ACID vs. BASE – Datenbankprinzipien im Vergleich

Die Verwaltung von Datenbanken ist eine der zentralen Aufgaben in der Softwareentwicklung. Besonders wenn es um die Handhabung von Transaktionen und Konsistenz geht, spielen zwei Prinzipien eine herausragende Rolle: ACID und BASE. Diese beiden Akronyme bezeichnen Konzepte, die in relationalen und NoSQL-Datenbanken Anwendung finden und grundlegende Unterschiede in der Handhabung von Daten und deren Integrität aufzeigen. In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf beide Prinzipien und vergleichen, wann welches Konzept die bessere Wahl ist.

Was ist ACID?

ACID beschreibt vier wesentliche Eigenschaften, die Datenbanktransaktionen gewährleisten sollten, um die Integrität und Konsistenz der Daten zu sichern. Diese Prinzipien wurden ursprünglich für relationale Datenbanken entwickelt, sind jedoch nach wie vor ein Maßstab in vielen modernen Systemen.

1. Atomicity (Atomarität)

Das Prinzip der Atomarität besagt, dass eine Transaktion entweder vollständig ausgeführt wird oder gar nicht. Es wird keine teilweise Ausführung erlaubt – entweder wird die ganze Transaktion erfolgreich abgeschlossen oder bei einem Fehler vollständig rückgängig gemacht, sodass keine unvollständigen Daten in der Datenbank verbleiben.

Beispiel: Wenn Sie eine Geldüberweisung tätigen, wird entweder der gesamte Betrag von Konto A abgebucht und Konto B gutgeschrieben, oder die Transaktion schlägt fehl, und es passiert nichts.

2. Consistency (Konsistenz)

Konsistenz stellt sicher, dass jede Transaktion die Datenbank von einem gültigen Zustand in einen anderen gültigen Zustand überführt. Vor und nach der Transaktion müssen alle festgelegten Integritätsbedingungen (wie Constraints oder Trigger) eingehalten werden.

Beispiel: Eine Transaktion darf keine ungültigen Daten in die Datenbank einfügen, wie z. B. ein negatives Kontoguthaben, das gegen die Konsistenzregeln verstoßen würde.

3. Isolation (Isolation)

Die Isolation garantiert, dass parallel ablaufende Transaktionen einander nicht beeinflussen. Auch wenn mehrere Transaktionen gleichzeitig stattfinden, ist jede von ihnen so isoliert, als ob sie nacheinander ausgeführt würde, um Konflikte und Inkonsistenzen zu vermeiden.

Beispiel: Wenn zwei Benutzer gleichzeitig auf dasselbe Bankkonto zugreifen, sorgt die Isolation dafür, dass ihre Änderungen nicht in Konflikt geraten und die Datenbank konsistent bleibt.

4. Durability (Dauerhaftigkeit)

Dauerhaftigkeit stellt sicher, dass einmal erfolgreich abgeschlossene Transaktionen auch im Falle eines Systemausfalls bestehen bleiben. Sobald eine Transaktion durchgeführt wurde, sind die Änderungen dauerhaft in der Datenbank gespeichert.

Beispiel: Wenn eine Überweisung abgeschlossen ist, bleiben die Buchungen auch nach einem unerwarteten Stromausfall in der Datenbank erhalten.

Was ist BASE?

BASE ist ein Konzept, das als Reaktion auf die Bedürfnisse von verteilten Systemen und großen Datenmengen entwickelt wurde. Es stellt eine Alternative zu ACID dar, insbesondere in Systemen, die hohe Verfügbarkeit und Skalierbarkeit erfordern. BASE steht für:

1. Basically Available (Grundsätzlich verfügbar)

Dieses Prinzip betont die Notwendigkeit, dass das System auch dann funktional bleibt, wenn Teile davon vorübergehend ausfallen. Es stellt sicher, dass das System grundsätzlich erreichbar ist, auch wenn nicht alle Komponenten verfügbar sind.

Beispiel: In einem verteilten System wie Apache Cassandra kann eine Anfrage auch dann verarbeitet werden, wenn nicht alle Knoten des Systems erreichbar sind.

2. Soft state (Weicher Zustand)

Der „weiche Zustand“ besagt, dass der Zustand eines Systems sich jederzeit ändern kann, auch ohne direkte Interaktion oder Eingaben. Dies liegt daran, dass in verteilten Systemen Daten oft asynchron repliziert werden, sodass unterschiedliche Teile des Systems zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Datenstände haben können.

Beispiel: Wenn eine Datenänderung auf einem Server vorgenommen wird, kann es eine gewisse Zeit dauern, bis diese Änderung auf allen anderen Knoten des Systems verfügbar ist.

3. Eventual consistency (Schlussendlich konsistent)

Das Konzept der „eventual consistency“ bedeutet, dass das System nicht sofort konsistent ist, aber langfristig eine vollständige Konsistenz erreicht wird. Dieser Ansatz ermöglicht eine bessere Skalierbarkeit und Verfügbarkeit auf Kosten der sofortigen Konsistenz.

Beispiel: In einem Online-Shop könnte eine Änderung der Produktverfügbarkeit auf einem Server schneller angezeigt werden als auf anderen, doch nach einer Weile wird sichergestellt, dass alle Server denselben Status haben.

ACID vs. BASE – Die Unterschiede

Wann sollte man ACID oder BASE wählen?

• ACID ist die bevorzugte Wahl, wenn Datenintegrität und Transaktionssicherheit absolut entscheidend sind. Typische Anwendungsfälle sind Finanzsysteme, Bestandsmanagement und andere geschäftskritische Anwendungen, bei denen Fehler oder inkonsistente Daten ernsthafte Folgen haben können.
• BASE hingegen eignet sich hervorragend für Anwendungen, die auf hohe Verfügbarkeit und schnelle Reaktionszeiten angewiesen sind, wie beispielsweise verteilte Webanwendungen, Big-Data-Prozesse oder Plattformen mit hohem Traffic, wie E-Commerce-Seiten und soziale Netzwerke. Hier kann eine gewisse Flexibilität in der Konsistenz akzeptiert werden, um die Systemleistung und Skalierbarkeit zu maximieren.

Fazit

Die Wahl zwischen ACID und BASE hängt in erster Linie von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Während ACID in traditionellen, relationalen Datenbanken unverzichtbar ist, wenn es um die Wahrung von Datenintegrität geht, bietet BASE eine flexible und skalierbare Lösung für moderne, verteilte Systeme, bei denen Verfügbarkeit und Performance im Vordergrund stehen. Beide Konzepte haben ihren Platz, und ein tiefes Verständnis der jeweiligen Vor- und Nachteile ist entscheidend, um die richtige Lösung für die spezifischen Bedürfnisse eines Systems zu finden.