목차
01. 트랜잭션
1. 트랜잭션의 개념
트랜잭션(transaction)은 하나의 작업을 수행하는 데 필요한 데이터베이스의 연산들을 모아놓은 것으로, 데이터베이스에서 논리적인 작업의 단위가 된다. 또한 데이터베이스에 장애가 발생했을 때 데이터를 복구하는 작업의 단위도 된다. 일반적으로 데이터베이스 연산은 SQL문으로 표현되므로 트랜잭션을 작업 수행에 필요한 SQL 문들의 모임으로 이해해도 좋다.
트랜잭션에 포함된 SQL문 중 하나라도 처리 과정에서 오류가 발생하면 모든 명령문의 실행을 취소하고 트랜잭션 작업 전의 데이터베이스 상태로 되돌아가게 해야 한다. 트랜잭션의 모든 명령문이 완벽하게 처리되거나 하나도 처리되지 않아야 데이터베이스가 모순이 없는 일관된 상태를 유지할 수 있다. 데이터베이스의 무결성과 일관성을 보장하려면 작업을 수행하는 데 필요한 연산들을 하나의 트랜잭션으로 제대로 정의하고 관리해야 한다.
2. 트랜잭션의 특성
트랜잭션이 성공적으로 처리되어 데이터베이스의 무결성과 일관성이 보장되려면 다음의 네 가지 특성을 꼭 만족해야 한다.
2.1 원자성 (Atomicity)
트랜잭션의 원자성은 트랜잭션을 구성하는 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 한다는 all-or-nothing 방식을 의미한다. 만약 트랜잭션을 수행하다가 장애가 발생하여 작업을 완료하지 못했다면, 지금까지 실행한 연산 처리를 모두 취소하고 데이터베이스를 트랜잭션 작업 전의 상태로 되돌려 트랜잭션의 원자성을 보장해야 한다. 트랜잭션의 원자성을 보장하면 트랜잭션을 구성하는 연산 중 일부만 처리한 결과를 데이터베이스에 반영하는 일이 없게 된다.
트랜잭션의 원자성을 보장하려면 장애가 발생했을 때 데이터베이스의 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 필요하다.
2.2 일관성 (Consistency)
트랜잭션의 일관성은 트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관된 상태를 유지해야 함을 의미한다. 즉, 트랜잭션이 수행되기 전에 데이터베이스가 일관된 상태였다면 트랜잭션의 수행이 완료된 후 결과를 반영한 데이터베이스도 또 다른 일관된 상태가 되어야 한다는 의미다.
2.3 격리성 (isolation)
트랜잭션의 격리성은 고립성이라고도 하는데, 현재 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에 다른 트랜잭션들이 접근할 수 없음을 의미한다. 일반적으로 데이터베이스 시스템에서는 여러 트랜잭션이 동시에 수행되지만 각 트랜잭션이 독립적으로 수행될 수 있도록 다른 트랜잭션의 중간 연산 결과에 서로 접근하지 못하게 한다. 이를 통해 사용자들은 트랜잭션들이 동시에 수행되는 것처럼 느끼면서도 순서대로 하나씩 수행되는 것처럼 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있다.
2.4 지속성 (durability)
트랜잭션의 지속성은 영속성이라고도 하는데, 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 어떠한 경우에도 손실되지 않고 영구적이어야 함을 의미한다. 즉, 시스템에 장애가 발생하더라도 트랜잭션 작업 결과는 없어지지 않고 데이터베이스에 그대로 남아 있어야 한다는 의미다.
트랜잭션의 지속성을 보장하려면 시스템에 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 필요하다.
2.5 트랜잭션의 특성을 지원하는 DBMS 기능
데이터베이스 관리 시스템은 트랜잭션의 네 가지 특성을 보장하기 위한 지원 기능을 제공하는데 그 관계는 다음과 같다.
3. 트랜잭션의 연산
트랜잭션의 수행과 관련하여 주로 사용되는 연산에는 다음과 같은 연산이 있다.
commit은 트랜잭션의 수행이 성공적으로 완료되었음을 선언하는 연산이다. commit 연산이 실행된 후에야 트랜잭션의 수행 결과가 데이터베이스에 반영되어 데이터베이스가 일관된 상태를 지속적으로 유지하게 된다.
rollback은 트랜잭션의 수행이 실패했음을 선언하는 연산이다. rollback 연산이 실행되면 트랜잭션이 지금까지 실행한 연산의 결과가 취소되고 트랜잭션이 수행되기 전의 상태로 돌아간다.
