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Entende-se que não é exagero afirmar que, para as organizações, os dados representam atualmente o bem mais precioso que possuem. Chegando ao ponto de o The Economist declarar que esses dados vão ultrapassar o petróleo como o recurso mais valioso do mundo – e olha que essa afirmação foi feita em 2017.
Podemos dizer que, quanto mais dados, mais precisa será a informação disponível para a tomada de decisões. No entanto, essa mesma vantagem pode se transformar em uma desvantagem devido à grande quantidade de dados gerados diariamente, os quais precisam ser processados. Tanto é assim que a grande quantidade de dados produzidos no mundo levou à criação de um termo específico para descrevê-la. Big Data.
As organizações estão constantemente em busca de maneiras para aprimorar o gerenciamento de todos esses dados, procurando métodos que sejam seguros e eficientes do ponto de vista computacional.
Assim, uma das melhores ferramentas, fundamentadas nas propriedades ACID, criadas pela ciência da computação para lidar com a complexidade dos dados e gerenciá-los eficientemente é o banco de dados.
O Que São Bancos de Dados?
De forma simplificada, podemos afirmar que os bancos de dados são conjuntos de dados estruturados armazenados em computadores. Além disso, é possível encontrar esses dados armazenados em farms contendo muitos servidores, que foram projetados especificamente para o armazenamento de dados e para os processos necessários à sua utilização.
O Que é ACID?
No contexto de ciência da computação, ACID é um acrônimo que se refere às quatro propriedades essenciais dos sistemas de gerenciamento de dados (SGBDs) para garantir transações de dados confiávies. São elas:
- Atomicidade
- Consistência
- Isolamento
- Durabilidade
Como meio de garantir as quatro propriedades ACID, o uso de transações em bancos de dados é essencial, já que são cruciais para manter a validade dos dados, mesmo com erros que ocorram durante o processo de armazenamento ou diante de problemas mais sérios no sistema, com falhas súbitas (crashes) ou problemas físicos em um servidor.
O que é uma transação?
Transações, por sua vez, se tratam de um conjunto de uma ou mais operações lógicas. Como exemplo, podemos citar a clássica transferência entre contas bancárias. Assim, as operações fundamentais envolvidas são criação, leitura, atualização e deleção, conhecidas pelo acrônimo em inglês CRUD (Create, Read, Update e Delete).
Quais São as Quatro Pripriedades ACID?
Atomicidade: Normalmente, transações consistem em múltiplas instruções (comandos/ações). A atomicidade assegura que cada transação é tratada como uma única unidade, que deve ser inteiramente executada ou inteiramente anulada. Assim, para que uma transação seja bem-sucedida, todas as suas operações precisam ser concluídas sem erros. Se qualquer parte da transação falha, então a transação inteira deve ser revertida – isso é o princípio do “tudo ou nada”. Em caso de falha em qualquer uma das operações da transação, o estado do banco de dados é restaurado ao ponto antes de a transação começar, processo esse conhecido como Rollback, ou seja, a transação é desconsiderada.
Se a transação for concluída com sucesso, o banco de dados é modificado de maneira definitiva, num processo conhecido como Commit, ou seja, a “conclusão” da transação.
Consistência: Esta propriedade garante que uma transação transforme o banco de dados de um estado consistente para outro, preservando sua integridade. Todos os dados gravados devem cumprir as regras estabelecidas, incluindo triggers, restrições (constraints), procedimentos armazenados e quaisquer outras regras que validem os dados inseridos. Assim, prevenimos a deterioração dos dados que uma transação inválida poderia provocar. Por exemplo, uma tentativa de adicionar um registro numa tabela de vendas referindo-se a um produto inexistente na tabela de produtos resultará em falha da transação.
Isolamento: Transações frequentemente ocorrem de maneira simultânea, com múltiplos usuários lendo ou modificando várias tabelas ao mesmo tempo. A propriedade de isolamento assegura que a execução concorrente de transações deixa o banco de dados como se as transações tivessem sido realizadas uma após a outra. Por exemplo, se dois clientes tentarem adquirir o último item de um produto ao mesmo tempo, o cliente que concluir a compra primeiro causará o rollback da transação do segundo cliente, cancelando-a.
Durabilidade: Essa propriedade assegura que, uma vez que uma transação é confirmada (ou efetivada), ela permanecerá assim, mesmo em face de falhas graves no sistema, como um crash ou uma queda de energia. Isso é possível porque as transações concluídas são registradas em uma memória permanente, como um disco rígido, garantindo que os dados permaneçam acessíveis mesmo após uma reinicialização do banco de dados.
