[DB] 트랜잭션과 무결성

트랜잭션이란?

데이터베이스에서 하나의 논리적 기능을 수행하기 위한 작업의 단위

데이터베이스에 접근하는 방법은 쿼리이므로, 즉 여러 개의 쿼리들을 하나로 묶는 단위를 말한다. 이에 대한 특징은 원자성, 일관성, 독립성, 지속성이 있으며 이를 한꺼번에 ACID 특징이라고 한다.

원자성

"all or nothing"

원자성(atomicity)은 트랜잭션과 관련된 일이 모두 수행되었거나 되지 않았거나를 보장하는 특징이다. 예를 들어 트랜잭션을 커밋했는데, 문제가 발생하여 롤백하는 경우 그 이후에 모두 수행되지 않음을 보장하는 것을 말한다.

또한, 트랜잭션 단위로 여러 로직들을 묶을 때 외부 API를 호출하는 것이 있으면 안 된다. 만약 있다면 롤백이 일어났을 때 어떻게 해야 할 것인지에 대한 해결 방법이 있어야 하고 트랜잭션 전파를 신경 써서 관리해야 한다.

커밋과 롤백
커밋(commit)은 여러 쿼리가 성공적으로 처리되었다고 확정하는 명령어이다. 트랜잭션 단위로 수행되며 변경된 내용이 모두 영구적으로 저장되는 것을 말한다. "커밋이 수행되었다."를 "하나의 트랜잭션이 성공적으로 수행되었다."라고도 말한다.

update, insert, delete의 쿼리가 하나의 트랜잭션 단위로 수행되고 이후에 데이터베이스에 영구 저장된다.

하지만 에러나 여러 이슈 때문에 트랜잭션 전으로 돌려야 한다면 어떻게 해야 할까?

이때 사용하는 것이 롤백이다. 롤백이란 트랜잭션으로 처리한 하나의 묶음 과정을 일어나기 전으로 돌리는 일(취소)을 말한다.

이러한 커밋과 롤백 덕에 데이터의 무결성이 보장된다. 또한, 데이터 변경 전에 변경 사항을 쉽게 확인할 수 있고 해당 작업을 그룹화할 수 있다.

트랜잭션 전파
트랜잭션을 수행할 때 커넥션 단위로 수행하기 때문에 커넥션 객체를 넘겨서 수행해야 한다. 하지만 이를 매번 넘겨주기가 어렵기도 하고 귀찮다. 이를 넘겨서 수행하지 않고 여러 트랜잭션 관련 메서드의 호출을 하나의 트랜잭션에 묶이도록 하는 것을 트랙잭션 전파라고 한다.

@Service
@Transactional(readOnly = true)
public class MemberService {
	private final MemberRepository memberRepository;
    
    public MemberService(MemberRepository memberRepository) {
    	this.memberRepository = memberRepository;
    }
}

앞의 코드처럼 Spring 프레임워크에서는 @Transactional 애너테이션을 통해 여러 쿼리 관련 코드들을 하나의 트랜잭션으로 처리한다.

일관성

일관성(consistency)은 '허용된 방식'으로만 데이터를 변경해야 하는 것을 의미한다. 데이터베이스에 기록된 모든 데이터는 여러 가지 조건, 규칙에 따라 유효함을 가져야 한다. 예를 들어 홍철이는 1000만 원이 있고 범석이는 0원이 있다고 치자. 범석이가 나한테 500만 원을 입금할 수 있을까? 불가능하다. 0원으로부터 500만 원이 나오는 것은 불가능하다.

격리성

격리성(isolation)은 트랜잭션 수행 시 서로 끼어들지 못하는 것을 말한다. 복수의 병렬 트랜잭션은 서로 격리되어 마치 순차적으로 실행되는 것처럼 작동되어야 하고, 데이터베이스는 여러 사용자가 같은 데이터에 접근할 수 있어야 한다.

격리성은 여러 개의 격리 수준으로 나뉘어 격리성을 보장한다.

격리 수준은 SERIALIZABLE, REPEATABLE_READ, READ_COMMITTED, READ_UNCOMMITTED가 있으며 위로 갈수록 동시성이 강해지지만 격리성은 약해지고, 아래로 갈수록 동시성은 약해지고 격리서은 강해진다.

REPEATABLE_READ는 팬텀 리드, READ_COMMITTED는 팬텀 리드, 반복 가능하지 않은 조회가 발생하며, READ_UNCOMMITTED는 팬텀 리드, 반복 가능하지 않은 조회, 더티 리드가 발생할 수도 있다.

격리 수준에 따라 발생하는 현상

• 팬텀 리드
  팬텀리드(phantom read)는 한 트랜잭션 내에서 동일한 쿼리를 보냈을 때 해당 조회 결과가 다른 경우를 말한다.
  예를 들어 사용자 A가 회원 테이블에서 age가 12 이상인 회원들을 조회하는 쿼리를 보낸다고 했을 때, 이 결과로 세 개의 테이블이 조회된다고 해보자. 그 다음 사용자 B가 age가 15인 회원 레코드를 삽입한다. 그러면 그다음 세 개가 아닌 네 개의 테이블이 조회되는 것이다.