4. 트랜잭션의 상태
트랜잭션은 아래 다섯 가지 상태 중 하나에 속하게 된다.
■ 활동 상태 (active)
트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태를 활동 상태라고 한다. 활동 상태인 트랜잭션은 상황에 따라 부분 완료 상태나 실패 상태가 된다.
■ 부분 완료 상태 (partially committed)
트랜잭션의 마지막 연산이 실행된 직후의 상태로 트랜잭션의 모든 연산을 처리한 상태다. 모든 연산의 처리가 끝났지만 트랜잭션이 수행된 최종 결과를 데이터베이스에 아직 반영하지 않은 상태다. 따라서 아직 트랜잭션의 수행이 성공적으로 완료됐다고 볼 수 없는 상태이다.
■ 완료 상태 (committed)
트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태를 말한다. 트랜잭션이 완료 상태가 되면 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영하고, 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료된다.
■ 실패 상태 (failed)
하드웨어나 소프트웨어의 문제, 트랜잭션 내부의 오류 등 여러 이유로 인해 장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태를 말한다. 트랜잭션을 더는 정상적으로 수행할 수 없을 때 실패 상태가 된다.
■ 철회 상태 (aborted)
트랜잭션을 수행하는 데 실패하여 rollback 연산을 실행한 상태를 말한다. 트랜잭션이 철회 상태가 되면 지금까지 실행한 트랜잭션의 연산을 모두 취소하고 트랜잭션이 수행되기 전의 데이터베이스 상태로 되돌리면서 트랜잭션이 종료된다.
02. 장애와 회복
트랜잭션의 특성을 보장하고, 데이터베이스를 모순이 없는 일관된 상태로 유지하기 위해 데이터베이스 관리 시스템은 회복 기능을 제공한다. 회복(recovery)은 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 일관된 상태로 복구시키는 것이다.
1. 장애의 유형
시스템이 제대로 동작하지 않는 상태를 장애(failure)라고 한다. 장애는 다음과 같이 세 가지 유형으로 분류할 수 있다.
유형 | 설명 | |
트랜잭션 장애 | 의미 | 트랜잭션 수행 중 오류가 발생하여 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태 |
원인 | 트랜잭션의 논리적 오류, 잘못된 데이터 입력, 시스템 자원의 과다 사용 요구, 처리 대상 데이터의 부재 등 | |
시스템 장애 | 의미 | 하드웨어의 결함으로 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태 |
원인 | 하드웨어 이상으로 메인 메모리에 저장된 정보가 손실되거나 교착 상태가 발생한 경우 등 | |
미디어 장애 | 의미 | 디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태 |
원인 | 디스크 헤드의 손상이나 고장 등 |
2. 데이터베이스의 저장 연산
일반적으로 데이터베이스는 비휘발성 저장 장치인 디스크에 상주한다. 하지만 트랜잭션이 데이터베이스의 데이터를 처리하려면, 데이터를 디스크에서 메인 메모리로 가져와 이를 처리한 후 그 결과를 다시 디스크로 보내는 작업이 필요하다.
디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 대개 블록(block) 단위로 수행된다. 디스크에 있는 블록을 디스크 블록이라 하고 메인 메모리에 있는 블록은 버퍼 블록이라 한다. 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 다음 두 연산으로 수행된다.
사용자의 요구에 따라 응용 프로그램에서 트랜잭션의 수행을 지시하면 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터를 프로그램의 변수로 가져오고, 데이터 처리 결과를 저장한 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록으로 옮기는 작업이 추가로 필요하다. 메인 메모리의 버퍼 블록과 프로그램 변수 간의 데이터 이동은 다음 두 연산으로 수행된다.
응용 프로그램이 실행한 트랜잭션을 수행하는 데 필요한 데이터 이동 연산들의 관계는 다음과 같다.
3. 회복 기법
회복은 데이터베이스에 장애가 발생했을 때 장애가 발생하기 전의 모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것으로, DBMS에 있는 회복 관리자가 담당한다. 회복 관리자는 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스의 복구 기능을 제공한다. 데이터베이스를 복구하는 동안에는 접근할 수 없으므로, 데이터베이스를 회복시키는 작업은 빠른 시간 내에 이루어져야 한다.
