10장 회복과 병행 제어

1 트랜잭션

1-1. 트랜잭션이란?

하나의 작업을 수행하는데 필요한 데이터베이스 연산의 모음
작업 수행에 필요한 sql문들의 모임
- EX) 특히, 데이터베이스를 변경하는 INSERT, DELETE, UPDATE문의 실행을 관리
논리적인 작업의 단위
장애 발생시 복구 작업이나 병행제어 작업을 위한 중요한 단위로 사용됨
데이터베이스의 무결성과 일관성을 보장하기 위해

예시

계좌이체 트랜잭션의 경우 돈이 인출되는 UPDATE 문과 돈이 입근되는 UPDATE 문이 처리 순서는 중요하지 않지만 모두 정상적으로 실행되어야 한다.

1-2 특성 (ACID)

원자성, 일관성, 격리성, 지속성

원자성(atomicity)

트랜잭션의 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야하는 all-or-nothing방식을 의미한다.
Q. 만약 트랜잭션 수행 도중 장애가 발생한다면?
- A. 데이터베이스를 트랜잭션 작업 전 상태로 되돌려야 함 (데이터베이스를 다시 롤백해야함.)

원자성의 보장을 위해 장애 발생시 회복 기능이 필요

일관성(consistency)

트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관된 상태를 유지해야 함을 의미

'일관성 여부' 는 사용자가 판단하고 정리해야 함
'일관성이 유지되도록 트랜잭션을 정의하는 것'은 데이터베이스 개발자의 책임

격리성(isolation)

수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 다른 트랜잭션들이 중간 연산 결과에 접근할 수 없음을 의미

트랜잭션 실행 과정에서 갱신된 데이터는 트랜잭션 완료 시까지 다른 트랜잭션이 참조할 수 없음을 의미

격리성의 보장을 위해서는 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 마치 순서대로 하나씩 수행되는 것처럼 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있도록 제어하는 기능이 필요

지속성(durability)

트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 영구적이어야 함을 의미
지속성의 보장을 위해서는 장애 발생 시 회복 기능이 필요

1-3 트랜잭션의 특성을 지원하는 DBMS의 기능

원자성(all or nothing) ← 회복 기능

일관성(수행 전 후가) ← 병행 제어 기능

격리성(작업 중 접근 X) ← 병행 제어 기능

지속성(영구적) ← 회복 기능

1-4 트랜잭션의 연산

commit rollback

commit 연산

트랜잭션의 수행이 성공적으로 완료되었음을 선언하는 연산
commit 연산이 실행되면 트랜잭션의 수행 결과가 데이터베이스에 반영 되고 일관된 상태를 지속적으로 유지하게 됨

rollback 연산

트랜잭션의 수행이 실패했음을 선언하는 연산
rollback 연산이 실행되면 트랜잭션이 지금까지 실행한 연산의 결과가 취소되고 데이터베이스가 트랜잭션 수행 전의 일관된 상태로 되돌아감

1-5 트랜잭션의 상태

활동(active) 상태

트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태

부분 완료(partially committed) 상태

트랜잭션의 마지막 연산이 실행을 끝낸 직후의 상태

완료(committed) 상태

트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태
트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영하고, 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료된다.

실패 상태

장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태

철회 상태

트랜잭션의 수행 실패로 rollback 연산을 실행한 상태
지금까지 실행한 트랜잭션의 연산을 모두 취소하고 트랜잭션이 수행되기 전의 데이터베이스 상태로 되돌리면서 트랜잭션이 종료됨
철회 상태로 종료된 트랜잭션은 상황에 따라 다시 수행되거나 폐기됨

2 장애와 회복

2-1. 장애란?

