[Database] MVCC(다중 버전 동시성 제어)란?

오늘은 단일 쿼리로는 해결할 수 없는 로직을 처리할 때 필요한 개념인 트랜잭션에 대해 알아보고, Spring에서 어떻게 활용하는지 확인해보도록 하겠습니다.

 

 

 

1. 동시성 제어(Concurrency Control)

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[ 동시성 제어(Concurrency Control)이란? ]

동시성 제어란 DBMS가 다수의 사용자 사이에서 동시에 작용하는 다중 트랜잭션의 상호간섭 작용에서 Database를 보호하는 것을 의미한다. 일반적으로 동시성을 허용하면 일관성이 낮아지게 되며 이를 그래프로 나타내면 아래와 같다.

 

다수 사용자의 동시 접속을 위해 DBMS는 동시성 제어를 할 수 있도록 Lock 기능과 SET TRANSACTION 명령어를 이용해 트랜잭션의 격리성 수준을 조정할 수 있는 기능도 제공한다. 이렇게 동시성을 제어하는 방법에는 낙관적 동시성 제어와 비관적 동시성 제어가 있다.

 

 

 

낙관적 동시성 제어(Optimistic Concurrency Control)

• 사용자들이 같은 데이터를 동시에 수정하지 않을 것이라고 가정
• 데이터를 읽는 시점에 Lock을 걸지 않는 대신 수정 시점에 값이 변경됐는지를 반드시 검사

 

 

 

비관적 동시성 제어(Pessimistic Concurrency Control)

• 사용자들이 같은 데이터를 동시에 수정할 것이라고 가정
• 데이터를 읽는 시점에 Lock을 걸고, 트랜잭션이 완료될 때까지 이를 유지
• SELECT 시점에 Lock을 거는 비관적 동시성 제어는 시스템의 동시성을 심각하게 떨어뜨릴 수 있어서 wait 또는 nowait 옵션과 함께 사용해야 함

 

동시성 제어의 목표는 동시에 실행되는 트랜잭션 수를 최대화 하면서 입력, 수정, 삭제, 검색 시 데이터의 무결성을 유지하는데 있다. 따라서 동시 업데이트가 거의 없는 경우라면 낙관적 잠금을 사용하면 되지만, 그렇지 않다면 비관적 제어를 사용해야 한다.

 

 

 

 

[ 공유락(Shared Lock)과 배타락(Exclusive Lock) ]

비관적 동시성 제어를 위한 대표적인 방법으로 Lock이 있는데, 크게 공유락(Shared Lock)과 배타락(Exclusive Lock)이 있다.

• 공유락(Shared Lock): 읽기 잠금
• 배타락(Exclusive Lock): 쓰기 잠금

 

 

동일한 레코드에 대해 각각 공유락과 배타락을 가져간 경우의 동작은 다음과 같다.

• 1번 트랜잭션이 공유락을 가져간 경우
  • 2번 트랜잭션이 데이터를 읽는 경우는 데이터가 일관되므로, 2번 트랜잭션이 또 다른 공유락을 가져가면서 동시에 처리함
  • 2번 트랜잭션이 데이터를 쓰는 경우는 1번 트랜잭션과 데이터가 달라질 수 있므로 1번 트랜잭션 종료까지 기다려야 함
• 1번 트랜잭션이 배타락을 가져간 경우
  • 2번 트랜잭션이 데이터를 읽는 경우, 1번 트랜잭션이 데이터를 변경할 수 있으므로 기다림
  • 2번 트랜잭션이 데이터를 쓰는 경우에도, 1번 트랜잭션이 데이터를 변경할 수 있으므로 기다림

 

참고로 획득한 락을 해제하는 방법은 결국 커밋과 롤백 밖에 없다.

 이러한 방식의 일반적인 Locking 메커니즘은 구현이 간단한 반면에 아래와 같은 문제점을 가지고 있다.

 

 

 

[ Locking 메커니즘의 문제점 ]

• 읽기 작업과 쓰기 작업이 서로 방해를 일으키기 때문에 동시성 문제가 발생
• 데이터 일관성에 문제가 생기는 경우도 있어서 Lock을 더 오래 유지하거나 테이블 레벨의 Lock을 사용해야 하고, 동시성 저하가 발생

 

이러한 문제점들을 해결하기 위해 MVCC라는(Multi-Version Concurrency Control, 다중 버전 동시성 제어)이 탄생하게 되었다.

 

 

 

 

 

2. MVCC(Multi-Version Concurrency Control, 다중 버전 동시성 제어)

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[ MVCC(Multi-Version Concurrency Control) 이란? ]

MVCC는 동시 접근을 허용하는 데이터베이스에서 동시성을 제어하기 위해 사용하는 방법 중 하나이다.

MVCC는 원본의 데이터와 변경중인 데이터를 동시에 유지하는 방식으로, 원본 데이터에 대한 Snapshot을 백업하여 보관한다. 만약 두 가지 버전의 데이터가 존재하는 상황에서 새로운 사용자가 데이터에 접근하면 데이터베이스의 Snapshot을 읽는다. 그러다가 변경이 취소되면 원본 Snapshot을 바탕으로 데이터를 복구하고, 만약 변경이 완료되면 최종적으로 디스크에 반영하는 방식으로 동작한다.