Como Funcionam as Transações ACID?
Nas transações ACID, existe um conjunto de etapas que mantêm a integridade dos dados. Essas etapas são comuns à maioria dos SGBDs. No entanto, podem haver implementações diferentes dependendo do sistema de banco de dados utilizado.
- Begin Transaction: Quando se declara a instrução Begin Transaction, se estabelece-se um ponto de salvamento. Este ponto é utilizado caso seja necessário reverter todo o processo.
- Execução das Operações: Todas as operações incluídas na transação são executadas sequencialmente. O banco de dados faz a validação de cada operação para verificar se estão em conformidade com as restrições e estrutura modelada.
- Commit ou Rollback: Após a conclusão bem-sucedida de todas as operações, a transação é confirmada e finalizada com a instrução Commit. Se houver alguma falha no processo, a transação é revertida (Rollback) para o ponto de salvamento definido no início da transação.
Vantagens e Desvantagens de Usar Transações ACID
Vamos explorar os prós e contras das transações ACID e seu potencial. Importante notar que as desvantagens não se aplicam a todas as situações; elas dependem de como a transação é implementada e do que a aplicação necessita. Por exemplo, problemas como lentidão ou dificuldades de crescimento podem não ser relevantes em todos os casos. Da mesma forma, enquanto alguns cenários podem ter risco de impasses, um bom planejamento pode reduzir ou prevenir esses problemas.
Vantagens
Integridade dos dados: As transações ACID asseguram que, mesmo se houver um erro ou falha, o banco de dados ainda fica organizado e preciso. Isso ajuda a manter os dados seguros e confiáveis.
Consistência: Significa que o banco de dados verifica se as regras de dados são seguidas antes e depois de qualquer transação. Isso mantém os dados corretos e em ordem, evitando problemas como dados incompletos ou incorretos. Em resumo, é como garantir que as regras do jogo sejam sempre seguidas, mantendo tudo organizado e confiável.
Isolamento: Assegura que cada transação ocorra de forma isolada, sem ser afetada por outras transações que acontecem ao mesmo tempo. Isso ajuda a manter os dados íntegros, prevenindo que uma transação interfira ou altere os dados de outra, especialmente quando várias transações ocorrem simultaneamente. Em essência, é como se cada transação tivesse sua própria área privada de trabalho, evitando confusões e problemas entre elas.
Durabilidade: Significa que uma vez que uma transação é finalizada (commit), todas as mudanças feitas no banco de dados são permanentes, mesmo se houver um problema, como um problema elétrico. Isso torna os dados mais confiáveis, pois você sabe que as alterações não vão se perder mesmo diante de falhas no sistema. Basicamente, é como salvar um documento após editar; não importa o que aconteça depois, as mudanças estarão lá quando você voltar.
Desvantagens
Sobrecarga: Refere-se ao impacto no desempenho dos bancos de dados devido ao trabalho adicional necessário para manter as transações ACID. Isso significa que, para garantir as propriedades de ACID (Atomicidade, Consistência, Isolamento e Durabilidade), o banco de dados precisa realizar etapas extras, o que pode deixá-lo mais lento ou exigir mais recursos.
Deadlocks: Ocorrem quando várias transações se bloqueiam mutuamente, cada uma esperando que a outra libere recursos para poder prosseguir. Esse ciclo de espera pode ser difícil de quebrar e pode impactar negativamente o desempenho do banco de dados, afetando a velocidade com que os dados podem ser lidos ou recuperados. É como se cada transação estivesse em um impasse, sem conseguir avançar, o que atrapalha o fluxo normal de operações do banco de dados.
Escalabilidade: Refere-se à capacidade de um sistema crescer e gerenciar cargas de trabalho maiores. No contexto de transações ACID, implementá-las em sistemas distribuídos de grande escala pode ser desafiador, pois manter as propriedades de Atomicidade, Consistência, Isolamento e Durabilidade exige mais recursos e coordenação. Isso pode afetar o desempenho e a capacidade do sistema de escalar efetivamente, especialmente quando se necessita de alta disponibilidade e rapidez.
Atualização de dados semelhantes: Ocorre quando múltiplas transações tentam modificar os mesmos dados ao mesmo tempo. Esse cenário pode levar a conflitos, forçando uma transação a esperar até que outra seja concluída para poder prosseguir. Esse tipo de espera pode diminuir o desempenho do sistema e aumentar a latência, pois as transações não conseguem ser processadas de maneira rápida e contínua.