장애: 시스템이 제대로 동작하지 않는 상태;

2-2. 장애의 유형

트랜잭션 장애 의미: 트랜잭션 수행 중 오류가 발생하여 정상적으로 수행이 불가능함 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 교착상태가 발생한 경우 등

미디어 장애 의미: 디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태 원인: 디스크 헤드의 손상이나 고장 등

2-3. 데이터베이스 저장 장치의 종류

휘발성volatile 저장 장치(소멸성)

장애가 발생하면 저장된 데이터가 손실됨
ex) 메인 메모리등

비휘발성nonvolatile 저장 장치(비소멸성)

장애가 발생해도 데이터 손실이 없음
디스크 헤더 손상 같은 저장 장치 자체에 이상이 발생하면 데이터가 손실 될 수 있음
ex) 디스크, 자기 테이프 CD/DVD 등

안정stable 저장 장치

비휘발성 저장 장치를 이용하여 데이터 복사본 여러개를 만드는 방법으로 어떤 장애가 발생해도 데이터가 손실 되지 않고 영구적으로 저장 가능

2-4. 데이터 이동 연산

디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동 연산 - input / output
- 트랜잭션이 데이터베이스의 데이터를 처리하기 위해서는 데이터를 디스크에서 메인 메모리로 가져와 처리한 다음 그 결과를 디스크로 보내는 작업이 필요함
- 블록(block) 단위로 수행됨
  - disk block: 디스크에 있는 블록;
  - buffer block: 메인 메모리에 있는 블록;
메인 메모리와 프로그램 변수 간의 데이터 이동 연산 - read / write
- 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 필요함

예시

2-5. 회복이란?

장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것
트랜잭션의 특성을 보장하고, 데이터베이스를 일관된 상태로 유지하기 위해 필수적인 기능
회복 관리자(recovery manager)가 담당
- 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스 복구 기능을 제공

2-6. 회복을 위한 연산과 파일

데이터 회복의 핵심 원리는 데이터 중복

데이터를 별도의 장소에 복사해두고, 문제 발생 시 복사본을 이용하여 원래의 상태로 복원하는 것

데이터베이스 회복을 위해 복사본을 만드는 두 가지 방법

덤프: 데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법;
로그: 데이터베이스에서 변경 연산이 실행 될때마다 데이터 변경 이전 값과 이후의 값을 별도의 파일에 기록하는 방법;
- 로그 파일: 데이터베이스에 대한 변경 연산과 관련하여 데이터를 변경하기 이전과 이후의 값을 기록한 파일
- 로그 레코드: 로그 파일은 레코드 단위로 트랜잭션 수행과 함께 기록
- 로그 레코드의 4가지 종류

가장 기본적인 두 가지 회복 방법

redo: 로그에 기록된 변경 연산 후의 값을 이용하여 변경 연산을 재실행한다.
undo: 로그에 기록된 변경 연산 이전의 값을 이용하여 변경 연산을 취소하는 방법으로 데이터베이스를 복구한다.

로그 기록의 예: 계좌 잔액이 10,000원인 X가 계좌 잔액이 0원인 Y에게 5,000원 이체

2-7. 회복 기법

즉시 갱신 회복 기법

트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영
장애 발생에 대비하기 위해 데이터변경에 대한 내용을 로그파일에 기록
- 데이터 변경 연산이 실행되면, 로그 파일에 로그 레코드를 먼저 기록한 다음 데이터베이스에 변경 연산을 반영
장애 발생 시점에 따라 redo나 undo 연산을 실행하여 데이터베이스를 복구

연산 적용 방법

트랜잭션 완료되기 전일 경우 (로그 파일에 <Ti, start> 레코드는 존재하지만 <Ti, commit> 레코드는 존재하지 않는 경우): 해당 트랜잭션에 undo 연산 시행
완료된 이후면 (로그 파일에 <Ti, start>과 <Ti, commit> 레코드가 모두 존재하는 경우): 해당 트랜잭션에 redo 연산 시행

지연 갱신 회복 기법

트랜잭션이 수행되는 도중 데이터 변경 연산의 결과를 (즉시 반영하지 않고) 로그에만 기록해두고, 부분 완료된 후에 로그에 기록된 내용을 이용하여 데이터베이스에 한번에 반영
트랜잭션 수행 중에 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 원래 상태를 그대로 유지하게 됨

