库操作中合理使用事务的重要性。

一、事务处理

事务处理是数据库管理系统（DBMS）中的一个重要概念，它确保了数据库的完整性和一致性。在PostgreSQL数据库中，事务处理指的是一组不可分割的数据库操作序列，这些操作要么全部成功，要么全部失败，从而保证了数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态。

以下是事务处理的几个关键特性：

原子性（Atomicity）：事务中的所有操作要么全部完成，要么全部不完成。如果事务中的某个操作失败，整个事务将回滚到事务开始前的状态。
一致性（Consistency）：事务必须确保数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态。这意味着事务执行过程中和执行结束后，数据库的完整性约束不会被破坏。
隔离性（Isolation）：并发执行的事务之间不会相互影响。每个事务都像是在一个独立的环境中执行，对其他事务不可见，直到事务完成。
持久性（Durability）：一旦事务被提交，它对数据库的修改就是永久性的，即使系统发生故障，修改的结果也不会丢失。

在PostgreSQL中，事务可以通过以下命令来控制：

BEGIN 或 START TRANSACTION：开始一个新的事务。
COMMIT：提交当前事务，使所有更改永久生效。
ROLLBACK：回滚当前事务，撤销自事务开始以来的所有更改。
SAVEPOINT：在事务中设置一个保存点，可以在发生错误时回滚到该点。
RELEASE SAVEPOINT：释放一个保存点。
ROLLBACK TO SAVEPOINT：回滚到指定的保存点。

PostgreSQL默认的事务隔离级别是“读已提交”（Read Committed），这意味着一个事务只能看到其他已提交事务的更改。其他隔离级别包括读未提交（Read Uncommitted）、可重复读（Repeatable Read）和串行化（Serializable）。可以通过设置事务的隔离级别来控制并发事务之间的可见性。

二、隔离级别

在PostgreSQL中，你可以通过两种方式设置事务的隔离级别：

事务级别设置：
你可以在每个事务开始时使用SET TRANSACTION命令来设置隔离级别。例如：
```
BEGIN;
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
-- 你的事务操作
COMMIT;
```
这里ISOLATION LEVEL后面可以跟以下四种隔离级别之一：
- READ UNCOMMITTED：读未提交，最低隔离级别，允许脏读。
- READ COMMITTED：读已提交，允许不可重复读，但不允许脏读。
- REPEATABLE READ：可重复读，允许幻读，但不允许不可重复读。
- SERIALIZABLE：串行化，最高隔离级别，完全隔离，不允许脏读、不可重复读和幻读。
数据库或会话级别设置：
你也可以在数据库级别或会话级别设置默认的隔离级别，这样所有新的事务都会使用这个隔离级别，除非你在事务中明确指定不同的隔离级别。
- 会话级别：在会话中设置默认隔离级别，只影响当前会话中的事务。
```
SET default_transaction_isolation = 'SERIALIZABLE';
```
- 数据库级别：在postgresql.conf配置文件中设置default_transaction_isolation参数，这将影响整个数据库的新事务。
  
  你需要编辑postgresql.conf文件，并设置：
```
default_transaction_isolation = 'SERIALIZABLE'
```
  修改配置文件后，需要重启PostgreSQL服务以使更改生效。

请注意，隔离级别的选择会影响事务的并发性能和可能出现的并发问题。通常，READ COMMITTED是默认设置，因为它在大多数情况下提供了合理的隔离级别和较好的并发性能。在需要更严格的隔离级别以避免并发问题时，可以选择REPEATABLE READ或SERIALIZABLE。

