交易與復原：用 ACID 判斷並行風險
本頁為依教材與考古題整理的原創摘要；考古題答案經技術覆核，但不是官方答案。
第一次接觸也沒關係
這堂先懂這些詞
先記住白話意思，不必急著背英文。看到正文時，再把正式名稱接回來。
ACID 交易特性
也會看到：ACID、atomicity、consistency、isolation、durability交易要做到全有全無、維持規則、彼此適度隔離，完成後結果可保存。
- 生活例子：
- 銀行轉帳不能只扣款不入帳，且完成後不能因當機消失。
- 別搞混：
- ACID 的 consistency 是符合資料規則，不等同分散式系統 CAP 的 consistency。
資料庫鎖定與兩階段鎖定
也會看到：shared lock、exclusive lock、two-phase locking、2PL讀取可使用 shared lock，修改需使用 exclusive lock；2PL 以先取得、後釋放的兩階段約束交易排程。
- 生活例子：
- 像多人可同時看同一本公告，但有人要改內容時必須先取得獨占編輯權。
- 別搞混：
- 2PL 有助於 serializability，但仍可能發生 deadlock，也不是資料復原機制。
死結
也會看到：deadlock、死鎖多個工作各自占著資源又互等對方釋放，因而永遠無法前進。
- 生活例子：
- 兩台車在窄巷互不退讓，彼此都卡住。
- 別搞混：
- 等待很久不一定是死結；死結有形成環狀等待等特定條件。
隔離等級
也會看到：isolation level、dirty read、non-repeatable read、serializable資料庫用不同強度限制並行交易彼此看見未完成變更的程度。
- 生活例子：
- 兩位售票員同時賣最後一張票，需要規則避免重複售出。
- 別搞混：
- 隔離越強通常成本越高；不是所有系統都一律用最高等級。
交易並行異常
也會看到：lost update、dirty read、non-repeatable read多筆交易交錯執行時，可能覆蓋更新、讀到未提交資料，或同一筆資料前後讀到不同值。
- 生活例子：
- 兩位店員同時修改最後一件庫存，後存檔的人可能蓋掉前一人的結果。
- 別搞混：
- 異常來自操作交錯與隔離不足，不是所有同時執行都一定出錯。
預寫式日誌與檢查點
也會看到：write-ahead logging、WAL、UNDO、REDO、checkpoint資料頁寫回前先記錄日誌，故障後再依日誌撤銷或重做；檢查點縮短復原範圍。
- 生活例子：
- 像修改帳本前先寫操作紀錄，停電後可按紀錄還原或補做。
- 別搞混：
- Checkpoint 不是備份，也不代表它之前的所有日誌都能無條件刪除。
從交易邊界與 ACID 出發，判讀 lost update、dirty read、不可重複讀等並行異常，再以 lock、serializability、log 與 checkpoint 建立完整的復原觀念。
先抓住這幾件事
- 用具體操作解釋 Atomicity、Consistency、Isolation、Durability
- 從 interleaved schedule 辨識 lost update、dirty read 與 non-repeatable read
- 說明 shared/exclusive lock、two-phase locking 與 deadlock 的關係
- 依 write-ahead logging、UNDO/REDO 與 checkpoint 判斷故障後處理
先想像這個場景
轉帳到一半，銀行突然斷電
你從帳戶 A 轉 200 元給朋友：A 扣款與 B 入帳必須被當成同一件事。如果扣完款就斷電，系統不能留下錢憑空消失的結果；如果兩位行員同時用舊餘額更新同一帳戶，也不能讓其中一筆修改悄悄被蓋掉。
先別急著往下看，花十秒想一想：
畫面已經顯示「轉帳成功」，但最新資料頁還沒寫回磁碟就斷電，重新開機後應該取消這筆轉帳，還是把它恢復完成？
把故事換成電腦語言
| 生活中的角色 | 對應到 | 技術概念 |
|---|---|---|
| 扣款與入帳合在同一筆轉帳 | 一個 transaction 的操作邊界 | |
| 銀行正式確認轉帳成功 | COMMIT；結果進入必須保留的狀態 | |
| 尚未確認就把途中修改撤回 | ROLLBACK 或復原時 UNDO 未提交交易 | |
| 先留下可追查的交易紀錄 | write-ahead logging：log 必須先於 data page 持久化 | |
| 兩位行員同時更新同一筆餘額 | 並行 transactions 可能產生 lost update 等異常 |
題目出現這些字，先想到