• 반복 가능하지 않은 조회
  반복 가능하지 않은 조회(non-repeatable read)는 한 트랜잭션 내의 같은 행에 두 번 이상 조회가 발생했는데, 그 값이 다른 경우를 가리킨다. 예를 들어 사용자 A가 큰돌의 보석 개수가 100개라는 값을 가진 데이터였는데, 그 이후 사용자 B가 그 값을 1로 변경해서 커밋했다고 하면 사용자 A는 100이 아닌 1을 읽게 된다.

• 더티 리드
  더티 리드(dirty read)는 반복 가능하지 않은 조회와 유사하며 한 트랜잭션이 실행 중일 때 다른 트랜잭션에 의해 수정되었지만 아직 '커밋되지 않은' 행의 데이터를 읽을 수 있을 때 발생한다. 예를 들어 사용자 A가 큰돌의 보석 개수 100을 1로 변경한 내용이 '커밋되지 않은' 상태라도 그 이후 사용자 B가 조회한 결과가 1로 나오는 경우를 말한다.

격리 수준

• SERIALIZABLE
  SERIALIZABLE은 말 그대로 트랜잭션을 순차적으로 진행시키는 것을 말한다. 여러 트랜잭션이 동시에 같은 행에 접근할 수 없다. 이 수준은 매우 엄격한 수준으로 해당 행에 대해 격리시키고, 이후 트랜잭션이 이 행에 대해 일어난다면 기다려야 한다. 그렇기 때문에 교착 상태가 일어날 확률도 많고 가장 성능이 떨어지는 격리 수준이다.

• REPEATABLE_READ
  REPEATABLE_READ는 하나의 트랜잭션이 수정한 행을 다른 트랜잭션이 수정할 수 없도록 막아주지만 새로운 행을 ㅜㅊ가하는 것은 막지 않는다. 따라서 이후에 추가된 행이 발견될 수도 있다.

• READ_COMMITTED
  READ_COMMITTED는 가장 많이 사용되는 격리 수준이며 MySQL8.0, PostgreSQL, SQL Server, 오라클에서 기본값으로 설정되어 있다. READ_UNCOMMITTED와는 달리 다른 트랜잭션이 커밋하지 않은 정보는 읽을 수 없다. 즉, 커밋 완료된 데이터에 대해서만 조회를 허용한다.
  하지만 어떤 트랜잭션이 접근한 행을 다른 트랜잭션이 수정할 수 있다. 예를 들어 트랜잭션 A가 수정한 행을 트랜잭션 B가 수정할 수도 있다. 이 때문에 트랜잭션 A가 같은 행을 다시 읽을 때 다른 내용이 발견될 수도 있다.

• READ_UNCOMMITTED
  READ_UNCOMMITTED는 가장 낮은 격리 수준으로, 하나의 트랜잭션이 커밋되기 이전에 다른 트랜잭션에 노출되는 문제가 있지만 가장 빠르다. 이는 데이터 무결서을 위해 되도록이면 사용하지 않는 것이 이상적이나, 몇몇 행이 제대로 조회되지 않더라도 괜찮은 거대한 양의 데이터를 '어림잡아' 집계하는 데는 사용하면 좋다.

지속성

지속성(durability)은 성공적으로 수행된 트랜잭션은 영원히 반영되어야 하는 것을 의미한다. 이는 데이터베이스에 시스템 장애가 발생해도 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 있어야 함을 뜻하며, 데이터 베이스는 이를 위해 체크섬, 저널링, 롤백 등의 기능을 제공한다.

• 체크섬
  중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법
• 저널링
  파일 시스템 또는 시스템에 변경 사항을 반영(commit)하기 전에 로깅하는 것, 트랜잭션 등 변경 사항에 대한 로그를 남기는 것

무결성이란?

무결성이란 데이터의 정확성, 일관성, 유효성을 유지하는 것을 말하며, 무결성이 유지되어야 데이터베이스에 저장된 데이터 값과 그 값에 해당하는 현실 세계의 실제 값이 일치하는지에 대한 신뢰가 생긴다. 무결성의 종류는 다음과 같다.

이름	설명
개체 무결성	기본키로 선택된 필드는 빈 값을 허용하지 않는다.
참조 무결성	서로 참조 관계에 있는 두 테이블의 데이터는 항상 일관된 값을 유지해야 한다.
고유 무결성	특정 속성에 대해 고유한 값을 가지도록 조건이 주어진 경우 그 속성 값은 모두 고유한 값을 가진다.
NULL 무결성	특정 속성 값에 NULL이 올 수 없다는 조건이 주어진 경우 그 속성 값은 NULL이 될 수 없다는 제약 조건이다.

출처
면접을 위한 CS 전공지식 노트