3.1 회복을 위한 연산
데이터베이스 회복의 핵심 원리는 데이터 중복이다. 데이터를 별도의 장소에 미리 복사해두고, 장애로 문제가 발생했을 때 복사본을 이용해 원래의 상태로 복원하는 것이다. 복사본을 만드는 방법은 다음과 같이 덤프와 로그가 있다.
덤프 방법은 하루에 한 번 또는 한 달에 한 번과 같이 미리 정해진 주기에 따라 수행한다. 그리고 디스크와 같이 비휘발성 저장 장치에 데이터베이스 복사본을 저장한다.
장애가 발생했을 때, 덤프나 로그 방법으로 중복 저장한 데이터를 이용해 데이터베이스를 복구하는 가장 기본적인 방법은 redo나 undo 연산을 실행하는 것이다. 두 연산은 다음과 같다.
로그는 데이터베이스에 대한 변경 연산과 관련하여, 데이터를 변경하기 이전의 값과 변경한 이후의 값을 기록한 것이다. 로그를 저장한 파일을 로그 파일이라고 하는데, 로그 파일은 레코드 단위로 기록된다. 데이터베이스에 대한 변경 연산은 트랜잭션 단위로 실행되므로 로그 레코드도 트랜잭션의 수행과 함께 기록된다. 로그는 데이터베이스 회복 작업을 수행하기 위해 필요한 중요한 정보를 가지고 있으므로 데이터 손실이 발생하지 않는 저장 장치에 저장해둔다.
DBMS에는 다양한 회복 기법들이 존재한다. 위에서 말한 redo와 undo는 DBMS가 실제로 적용하는 아래의 회복 기법에서 주요 연산으로 사용된다.
3.2 로그 회복 기법
로그 회복 기법은 데이터를 변경한 연산 결과를 데이터베이스에 반영하는 시점에 따라 즉시 갱신 회복 기법과 지연 갱신 회복 기법으로 나눈다.
■ 즉시 갱신 회복 기법
즉시 갱신 회복 기법은 트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영한다. 그리고 장애 발생에 대비하기 위해 데이터 변경에 대한 내용을 로그 파일에도 기록한다. 데이터베이스 회복 시 로그를 정상적으로 사용하려면, 트랜잭션에서 데이터 변경 연산이 실행되었을 때 로그 파일에 로그 레코드를 먼저 기록한 후 데이터베이스에 변경 연산을 반영해야 한다.
장애가 발생하면 로그 파일에 기록된 내용을 참조하여, 장애 발생 시점에 따라 redo나 undo 연산을 실행하여 데이터베이스를 복구한다. 어떤 연산을 실행할 것인지는 아래 그림의 기준에 따라 결정한다.
■ 지연 갱신 회복 기법
지연 갱신 회복 기법은 트랜잭션이 수행되는 동안에는 데이터 변경 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영하지 않고 로그 파일에만 기록해두었다가, 트랜잭션이 부분 완료된 후에 로그에 기록된 내용을 이용해 데이터베이스에 한 번에 반영한다. 트랜잭션이 수행 되는 동안 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 된다.
undo 연산은 필요 없고 redo 연산만 필요하므로 로그 레코드에 변경 이전 값을 기록할 필요가 없다.
장애가 발생했을 때의 조치는 아래 사진의 기준에 따라 결정된다.
3.3 검사 시점 회복 기법
검사 시점 회복 기법은 로그 회복 기법과 같은 방법으로 로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint)을 만들어둔다. 그리고 장애가 발생하면 가장 최근 검사 시점 이전의 트랜잭션에는 회복 작업을 수행하지 않고, 이후의 트랜잭션에만 회복 작업을 수행한다. 검사 시점 회복 기법을 이용하면 회복 작업의 범위가 검사 시점으로 정해지므로 불필요한 회복 작업을 수행하지 않아 데이터베이스 회복 시간이 단축된다는 장점이 있다.
3.4 미디어 회복 기법
미디어 회복 기법은 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사해두는 덤프를 이용한다. 디스크 장애가 발생하면 가장 최근에 복사해둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 일관된 데이터베이스 상태로 복구한다. 그런 다음 필요에 따라 로그의 내용을 토대로 redo 연산을 실행한다.
전체 데이터베이스를 다른 저장 장치에 복사하는 것은 비용이 많이 들고 복사하는 동안에 트랜잭션 수행을 중단해야 하므로 CPU가 낭비된다는 단점이 있다.
