DataBase - Transaction

dev_hwan·2023년 3월 16일

Database Transcation mysql 기술면접 면접 면접준비 백엔드 트랜잭션

1. 트랜잭션이란

데이터베이스의 상태를 변환시키는 하나의 논리적인 작업 단위

2. 트랜잭션의 성질(ACID)

원자성(Atomicity)
- 트랜잭션의 작업이 부분적으로 실행되거나 중단 될 수 없다.
- 트랜잭션의 모든 연산들은 정상적으로 수행 완료되거나 아니면 전혀 어떠한 연산도 수행되지 않은 상태를 보장해야 한다. (All or Nothing)
일관성(Consistency)
- 트랜잭션 완료 후 일관적인 DB 상태를 유지한다.
  - ex) 데이터 타입이 정수 → 문자열이 될 수 없음.
독립성(Isolation)
- 하나의 트랜잭션이 실행하는 도중에 변경한 데이터는 이 트랜잭션이 완료될 때까지 다른 트랜잭션이 참조하지 못한다.
- 즉, 트랜잭션 끼리는 서로 간섭할 수 없다.
지속성(Durability)
- 성공적으로 수행된 트랜잭션은 영원히 반영이 된다.
- commit을 하게 되면 현재 상태는 영원히 보장된다.

2-1. 원자성을 보장하는 방법

현재 수행중인 트랜잭션에 의해 변경된 내용을 유지하면서, 이전에 commit된 상태를 임시 영역에 따로 저장함으로써 보장한다.
즉, 현재 수행하는 트랜잭션에서 오류가 발생하게 되면, 임시 영역에 저장한 데이터로 rollback을 하게 된다.

2-2. 일관성 보장

트랜잭션 수행 전, 후 데이터의 모델의 제약 조건을 만족하는 것으로 보장한다.
제약조건 : 기본키, 외래키, 도메인, 도메인 제약조건 등...

2-3. 독립성 보장

병행 처리 :
- 트랜젹션에 정해진 시간을 할당하여 작업을 하고, 정해진 시간 종료 후 다른 트랙잭션을 실행하는 방식으로 트랜잭션을 처리한다.
- 이런 경우, 공통된 데이터를 조작하게 되며, 데이터가 혼란스러워 질 수 있음.
OS의 Semaphore와 비슷한 개념으로 lock & excute unlock을 통해 고립성을 보장한다.
즉, 데이터를 읽거나 쓸 때는 다른 트랜잭션이 접근하지 못하도록 lock을 걸어 고립성을 보장하고, 수행이 종료 된 후 unlock을 통해 다른 트랜잭션이 접근 할 수 있도록 한다.
단, 이과정에서 deadlock이 발생 할 수 있음
2PL 프로토콜(2 Phase Lock Protocol)
- 2PL 프로토콜이란 여러 트랜잭션이 공유하고 있는 데이터에 동시에 접근할 수 없도록 하기위한 목적을 가진 프로토콜
- growing phase(상승단계): read_lock , write_lock
- shrinking phase(하강단계) : unlock
- 상승과 하강 단계는 섞일 수 없음 → lock과 unlock이 번갈아 수행되지 않고 lock이 수행 된 후 unlock이 수행되어야 한다.
  
  ;
즉, 트랜잭션 처리 성능을 위해 병행 처리를 사용해야함 -> 이 과정에서 독립성을 보장하기 위하여 2PL 프로토콜을 사용한다.(deadlock이 발생하지 않기 위해)
보수적 locking ( conservative locking )
- 트랜잭션이 시작되면 모든 lock을 얻는 방식으로서, 데드락이 발생하지 않지만 병행성이 좋지 못함
엄격한 locking ( strict locking )
- 트랜잭션이 commit을 만날 때까지 lock을 갖고 있다가 commit을 만날때 unlock을 하는 방식으로 데드락이 발생하지만 병행성이 좋음
- 일반적으로 병행성이 좋은 strict 방식을 사용

3. 트랜잭션 격리수준(Isolation Level)

3-1. 트랜잭션 격리 수준이란.

트랜잭션에서 일관성이 없는 데이터를 허용하도록 하는 수준
즉, 실행 중인 트랜잭션의 중간결과를 다른 트랜잭션이 접근 할 수 없다.
이러한 격리성은 강하게~약하게 처리할 수 있다.
격리수준의 종류
- READ UNCOMMITTED(dirty read)
- READ COMMITTED
- REPEATABLE READ
- SERIALIZABLE

3-2. MySQL, MariaDB의 Lock

MySQL, MariaDB 모두 InnoDB를 사용하고 있어 이를 기반으로 정리
MySQL의 Lock 레벨로는 row(행) 단위의 Lock을 기본으로 사용하며 Lock의 종류로는 공유(Shared) Lock과 배타(Exclusive) Lock을 사용

Shared Lock(S)

Row-Level Lock
select를 위한 Read Lock
Shared Lock이 걸려있는 동안 다른 트랜잭션이 해당 row에 대해 X lock 획득(exclusive write)은 불가능하지만 S lock 획득(shared read)은 가능
한 row에 대해 여러 트랜잭션이 동시에 S Lock 획득 가능

Exclusive Lock(X)

Row-level lock
write lock
exclusive lock이 걸려있으면 다른 트랜잭션이 해당 row에 대해 X, S lock을 모두 획득하지 못하고 대기해야 한다.