三、注意事项

在PostgreSQL数据库中应用事务处理时，以下是一些重要的注意事项：

明确事务边界：
- 确保事务的开始和结束都有明确的边界。使用BEGIN或START TRANSACTION开始一个事务，并在事务的最后使用COMMIT或ROLLBACK来结束它。
避免长事务：
- 长时间的事务会锁定资源，影响数据库的并发性能。应该尽量缩短事务的执行时间，避免不必要的长时间锁定。
合理设置隔离级别：
- 根据应用需求合理设置事务的隔离级别。不同的隔离级别会影响事务的并发性和性能，以及可能出现的并发问题，如脏读、不可重复读和幻读。
使用锁和死锁：
- 理解锁的机制和死锁的可能性。在事务中，如果多个事务相互等待对方持有的锁，可能会导致死锁。设计事务时，应尽量避免这种情况。
处理异常和错误：
- 在事务中妥善处理可能出现的异常和错误。如果事务中的某个操作失败，应该能够回滚事务，以保持数据的一致性。
测试事务逻辑：
- 在生产环境部署之前，充分测试事务逻辑，确保事务能够正确处理各种正常和异常情况。
监控事务性能：
- 监控事务的执行时间和资源使用情况，及时发现并解决性能瓶颈。
避免大批量操作：
- 在事务中避免进行大量的数据修改操作，这可能会导致事务过大，影响性能和稳定性。
使用事务日志：
- 合理配置事务日志，确保在系统故障时能够恢复事务，同时平衡日志空间的使用。
理解并发影响：
- 理解并发事务对数据库性能的影响，以及如何通过锁和隔离级别来控制这些影响。
避免不必要的事务嵌套：
- 嵌套事务可能会增加复杂性和出错的风险，应尽量避免不必要的嵌套。
使用事务快照：
- PostgreSQL使用MVCC（多版本并发控制）机制，理解事务快照的概念对于理解数据可见性非常重要。
备份和恢复策略：
- 制定有效的备份和恢复策略，以确保在事务失败或系统故障时能够恢复数据。
遵守ACID原则：
- 确保事务处理遵循ACID原则，以维护数据的完整性和一致性。
文档和代码审查：
- 记录事务逻辑，并进行代码审查，确保事务处理的正确性和安全性。

通过遵循这些注意事项，可以提高PostgreSQL数据库中事务处理的效率和可靠性。

四、应用示例

在PostgreSQL中，存储过程通常指的是函数，它可以执行一些操作，包括事务处理。下面是一个简单的示例，展示了如何在PostgreSQL中创建一个存储过程（函数），该过程在一个事务中执行两个操作：向一个表中插入数据，并在另一个表中更新数据。如果任何一个操作失败，整个事务将回滚。

首先，我们需要两个表，一个用于插入数据，另一个用于更新数据：

CREATE TABLE accounts (
    account_id SERIAL PRIMARY KEY,
    account_name VARCHAR(100) NOT NULL,
    balance NUMERIC(10, 2) NOT NULL DEFAULT 0.00
);

CREATE TABLE transactions (
    transaction_id SERIAL PRIMARY KEY,
    account_id INT REFERENCES accounts(account_id),
    amount NUMERIC(10, 2) NOT NULL,
    transaction_date TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

现在，我们创建一个存储过程（函数），它将向accounts表中添加一个新账户，并在transactions表中记录一个初始交易：

CREATE OR REPLACE FUNCTION process_new_account(p_account_name VARCHAR(100), p_initial_amount NUMERIC(10, 2))
RETURNS VOID AS $$
BEGIN
    -- 开始事务
    BEGIN
        -- 向accounts表中插入新账户
        INSERT INTO accounts (account_name, balance) VALUES (p_account_name, p_initial_amount);
        
        -- 向transactions表中插入初始交易记录
        INSERT INTO transactions (account_id, amount) 
        SELECT account_id, p_initial_amount FROM accounts WHERE account_name = p_account_name;
        
        -- 提交事务
        COMMIT;
    EXCEPTION
        -- 如果发生错误，回滚事务
        WHEN OTHERS THEN
            ROLLBACK;
            RAISE;
    END;
END;
$$ LANGUAGE plpgsql;

在这个函数中，我们使用BEGIN ... EXCEPTION ... END;块来定义事务的边界。如果在INSERT操作中发生任何异常，EXCEPTION块将捕获这些异常，执行ROLLBACK命令以撤销所有更改，并通过RAISE;重新抛出异常。

要调用这个存储过程，你可以使用以下SQL命令：

SELECT process_new_account('John Doe', 1000.00);

这将创建一个名为"John Doe"的新账户，并在账户中存入1000.00元，同时记录这笔交易。

请注意，这个示例假设你有足够的权限来创建表、函数和执行事务。在实际应用中，你可能需要根据实际的数据库架构和业务逻辑调整表结构和存储过程的代码。