03. 병행 제어
1. 병행 수행과 병행 제어
DBMS는 여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션이 동시에 수행되는 병행 수행(concurrency)을 지원한다. 병행 수행은 여러 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 방식(인터리빙 방식)으로 진행된다. 하지만 여러 트랜잭션이 같은 데이터에 접근하여 변경 연산을 실행할 때 예상치 못한 결과가 나타날 수도 있다.
병행 수행에서 문제가 발생하지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 트랜잭션의 수행을 제어하는 것을 병행 제어(concurrency control) 또는 동시성 제어라고 한다.
2. 병행 수행의 문제
2.1 갱신 분실 (lost update)
갱신 분실은 하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것이다.
2.2 모순성 (inconsistency)
모순성은 하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것이다. 예를 들어 어떤 연산은 현재의 트랜잭션이 실행되기 전 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 실행하고, 또 다른 연산은 다른 트랜잭션이 변경한 데이터베이스에서 데이터를 가져와 실행하면 모순성의 문제가 발생할 수 있다.
2.3 연쇄 복귀 (cascading rollback)
연쇄 복귀는 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생하여 rollback 연산을 수행하면, 이 트랜잭션이 장애 발생 전에 변경한 데이터를 가져가 변경 연산을 실행한 또 다른 트랜잭션에도 rollback 연산을 연쇄적으로 실행해야 한다는 것이다. 그런데 장애가 발생한 트랜잭션이 rollback 연산을 실행하기 전에, 변경한 데이터를 가져가 사용한 다른 트랜잭션이 수행을 완료해버리면 rollback 연산을 실행할 수 없어 큰 문제가 발생하게 된다.
3. 트랜잭션 스케줄
트랜잭션 스케줄은 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서다. 트랜잭션 스케줄은 다음과 같이 세 가지 유형으로 구분할 수 있다.
3.1 직렬 스케줄 (serial schedule)
인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시킨다. 모든 트랜잭션은 자신이 완료될때까지 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 독립적으로 수행된다. 따라서 직렬 스케줄은 항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻는다.
하지만 이는 병행 수행이라고 할 수 없기 때문에 일반적으로 잘 사용하지 않는다.
3.2 비직렬 스케줄 (nonserial schedule)
인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션을 병행해서 수행시킨다. 트랜잭션이 돌아가면서 연산들을 실행하기 때문에 하나의 트랜잭션이 완료되기 전에 다른 트랜잭션의 연산이 실행될 수 있다. 병행 수행으로 인해 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있어 최종 수행 결과의 정확성을 보장할 수 없다.
트랜잭션의 연산들을 실행하는 순서에 따라 다양한 비직렬 스케줄이 만들어질 수 있다. 때에 따라서 잘못된 결과를 생성하는 비직렬 스케줄도 있기 때문에 어떤 비직렬 스케줄을 선택하여 트랜잭션들을 수행하느냐가 중요하다.
3.3 직렬 가능 스케줄 (serializable schedule)
직렬 스케줄에 따라 수행한 것과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄이다. 모든 비직렬 스케줄이 직렬 가능한 것은 아니다. 비직렬 스케줄 중에서 수행 결과가 동일한 직렬 스케줄이 없는 것들은 결과의 정확성을 보장할 수 없으므로 직렬 가능 스케줄이 아니다.
직렬 가능 스케줄은 인터리빙 방식을 이용하여 여러 트랜잭션을 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻는 다는 점에서 직렬 스케줄과는 다르다.
대부분의 DBMS에서는 직렬 가능 스케줄인지를 검사하기보다는 직렬 가능성을 보장하는 병행 제어 기법을 사용한다.
4. 병행 제어 기법
병행 제어 기법은 여러 트랜잭션을 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있는 직렬 가능성을 보장받기 위해 사용한다. 기본 원리는 모든 트랜잭션이 따르면 직렬 가능성이 보장되는 나름의 규약을 정의하고, 트랜잭션들이 이 규약을 따르도록 하는 것이다. 스케줄 내의 모든 트랜잭션이 병행 제어 기법에서 정의한 규약을 따르면 해당 스케줄은 직렬 가능성을 보장할 수 있다.
4.1 로킹 기법의 개념
로킹 기법은 병행 수행되는 트랜잭션들이 동일한 데이터에 동시에 접근하지 못하도록 lock과 unlock이라는 2개의 연산을 이용해 제어한다. 로킹 기법의 기본 원리는 한 트랜잭션이 먼저 접근한 데이터에 대한 연산을 모두 마칠 때까지, 해당 데이터에 다른 트랜잭션이 접근하지 못하도록 상호 배제(mutual exclusion)하여 직렬 가능성을 보장하는 것이다.
lock 연산은 트랜잭션이 사용할 데이터에 대한 독점권을 가지기 위해 사용한다. 반대로 unlock 연산은 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 반납하기 위해 사용한다.