연산 적용 방법

트랜잭션 수행 중에 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 됨
- 지역 갱신 회복 기법에서는 undo 연산은 필요없음
- 로그 레코드에 변경 이전 값을 기록할 필요가 없으므로 <T1, X, new_value> 로 레코드 형식이 변함
트랜잭션 완료되기 전일 경우 (로그 파일에 <Ti, start> 레코드는 존재하지만 <Ti, commit> 레코드는 존재하지 않는 경우): 로그 무시하고 버림
완료된 이후면 (로그 파일에 <Ti, start>과 <Ti, commit> 레코드가 모두 존재하는 경우): 해당 트랜잭션에 redo 연산 시행

검사 시점 회복 기법

로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint)을 만듦
장애가 발생 시 가장 최근 검사 시점 이전의 트랜잭션에는 회복 작업을 수행하지 않고, <checkpoint L> 로그 레코드 이후의 기록에 대해서만 회복 작업(즉시 갱신 또는 지연 갱신 회복 기법)을 이용해 수행
로그 전체를 대상으로 회복 기법을 적용할 때 발생할 수 있는 비효율성의 문제를 해결
- 검사 시점으로 작업 범위가 정해지므로 불필요한 회복 작업이 없어 시간이 단축됨

미디어 회복 기법

디스크에 발생할 수 있는 장애에 대비한 회복 기법
덤프(복사본) 이용
- 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사
디스크에 장애가 발생하면?
1. 덤프를 이용하여 장애 발생 이전의 데이터베이스 상태로 복구
2. 로그의 내용을 토대로 redo 연산 실행

3 병행 제어

3-1. 병행 수행과 병행 제어란?

병행 수행

여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션을 동시에 수행하는 것을 의미
여러 트랜잭션들이 차례로 번갈아 수행되는 interleaving 방식으로 진행된다.

병행 제어

병행 수행 시 같은 데이터에 접근하여 연산을 실행해도 문제가 발생하지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 트랜잭션의 수행을 제어하는 것을 의미

3-2. 병행 수행 시 발생할 수 있는 문제점

병행 수행을 특별한 제어 없이 진행할 경우 발생된다.

갱신 분실

하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것
여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 갱신 문제가 발생하지 않고 마치 트랜잭션이 순차적으로 수행한 것과 같은 결과값을 얻을 수 있어야 함.

모순성(inconsistency)

하나의 트랜잭션이 여러 개 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행해서 모순된 결과가 발생하는 것
여러 트랜잭션이 동시에 수행되어도 모순성이 발생되지 않고, 순차적으로 수행과 같은 값을 얻어야 함

연쇄 복귀(cascading rollback)

트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생하여 rollback연산을 수행하면, 이 트랜잭션이 장애 발생 전에 변경한 데이터를 가져가 변경 연산을 실행한 또 다른 트랜잭션에도 rollback연산을 연쇄적으로 실행해야 한다는 것
여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 연쇄 복귀가 발생하지 않고 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 함

3-3. 트랜잭션 스케쥴

트랜잭션들의 연산을 실행하는 순서

직렬serial 스케쥴

의미
- 인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것
특징
- 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 독립적으로 수행되므로 항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻게 됨.
- 다양한 직렬 스케줄이 만들어질 수 있고, 직렬 스케줄마다 데이터베이스에 반영되는 최종 결과가 다를 수 있지만 직렬 스케줄의 결과는 모두 정확함
- 인터리빙 방식을 사용하지 않기 때문에 병행수행이라고는 할 수 없음

비직렬nonserial 스케쥴

의미
- 인터리빙 방식을 사용하여 트랜잭션을 병행해서 수행시키는 것
특징
- 하나의 트랜잭션 완료 전에 다른 트랜잭션 수행이 가능하다.
- 실행 순서에 따라 다양한 비직렬 스케쥴이 만들어지고, 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생하여 결과의 정확성을 보장할 수 없음

다양한 비직렬 스케줄 중 문제가 발생하는 비직렬 스케줄의 예시

직렬 가능serializable 스케쥴

의미
- 비직렬 스케줄 중에서 수행 결과가 동일한 직렬 스케줄이 있는 것
특징
- 인터리빙 방식으로 병행 수행하면서도 직렬 스케쥴에 따라 수행한 것과 같이 정확한 결과를 얻을 수 있음
- 직렬 가능 스케줄인지 판단하는 것은 간단한 작업이 아니므로 직렬 가능성을 보장하는 병행 제어 기법을 사용하는 것이 일반적임

