PostgreSQLでマルチスレッド環境におけるデータ競合を回避する方法：Atomic UPDATE .. SELECT徹底解説

PostgreSQLにおける「Atomic UPDATE .. SELECT」とマルチスレッド、コンカレンシー

この解説では、PostgreSQLにおける「Atomic UPDATE .. SELECT」構文と、マルチスレッド環境におけるコンカレンシー制御について、分かりやすく説明します。

Atomic UPDATE .. SELECTとは

「Atomic UPDATE .. SELECT」は、UPDATE操作とSELECT操作を単一のトランザクションとして実行する構文です。これにより、複数のスレッドが同時に操作を実行した場合でも、データの一貫性を保ち、競合状態（race condition）を回避することができます。

構文

UPDATE table_name
SET column_name = (
  SELECT expression
  FROM ...
)
WHERE condition;

例

UPDATE accounts
SET balance = balance + (
  SELECT amount
  FROM transactions
  WHERE transaction_id = :transaction_id
)
WHERE account_id = :account_id;

上記の例では、accountsテーブルのbalanceカラムを、transactionsテーブルからamount列を参照して更新します。この操作は単一のトランザクションとして実行されるため、他のスレッドによるbalanceカラムへのアクセスと干渉することなく、確実に更新されます。

マルチスレッド環境における利点

「Atomic UPDATE .. SELECT」構文を使用することで、マルチスレッド環境における以下の利点が得られます。

• デッドロックの回避: ロックの必要性を減らすことで、デッドロックを回避することができます。
• パフォーマンスの向上: ロックの必要性を減らすことで、パフォーマンスを向上させることができます。
• データの一貫性の維持: 複数のスレッドが同時に操作を実行した場合でも、データの一貫性を保ち、競合状態を回避することができます。

コンカレンシー制御

PostgreSQLは、READ COMMITTEDというデフォルトのトランザクション分離レベルを採用しています。この分離レベルでは、コミットされたトランザクションのみが見えるため、競合状態が発生する可能性があります。

競合状態を確実に回避するには、SERIALIZABLEという分離レベルを設定する必要があります。SERIALIZABLE分離レベルでは、すべてのトランザクションがシリアル実行されるため、競合状態が発生することはありません。

注意事項

• SERIALIZABLE分離レベルは、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。
• 「Atomic UPDATE .. SELECT」構文は、複雑なクエリには適していない場合があります。

このサンプルでは、銀行口座の残高を更新するコードを示します。このコードは、複数のスレッドが同時に実行しても、データの一貫性を保ち、競合状態を回避することができます。

UPDATE accounts
SET balance = balance + (
  SELECT amount
  FROM transactions
  WHERE transaction_id = :transaction_id
)
WHERE account_id = :account_id;

サンプル2：在庫管理システム

UPDATE inventory
SET quantity = quantity - (
  SELECT quantity
  FROM orders
  WHERE order_id = :order_id
)
WHERE product_id = :product_id;

サンプル3：競合状態の回避

このサンプルでは、「Atomic UPDATE .. SELECT」構文を使用することで、競合状態を回避する方法を示します。

BEGIN TRANSACTION;

UPDATE accounts
SET balance = balance + (
  SELECT amount
  FROM transactions
  WHERE transaction_id = :transaction_id
  FOR UPDATE
)
WHERE account_id = :account_id;

COMMIT;

代替方法1：楽観的ロック

楽観的ロックは、レコードのバージョン情報を使用して競合状態を検出する方法です。この方法では、レコードを更新する前に、現在のバージョン情報を読み取り、更新後に新しいバージョン情報に書き換えます。他のスレッドが同じレコードを更新した場合、バージョン情報が異なるため、競合状態が発生したことが検出されます。

楽観的ロックの利点は、複雑なクエリにも適用できることです。一方、競合状態が発生した場合、再試行が必要になるという欠点があります。

悲観的ロックは、レコードを更新する前にロックを取得する方法です。この方法では、レコードを更新する前にロックを取得し、更新後にロックを解放します。他のスレッドが同じレコードを更新しようとすると、ロックを取得できないため、待機する必要があります。

悲観的ロックの利点は、競合状態を確実に回避できることです。一方、ロックの取得と解放にオーバーヘッドが発生するため、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。

代替方法3：排他ロック

排他ロックの利点は、競合状態を確実に回避できることと、他のスレッドによるレコードへのアクセスを完全にブロックできることです。一方、ロックの取得と解放にオーバーヘッドが発生するため、パフォーマンスに最も影響を与える可能性があります。

代替方法の選択

どの代替方法を選択するかは、アプリケーションの要件によって異なります。複雑なクエリを処理する必要がある場合は、楽観的ロックが適しています。競合状態を確実に回避する必要がある場合は、悲観的ロックまたは排他ロックが適しています。パフォーマンスが重要な場合は、楽観的ロックまたは悲観的ロックが適しています。

上記以外にも、以下のような方法が考えられます。

• メッセージキューイングシステムを使用して、更新要求をキューに格納し、順序に処理する
• アプリケーションロジックで競合状態を検出および処理する