모든 트랜잭션이 지켜야 하는 기본 로킹 규약을 알아보자. 트랜잭션이 데이터에 read 또는 write 연산을 실행하기 전에 반드시 lock 연산을 실행해야 한다. 하지만 다른 트랜잭션이 이미 lock 연산을 실행한 데이터에는 다시 lock 연산이 실행될 수 없다. 트랜잭션이 lock 연산을 통해 독점권을 획득한 데이터에 대한 모든 연산을 수행하고 나면 unlock 연산을 실행해서 독점권을 반납해야 한다. 그래야 다른 트랜잭션이 해당 데이터에 접근할 수 있다. 그리고 데이터에 lock 연산을 실행한 트랜잭션만 해당 데이터에 unlock 연산을 실행할 수 있다. 즉, 데이터에 대한 독점권을 부여받은 트랜잭션만 해당 데이터에 독점권을 반납할 수 있으므로 다른 트랜잭션에 독점권을 뺏기지 않는다.
lock 연산을 실행하는 대상 데이터의 크기를 로킹 단위라고 한다. lock 연산은 크게는 전체 데이터베이스부터 작게는 속성에 이르기까지 다양한 크기의 데이터를 대상으로 실행할 수 있다. 로킹 단위가 커질수록 병행성은 낮아지지만 제어가 쉽고, 로킹 단위가 작아질수록 제어가 어렵지만 병행성은 높아진다. 그러므로 시스템에 따라 적절한 로킹 단위를 선택하는 것이 중요하다.
기본 로킹 기법을 사용하면 병행 수행을 제어하는 목표는 이룰 수 있지만 너무 엄격한 제약으로 인해 어떤 순간이든 데이터에 대한 독점권을 하나의 트랜잭션만 가지게 된다. write 연산을 실행할 때는 다른 트랜잭션이 방해하지 못하도록 독점권을 가져야 하지만 데이터를 단순히 읽어오기만 하는 read 연산의 경우, 다른 트랜잭션이 같은 데이터에 동시에 read 연산을 실행해도 문제가 생기지는 않는다. 같은 데이터에 트랜잭션들이 read 연산을 동시에 실행하는 것을 허용하도록 lock 연산을 아래와 같이 두 종류로 구분할 수 있다.
공용 lock과 전용 lock 연산 사이의 양립성은 아래 표와 같다. 양립 가능하다는 것은 서로 다른 트랜잭션이 같은 데이터에 공용 lock 연산을 동시에 실행할 수 있다는 뜻이다.
하지만 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 보장하려면 기본 로킹 규약으로는 부족하고, lock과 unlock 연산을 실행하는 시점에 대한 새로운 규약이 추가로 필요하다. 이것이 바로 2단계 로킹 규약이다.
4.2 2단계 로킹 규약
기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해 lock과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새로운 규약을 추가한 것이 2단계 로킹 규약이다. 이를 준수하면 해당 스케줄은 직렬 가능성이 보장된다. 모든 트랜잭션은 lock과 unlock 연산을 다음과 같이 2단계로 나누어 실행해야 한다.
트랜잭션이 처음에 수행되면 확장 단계로 들어가 lock 연산만 실행할 수 있다. 그러다가 unlock 연산을 실행하면 축소 단계로 들어가 그때부터는 unlock 연산만 실행할 수 있게 된다. 2단계 로킹 규약을 준수하는 트랜잭션은 첫 번째 unlock 연산을 실행하기 전에 필요한 모든 단계 lock 연산을 실행해야 한다.
2단계 로킹 규약을 적용하면 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 보장할 수 있다. 하지만 교착상태(deadlock)가 발생할 수 있어 이에 대한 해결책이 필요하다. 교착 상태는 처음부터 발생하지 않도록 예방하거나, 발생했을 때 빨리 탐지하여 필요한 조치를 취하는 방법으로 해결할 수 있다.
Reference
데이터베이스 개론 - 교보문고
[요약]①데이터베이스 기초 이론 : 1장에서 데이터베이스를, 2장에서 DBMS를 소개합니다. 3장에서는 이들을 조합한 데이터베이스 시스템을 소개합니다.②데이터 모델과 연산 : 4장에서 데이터 모
www.kyobobook.co.kr
댓글