결국 MVCC는 스냅샷을 이용하는 방식으로, 기존의 데이터를 덮어 씌우는게 아니라 기존의 데이터를 바탕으로 이전 버전의 데이터와 비교해서 변경된 내용을 기록한다. 이렇게 해서 하나의 데이터에 대해 여러 버전의 데이터가 존재하게 되고, 사용자는 마지막 버전의 데이터를 읽게 된다. 이러한 구조를 지닌 MVCC의 특징을 정리하면 아래와 같다.

• 일반적인 RDBMS보다 매우 빠르게 작동
• 사용하지 않는 데이터가 계속 쌓이게 되므로 데이터를 정리하는 시스템이 필요
• 데이터 버전이 충돌하면 애플리케이션 영역에서 이러한 문제를 해결해야 함

 

 

MVCC의 접근 방식은 잠금을 필요로 하지 않기 때문에 일반적인 RDBMS보다 매우 빠르게 작동한다. 또한 데이터를 읽기 시작할 때, 다른 사람이 그 데이터를 삭제하거나 수정하더라도 영향을 받지 않고 데이터를 사용할 수 있다. 대신 사용하지 않는 데이터가 계속 쌓이게 되므로 데이터를 정리하는 시스템이 필요하다. MVCC 모델은 하나의 데이터에 대한 여러 버전의 데이터를 허용하기 때문에 데이터 버전이 충돌될 수 있으므로 애플리케이션 영역에서 이러한 문제를 해결해야 한다. 또한 UNDO 블록 I/O, CR Copy 생성, CR 블록 캐싱 같은 부가적인 작업의 오버헤드 발생한다. 이러한 구조의 MVCC는 문장수준과 트랜잭션 수준의 읽기 일관성이 존재한다.

 

 

 

[ MySQL에서의 MVCC(Multi-Version Concurrency Control) ]

MySQL의 InnoDB에서는 Undo Log를 활용해 MVCC 기능을 구현한다. 이해를 위해 실제 쿼리문 예시를 가지고 살펴보도록 하자. 

예를 들어 아래와 같은 CREATE 쿼리문이 실행되었다고 하자.

CREATE TABLE member (
    id INT NOT NULL,
    name VARCHAR(20) NOT NULL,
    area VARCHAR(100) NOT NULL,
    PRIMARY KEY(m_id),
    INDEX idx_area(area)
)

INSERT INTO member(id, name, area) VALUES (1, "MangKyu", "서울");

 

 

그러면 데이터는 다음과 같은 상태로 저장이 된다. 메모리와 디스크에 모드 해당 데이터가 동일하게 저장되는 것이다.

 

 

그리고 다음과 같은 UPDATE 문을 실행시켰다고 하자.

UPDATE member SET area = "경기" WHERE id = 1;

 

 

UPDATE 문이 실행된 결과를 그림으로 표현하면 다음과 같다. 먼저 COMMIT 실행 여부와 무관하게 InnoDB 버퍼 풀은 새로운 값으로 갱신된다. 그리고 Undo 로그에는 변경 전의 값들만 복사된다. 그리고 InnoDB 버퍼 풀의 내용은 백그라운드 쓰레드를 통해 디스크에 기록되는데, 디스크에도 반영되었는지 여부는 시점에 따라 다를 수 있어서 ?로 표시해두었다. 

 

 

COMMIT이나 ROLLBACK이 호출되지 않은 상태에서 다른 사용자가 아래와 같은 쿼리로 데이터를 조회하면 어떤 결과가 반환될까? 

SELECT * FROM member WHERE id = 1;

 

 

그 결과는 트랜잭션의 격리 수준(Isolation Level)에 따라 다르다. 만약 커밋되지 않은 내용도 조회하도록 해주는 READ_UNCOMMITTED라면 버퍼 풀의 데이터를 읽어서 반환하며, 이는 커밋 여부와 무관하게 변경된 데이터를 읽어 반환하는 것이다.

만약 READ_COMMITED 이나 그 이상의 격리 수준(REPEATABLE_READ, SERIALIZABLE)이라면 변경되기 이전의 Undo 로그 영역의 데이터를 반환하게 된다. 이것이 가능한 이유는 하나의 데이터에 대해 여러 버전을 관리하는 MVCC 덕분이다.

여기서 Undo Log 영역의 데이터는 커밋 혹은 롤백을 호출하여 InnoDB 버퍼풀도 이전의 데이터로 복구되고, 더 이상 언두 영역을 필요로 하는 트랜잭션이 더는 없을 때 비로소 삭제된다.

 

 

 

 

참고자료

• https://kslee7746.tistory.com/entry/SQLP-동시성-제어
• https://www.joinc.co.kr/w/man/12/MVCC
• http://www.gurubee.net/lecture/2398
• RealMySQL 8.0 4장 아키텍처