Outras Alterantivas
Realmente, as transações ACID oferecem inúmeros benefícios para garantir a confiabilidade, consistência, isolamento e durabilidade dos dados. Entretanto, elas não são a solução perfeita e podem não ser a melhor escolha para todas as aplicações. Assim, temos disponíveis outros modelos alternativos e teoremas que podem ser os ideais em substituição ao ACID.
BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent)
Não se deve considerar o BASE como um substituto direto para o ACID. Na realidade, é um modelo alternativo usado em sistemas distribuídos que não pode garantir a consistência imediata dos dados. Ele prioriza a disponibilidade em detrimento da consistência. Substitui a consistência de curto prazo pela estabilidade de longo prazo. Apesar de considerar que os dados eventualmente estarão consistentes, o BASE não pode garantir isso imediatamente. Seu uso é mais apropriado em sistemas distribuídos de grande volume, já que proporciona maior disponibilidade e escalabilidade. Geralmente, é muito utilizado em conjunto com bancos NoSQL, pois estes priorizam a escalabilidade e disponibilidade em vez de critérios rígidos de consistência.
CAP (Consistency, Availability, Partition tolerance)
O CAP é um teorema utilizado em sistemas distribuídos e este afirma que é impossível garantir os três princípios: Consistência, Disponibilidade e Tolerância de Partição. Ao contrário do anterior, o CAP não sacrifica a consistência para manter a disponibilidade e tolerância à partição. Este teorema tem um compromisso entre consistência e tolerância à partição. Isto significa que no caso de uma partição de rede, você deve escolher entre consistência e tolerância de partição. O teorema CAP não é verdadeiramente um modelo de transação alternativo, mas uma estrutura teórica para compreender as limitações dos sistemas distribuídos. Modelos de transação, como o BASE, podem ser usados em conjunto com os princípios do CAP para projetar e implementar sistemas distribuídos.
O Teorema CAP é um conceito fundamental em sistemas distribuídos que define uma escolha crucial entre três propriedades: Consistência (todos os nós veem a mesma versão dos dados simultaneamente), Disponibilidade (o sistema responde a todas as solicitações, mesmo em falhas) e Tolerância a Partições (o sistema continua operando apesar de falhas de rede que separam nós). O teorema estabelece que só é possível atender a dois destes critérios ao mesmo tempo; na ocorrência de uma partição de rede, um sistema deve optar entre manter a consistência dos dados ou manter o sistema operacional e responder a solicitações. Essa escolha é crucial ao projetar sistemas distribuídos, pois afeta diretamente a experiência do usuário e a integridade dos dados. O CAP não é um modelo transacional em si, mas fornece a base teórica para entender as trocas necessárias ao se projetar tais sistemas. Modelos como BASE, que são mais flexíveis com a consistência de dados em favor da disponibilidade, são adaptados de acordo com as limitações identificadas pelo CAP, sendo preferenciais em ambientes onde a tolerância a falhas e a escalabilidade são mais críticas do que a consistência absoluta dos dados.
Bancos de dados NoSQL
Bancos de dados NoSQL são flexíveis em termos de consistência e focam mais em performance e capacidade de escala do que em garantir consistência imediata. Eles são ideais para cenários que demandam um grande volume de transações, onde a perfeita consistência de dados pode ser secundária. Diferentemente dos sistemas relacionais, que seguem estritamente as propriedades ACID, os bancos de dados NoSQL lidam melhor com estruturas de dados volumosas e complexas. Eles se alinham mais às propriedades BASE, que são adaptadas para diversos tipos de aplicações, embora isso signifique que a garantia das condições ACID pode não ser uma constante.
Transações ACID são conceitos essenciais na administração de bancos de dados, oferecendo vantagens como a integridade e a consistência dos dados, além de garantir isolamento e durabilidade. Elas asseguram que o banco de dados mantenha um estado confiável, mesmo diante de falhas do servidor. Contudo, enfrentam obstáculos como sobrecarga operacional, deadlocks e desafios de escalabilidade em ambientes distribuídos.
Apesar de oferecerem uma consistência forte e segurança, as transações ACID podem não ser a bala de prata para todos os cenários. As empresas precisam analisar suas exigências e contextos específicos para decidir se optam pelas transações ACID ou por abordagens alternativas, como os modelos BASE ou CAP, conforme se ajustem melhor às características e demandas de seus sistemas.