- all or nothing、只完成一半：先想到 Atomicity。
- 已 COMMIT、故障後仍要存在：先想到 Durability 與 REDO。
- 讀到之後可能 ROLLBACK 的值：先想到 dirty read。
- 兩次都用舊值計算，後寫者覆蓋前寫者：先想到 lost update。
1.交易是不可拆散的工作單位
Transaction（交易/事務）是資料庫中一組不可分割的操作序列 — 要嘛全部成功（commit），要嘛全部取消（rollback/abort），不能只做一半。這個「全有或全無」的特性叫做 atomicity。 【經典範例：銀行轉帳】A 帳戶轉 1000 元到 B 帳戶，包含兩個操作：(1) A 帳戶餘額 - 1000。(2) B 帳戶餘額 + 1000。如果系統在 (1) 完成後、(2) 完成前當機，A 的錢扣了但 B 沒收到 — 1000 元憑空消失。Transaction 機制確保：如果 (2) 失敗，(1) 也會被 rollback，A 的餘額恢復原狀。 【Transaction 的生命週期】 (1) BEGIN：開始交易。 (2) 執行一連串的讀取和寫入操作。 (3) COMMIT：所有操作都成功，永久寫入資料庫。 (4) 或 ROLLBACK/ABORT：放棄所有操作，回到交易開始前的狀態。 交易一旦 commit，其結果必須是永久的（durability），即使系統隨後當機也不能遺失。這通常透過 write-ahead log（WAL）實現 — 在修改資料頁之前，先把修改記錄寫到日誌檔案。當機復原時，從日誌重播或回滾未完成的交易。 【考試連結】考古題最常考的情境是判斷「如果系統在某個時間點當機，資料庫的狀態是什麼」。答案取決於交易是否已經 commit：已 commit → 結果保留（redo if needed）；未 commit → 結果取消（undo）。
- COMMIT 表示交易結果成為正式狀態
- ROLLBACK 放棄尚未提交的修改
- 交易邊界應對應一個完整的業務不變量
- 資料庫 constraint 與應用程式檢查共同守護 consistency
2.ACID 四個字母各管一件事
ACID 是交易必須滿足的四個特性，每個字母解決一個不同的問題： 【A - Atomicity（原子性）】交易中的所有操作要嘛全部成功，要嘛全部取消。解決的問題：避免部分完成的操作留下不一致的資料狀態。實現機制：undo log — 記錄每個操作的反向操作，rollback 時依序執行。 【C - Consistency（一致性）】交易執行前後，資料庫必須保持在一個合法的狀態。所有的完整性約束（如 primary key 唯一、foreign key 參照存在、CHECK 約束成立）在交易結束後仍然滿足。例如轉帳後，所有帳戶餘額的總和不變。注意：ACID 的 Consistency 是「資料完整性約束」的概念，和 CAP theorem 的 Consistency（所有節點看到相同資料）是不同的。 【I - Isolation（隔離性）】多個交易並行執行時，每個交易感覺自己是唯一在執行的，看不到其他交易的中間狀態。理想情況下，並行執行的結果和某個序列執行（一個接一個）的結果相同 — 這叫做 serializability。實務上為了效能，會放寬 isolation level。 【D - Durability（持久性）】交易一旦 commit，其修改永久保存，即使系統隨後斷電或當機。實現機制：redo log + 定期 checkpoint — 當機復原時，從 checkpoint 開始重播 redo log 中已 commit 的交易。 【考試連結】選擇題常給一個情境問「違反了 ACID 的哪個特性」。例如「轉帳只扣了 A 但沒加到 B」→ 違反 Atomicity；「兩個交易同時修改同一筆資料導致結果錯誤」→ 違反 Isolation。最大陷阱是混淆 ACID-C 和 CAP-C。
- Atomicity 常靠 log 與 UNDO 支援
- Isolation 的強弱由 isolation level 與 concurrency control 決定
- Durability 不代表每次更新都立刻把資料頁同步到磁碟
- Consistency 不是 DBMS 單方面理解所有商業規則
3.並行執行為何會出錯