Record Lock(Row Lock)

Record Lock이란 row index를 기준으로 Lock을 사용합니다.
예를 들어 SELECT c1 FROM t WHERE c1 = 10 FOR UPDTAE; 행을 다른 트랜잭션이 변경 할 수 없도록 합니다.
Record Lock은 테이블에 인덱스가 정의 되지 않은 경우에도 innoDB에서 숨겨진 클러스터 인덱스를 생성하고 이를 Record Lock에 활용합니다.

Record Lock 이 설정된 것을 확인한 로그

mysql > SHOW ENGINE INNODB STATUS;

RECORD LOCKS space id 58 page no 3 n bits 72 index `PRIMARY` of table `test`.`t`
trx id 10078 lock_mode X locks rec but not gap
Record lock, heap no 2 PHYSICAL RECORD: n_fields 3; compact format; info bits 0
 0: len 4; hex 8000000a; asc     ;;
 1: len 6; hex 00000000274f; asc     ;;
 2: len 7; hex b60000019d0110; asc        ;;

Gap Lock

GAP LOCK은 인덱스 레코드 간의 GAP, 첫번째 인덱스 레코드의 앞 혹은 마지막 인덱스 레코드 뒤의 GAP에 대한 LOCK 이다.
예를 들어, 모든 기존 값 사이의 GAP이 잠겨있기 때문에 열에 해당 값이 이미 있는지 여부에 관계 없이
SELECT c1 FROM t WHERE BETWEEN 10 and 20 FOR UPDATE; 와 같은 쿼리를 실행 하였을 때 다른 트랜잭션이 이 사이에 값을 삽입하지 못하도록 한다.

Next-Key Lock

Next-Key Lock은 Record Lock 과 GAP Lock이 조합된 형태의 Lock 이다.

next_key_lock

3-3. 트랜잭션의 격리수준(Transaction Isolation)

READ UNCOMMITTED
- 각 트랜잭션의 변경 내용이 COMMIT, ROLLBACK 여부에 상관없이 다른 트랜잭션에서 보여짐 → 신뢰할 수 없는 데이터
- 데이터 베이스의 일관성을 유지 불가
- DIRTY READ현상 발생
  - 트랜잭션 작업이 완료되지 않았는데도 다른 트랜잭션에서 볼 수 있는 현상
  - A 트랜잭션에서 10번 사원의 나이를 27 → 28 로 변경, commit 하지 않음
  - B 트랜잭션에서 10번 사원의 나이를 조회 → 28로 조회됨 DIRTY READ 발생
  - 이후 A 트랜잭션에서 RollBack을 실행
  - B트랜 잭션은 28로 이미 결과를 받아서 로직을 수행
  - 데이터 정합성 문제 발생
READ COMMITTED
- 커밋이 완료된 트랜잭션의 변경사항만 다른 트랜잭션에서 조회할 수 있도록 허용하는 격리 수준
- 특정 트랜잭션에서 데이터가 변경이 되었으나, 커밋되지 않은 상태에서는 다른 트랜잭션에서는 변경전의 데이터를 읽어옴
- 변경전의 데이터는 실제 테이블에서 값을 가져오는 것이 아닌 Undo 영역에서 백업된 레코드 값을 가져옴
  
  undo log
  데이터를 변경했을 때 변경되기 전의 데이터를 보관하는 영역
  트랜잭션의 롤백 대비용, 트랜잭션의 격리 수준을 유지하면서 높은 동시성을 제공하기 위해 사용
- Oracle의 기본적인 격리수준
- Non-Repeatalbe Read 발생
  - B 트랜잭션에서 10번 사원의 나이를 조회 : 27로 조회됨
  - A 트랜잭션에서 10번 사원의 나이를 27 → 28 로 변경 후 커밋
  - B 트랜잭션에서 10번 사원의 나이를 조회 : 28로 조회됨 → 같은 트랜잭션에서 다른 값이 조회됨
REPEATABLE READ
- 트랜잭션이 완료될 때까지 SELCT 문장이 사용되는 데이터에 S Lock이 걸리는 계층
- 특정 행을 조회시 항상 같은 데이터를 응답하는 것을 보장
- 다른 사용자는 트랜잭션 영역에 해당되는 데이터에 대한 수정 불가능
- MySQL에서는 트랜잭션마다 ID를 부여하여 트랜잭션 ID 보다 작은 트랜잭션 번호에서 변경한 값만 읽음
- Undo 공간에 백업해두고 실제 레코드 값을 변경
  - 백업된 데이터는 불필요하다고 판단되는 시점에 주기적으로 삭제
  - Undo에 백업된 데이터가 많아지면 성능이 저하 될 수 있음
  - 10번 트랜잭션에서 500번 사원의 이름 조회
  - 11번 트랜잭션이 500번 사원의 이름을 변경하고 커밋
  - 10번 트랜잭션이 500번 사원의 이름을 다시 조회 : undo에 백업된 데이터 반환
- PHANTOM READ 발생
  - 다른 트랙잭션에서 수행한 변경작업에 의해 레코드가 보였다가, 안보였다가 하는 현상
  - 이를 방지하기 위해 쓰기 잠금이 필요
  - InnoDB에서는 next-key locking 알고리즘을 사용하고 있어 Repeatable Read에서도 Phantom Read를 예방
- MySQL의 기본적인 격리수준
SERIALIZABLE
- 가장 높은 수준의 격리 레벨
- 성능 측면에서는 동시 처리성능이 가장 낮음 → 잘 사용되지 않음
- InnoDB에서는 SELECT 문을 모두 SELECT... FOR SHARE 문으로 변환하여 S LOCK을 통한 LOCKING READ를 수행하게 한다.

참고자료 및 이미지 출처

dev_hwan

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