3-4 병행 제어 기법

의미

병행 수행하면서도 직렬 가능성을 보장하기 위한 기법

방법

모든 트랜잭션이 준수하면 직렬 가능성이 보장되는 규약을 정의하고, 트랜 잭션들이 이 규약을 따르도록 함

대표적인 병행 제어 기법

로킹 기법

3-5 로킹 기법 (대표적인 병행 제어 기법)

기본 원리

한 트랜잭션이 먼저 접근한 데이터에 대한 연산을 끝낼 때까지는 다른 트랜잭 션이 그 데이터에 접근하지 못하도록 상호 배제(mutual exclusion)함

방법

병행 수행되는 트랜잭션들이 같은 데이터에 동시에 접근하지 못하도록 lock과 unlock 연산을 이용해 제어
- lock: 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 요청하는 연산
- unlock: 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 반환하는 연산

기본 로킹 규약

트랜잭션은 데이터에 접근하기 위해 먼저 lock 연산을 실행해 독점권을 획득함
- read 또는 write 연산을 실행하기 전 lock 연산을 실행
다른 트랜잭션에 의해 이미 lock 연산이 실행된 데이터에는 다시 lock 연산을 실행할 수 없음
독점권을 획득한 데이터에 대한 모든 연산의 수행이 끝나면 트랜잭션은 unlock 연산을 실행해서 독점권을 반납해야 함

로킹 단위

lock연산을 실행하는 대상 데이터의 크기
전체 데이터베이스부터 릴레이션, 투플, 속성까지도 가능함
로킹 단위가 커질 수록 병행성은 낮아지지만 제어가 쉽고, 로킹 단위가 작아질수록 제어가 어렵지만 병행성은 높아짐

기본 로킹 규약의 효율성을 높이기 위한 방법

트랜잭션들이 같은 데이터에 동시에 read 연산을 실행하는 것을 허용함
lock 연산을 두 가지 종류로 구분하여 사용함
1. shared lock
  - 트랜잭션이 데이터에 공용 lock 연산을 실행하면 (같은 트랜잭션이) 해당 데이터에 read 연산을 실행할 수는 있지만 write 연산은 실행할 수 없음
  - 다른 트랜잭션도 공용 lock 연산을 동시에 실행할 수 있음 (데이터에 대한 사용권을 여러 트랜잭션이 함께 가질 수 있음)
2. exclusive lock
  - 트랜잭션이 데이터에 전용 lock 연산을 실행하면 (같은 트랜잭션이) 해당 데이터에 read 연산과 write 연산을 모두 실행할 수 있다.
  - 다른 트랜잭션은 어떠한 lock연산도 실행이 불가능하다. (전용 lock 연산을 실행한 트랜잭션은 해당 데이터에 대한 독점권을 가짐)

문제점

하지만 앞선 기본 로킹 규약만으로는 lock과 unlock연산의 수행 시점에 관한 모순성의 문제가 발생한다.

트랜잭션 T1이 데이터 X에 너무 빨리 unlock 연산을 실행하여 트랜잭션 T2가 일관성 없는 데이터에 접근했기 때문에 문제점이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

2단계 로킹 규약을 통해 해결할 수 있다.

2단계 로킹 규약

의미

기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해 lock과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새로운 규약을 추가한 것

방법

트랜잭션이 lock과 unlock 연산을 확장 단계와 축소 단계로 나누어 실행
1. 트랜잭션이 처음 수행되면 확장 단계로 들어가 lock 연산만 실행 가능
2. unlock 연산을 실행하면 축소 단계로 들어가 unlock 연산만 실행 가능
3. 트랜잭션은 첫 번째 unlock 연산 실행 전에 필요한 모든 lock 연산을 실행해야 함

확장 단계: 트랜잭션이 lock연산만 실행하고, unlock연산은 실행 할 수 없는 단계 축소 단계: 트랜잭션이 unlock연산만 실행하고 lock은 실행 불가능

2단계 로킹 규약을 준수하여 직렬 가능성이 보장된 스케줄 예