在多用戶環境中，多個交易同時存取和修改相同的資料可能導致三種經典的並行問題： 【Dirty Read（髒讀）】交易 T1 修改了資料但尚未 commit，交易 T2 讀取了 T1 修改後的值。如果 T1 隨後 rollback，T2 讀到的資料就是無效的（從未實際存在的值）。例如：T1 把價格從 100 改成 150（還沒 commit），T2 讀到 150 並據此計算。T1 rollback 後價格回到 100，但 T2 已經用了錯誤的 150。 【Non-repeatable Read（不可重複讀）】交易 T1 讀取某筆資料後，交易 T2 修改並 commit 了該筆資料，T1 再次讀取時得到不同的值。同一個交易中，兩次讀取同一筆資料的結果不一致。例如：T1 讀到帳戶餘額 5000，T2 把餘額改成 3000 並 commit，T1 再讀時看到 3000。 【Phantom Read（幻讀）】交易 T1 用某個條件查詢得到一組結果，交易 T2 隨後插入或刪除了符合該條件的資料並 commit，T1 再次用相同條件查詢時得到不同數量的 row。例如：T1 查詢「GPA > 3.5 的學生」得到 10 人，T2 新增一位 GPA 3.8 的學生並 commit，T1 再查時得到 11 人 — 多出的一人像「幽靈」般出現。 【Isolation Levels】SQL 標準定義四個隔離等級，從低到高： (1) READ UNCOMMITTED：允許 dirty read（最低隔離） (2) READ COMMITTED：防止 dirty read，但允許 non-repeatable read (3) REPEATABLE READ：防止 dirty read 和 non-repeatable read，但允許 phantom read (4) SERIALIZABLE：防止所有三種問題（最高隔離，但效能最差） 【考試連結】題目常給一個交易執行順序，問會發生哪種問題，或問哪個 isolation level 能防止特定問題。記住三者的嚴重程度：dirty read > non-repeatable read > phantom read，對應的 isolation level 由低到高排列。
- serial schedule 完成一個交易後才執行下一個
- serializable schedule 可以交錯，但結果必須等價於某個 serial order
- dirty read 的來源是讀到之後可能 rollback 的值
- lost update 常出現在 read-modify-write 缺乏保護時
4.鎖與日誌分別處理並行和故障
資料庫用兩套機制分別處理並行控制和故障復原：Lock（鎖）處理並行，Log（日誌）處理故障。 【Lock-based concurrency control】 • Shared lock（S lock / 讀鎖）：多個交易可以同時持有同一筆資料的 S lock。持有 S lock 只能讀取，不能修改。 • Exclusive lock（X lock / 寫鎖）：一次只有一個交易能持有。持有 X lock 可以讀取和修改。其他交易既不能讀也不能寫（除非使用 MVCC 等技術）。 相容性：S lock 和 S lock 相容（多個讀者可並行），S lock 和 X lock 不相容，X lock 和 X lock 不相容。 【Two-Phase Locking（2PL）】確保 serializability 的協定：(1) Growing phase — 交易只能取得鎖，不能釋放。(2) Shrinking phase — 交易只能釋放鎖，不能取得。一旦釋放任何一個鎖，就進入 shrinking phase，不能再取得新鎖。2PL 保證了可序列化性，但可能導致 deadlock。 【Log-based recovery】 • Write-Ahead Logging（WAL）：在修改資料頁之前，必須先把修改記錄（log record）寫到持久的日誌檔案。Log record 包含：交易 ID、修改的資料項、修改前的值（before image，用於 undo）、修改後的值（after image，用於 redo）。 • 復原流程：當機重啟後，掃描日誌：(1) Redo 所有已 commit 的交易（確保 durability）。(2) Undo 所有未 commit 的交易（確保 atomicity）。Checkpoint 機制定期記錄「到此時為止所有已 commit 的交易」，縮小復原時需要掃描的日誌範圍。 【考試連結】題目常問「系統在某時間點當機，以下哪些交易需要 redo、哪些需要 undo」。規則簡單：checkpoint 之後 commit 的 → redo；checkpoint 之後開始但未 commit 的 → undo。
- deadlock 是形成等待環，starvation 是某交易長期得不到資源
- UNDO 撤回未提交交易，REDO 重播已提交但尚未落盤的修改
- WAL 的核心順序是 log before data page
- checkpoint 是復原起點，不是新的 ACID 屬性
一起拆題目
範例 1：帳戶 A=1000、B=500。交易 T 要從 A 轉 200 到 B；系統在 A 扣款後、B 入帳前故障。ACID 如何處理？
- 把扣 A 與加 B 放在同一 transaction，兩步共同維持總額不變的 consistency rule。
- 若 T 尚未 COMMIT，復原程序利用 log UNDO A 的扣款，滿足 atomicity。
- 若 COMMIT record 已持久化但資料頁尚未全寫回，復原程序 REDO 已提交修改，滿足 durability。
- 其他交易不應在 T 提交前看到只扣款未入帳的中間狀態，這是 isolation 的工作。
所以答案是：未提交就完整 UNDO；已提交但資料頁未落盤就 REDO。任何情況都不應留下只扣 A、未加 B 的正式狀態。
範例 2：X 初值 100。T1 與 T2 都先讀 X；T1 寫入 110，T2 依自己先前讀到的 100 寫入 80。發生什麼問題？如何避免？
- T1、T2 都以舊值 100 計算，T2 最後寫入會覆蓋 T1 的 +10。
- 最後 X=80，而不是依兩筆更新某一序列得到的 90，這是 lost update。
- 可在 read-modify-write 前取得 exclusive lock，讓另一交易等待。
- 也可使用具衝突檢測的 optimistic concurrency control，在提交時發現版本已改變並重試。
所以答案是：這是 lost update；用適當的 exclusive lock、serializable isolation 或版本檢查重試，可確保結果等價於 T1/T2 的某個循序順序。
這裡最容易選錯
- 把 ACID 的 A 誤記為 Availability，或把 I 誤記為 Integrity
- 認為 isolation 就是交易完全不能並行；正確目標是並行結果具備指定的隔離保證
- 以為 two-phase locking 不會 deadlock；它可保證 conflict serializability，但仍可能形成等待環
- 把 checkpoint 當成完整備份，或認為 checkpoint 前的所有 log 都可立即刪除
換你快速判斷
先在心中作答，再展開答案。答不出來時，回頭找本課的對照關係。
1ACID 四個字母分別代表什麼？
Atomicity、Consistency、Isolation、Durability。
常見陷阱是把 A 誤寫成 Availability、把 I 誤寫成 Integrity；這兩個都不屬於 ACID 的正式展開。
2Atomicity 與 Durability 在故障復原時如何區分？
Atomicity 要撤回未提交交易的部分結果；Durability 要保住或重做已提交交易的結果。
典型復原中，未提交交易需要 UNDO，已提交但資料頁尚未落盤的交易需要 REDO。
3serial schedule 與 serializable schedule 有何差異？
Serial schedule 完全不交錯；serializable schedule 可以交錯，但結果必須等價於某個 serial order。
隔離控制不一定禁止並行，而是讓並行結果保有可接受的循序語意。
4lost update 是怎麼發生的？
兩個交易讀到同一舊值，各自計算後寫回；後寫者覆蓋先寫者的修改。
可用 exclusive lock、serializable isolation，或 optimistic version check 阻止未察覺的覆蓋。
5two-phase locking 為何仍可能 deadlock？
2PL 限制取得與釋放鎖的階段，可保證 conflict serializability；但不同交易仍可能各持有一把鎖並互等對方的鎖。
Serializability 與 deadlock freedom 是不同性質。Deadlock 需靠等待圖偵測、timeout、預防或 victim rollback 處理。
6Write-Ahead Logging 的最重要順序規則是什麼？
修改過的資料頁寫入持久儲存前，描述該修改的 log record 必須先持久化。
如此故障後才有足夠資訊做 UNDO 或 REDO。Checkpoint 只縮短復原範圍，不等於完整備份。
最後用考古題驗證
本課連結的題目都已通過可重現的技術覆核，可逐題練習與判分。
開始本課考古題練習參考來源
- Computer Science: An Overview, 13th Edition — J. Glenn Brookshear
- 資料庫課程 — 陳士杰（杰哥數位教室）