10. 회복과 병행 제어

트랜잭션

DBMS는 데이터베이스가 항상 정확하고 일관된 상태를 유지할 수 있도록 다양한 기능을 제공하는데, 그 중심에는 트랜잭션이 있다. 트랜잭션을 관리함으로써 데이터베이스의 회복과 병행 제어가 가능해져, 결과적으로 데이터베이스가 일관된 상태를 유지할 수 있게 된다.

트랜잭션transaction은 하나의 작업을 수행하는 데 필요한 데이터베이스의 연산들을 모아놓은 것으로, 데이터베이스에서 논리적인 작업의 단위가 된다.

트랜잭션의 특성

트랜잭션이 성공적으로 처리되어 데이터베이스의 무결성과 일관성이 보장되려면 네 가지 특성을 꼭 만족해야 한다. ACID 특성이라고도 한다.

1. 원자성 : 트랜잭션을 구성하는 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 한다는 all or nothing 방식을 의미한다. 

2. 일관성 : 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.

3. 격리성 : 고립성이라고도 하는데, 현재 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에 다른 트랜잭션들이 접근할 수 없음을 의미한다.

4. 지속성 : 영속성이라고도 하는데 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 어떠한 경우에도 손실되지 않고 영구적이어야 함을 의미한다.

DBMS는 트랜젝션의 네 가지 특성을 보장하기 위한 지원 기능을 제공한다.

트랜잭션의 연산

commit 연산 : 트랜잭션이 성공적으로 수행되었음을 선언(작업 완료)

rollback 연산 : 트랜잭션을 수행하는 데 실패했음을 선언(작업 취소)

트랜잭션의 상태

활동 상태

트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태. 활동 상태인 트랜잭션은 상황에 따라 부분 완료 상태나 실패 상태가 된다.

부분 완료 상태

트랜잭션의 마지막 연산이 실행된 직후의 상태, 트랜잭션의 모든 연산을 처리한 상태

부분 완료 상태인 트랜잭션은 모든 연산의 처리가 끝났지만 트랜잭션이 수행된 최종 결과를 데이터베이스에 아직 반영하지 않은 상태

완료 상태

트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태.

트랜잭션이 완료 상태가 되면 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영하고, 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료된다.

실패 상태

여러 이유로 인해 장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태. 트랜잭션을 더는 정상적으로 수행할 수 없을 때 실패 상태가 된다.

철회 상태

트랜잭션을 수행하는데 실패하여 rollback 연산을 실행한 상태.

트랜잭션이 철회 상태가 되면 지금까지 실행한 트랜잭션의 연산을 모두 취소하고 트랜잭션이 수행되기 전의 데이터베이스 상태로 되돌리면서 트랜잭션이 종료된다. 철회상태로 종료된 트랜잭션은 상황에 따라 다시 수행되거나 폐기된다. 트랜잭션의 내부 문제가 아닌, 하드웨어의 이상이나 소프트웨어의 오류로 트랜잭션의 수행이 중단되고 철회 상태가 된 경우에는 철회된 트랜잭션을 다시 시작한다. 하지만 트랜잭션이 처리하려는 데이터가 데이터베이스에 존재하지 않거나 트랜잭션의 논리적인 오류가 원인인 경우에는 철회된 트랜잭션을 폐기한다.

장애와 회복

회복은 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 일관된 상태로 복구시키는 것이다.

장애의 유형

장애 : 시스템이 제대로 동작하지 않는 상태

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 필요한 경우 등
미디어 장애	의미	디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 형태
	원인	디스크 헤드의 손상이나 고장 등

데이터베이스의 저장 연산

데이터베이스는 기본적으로 저장 장치에 저장된다. 그리고 저장 장치는 장애가 발생했을 때 대응하는 방법에 따라 세 종류로 분류할 수 있다.

유형	설명
휘발성 저장 장치(소멸성)	의미	장애가 발생하면 저장된 데이터가 손실 됨
	예	메인 메모리 등
비휘발성 저장 장치(비소멸성)	의미	장애가 발생해도 저장된 데이터가 손실되지 않음. 단, 디스크 헤더 손상같은 저장 장치 자체에 이상이 발생하면 데이터가 손실될 수 있음
	예	디스크, 자기테이브, CD/DVD 등
안정 저장장치	의미	비휘발성 저장장치를 이용해 데이터 복사본 여러 개를 만드는 방법으로, 어떤 장애가 발생해도 데이터가 손실되지 않고 데이터를 영구적으로 저장할 수 있음

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 필요

디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 대개 블록 단위로 수행된다. 디스크에 있는 블록을 디스크 블록이라 하고 메인 메모리에 있는 블록은 버퍼 블록이라 한다. 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 다음 두 연산을 수행된다.

input(x) : 디스크 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 메인 메모리 버퍼 블록으로 이동시키는 연산

output(x) : 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X를 디스크 블록으로 이동시키는 연산

메인 메모리의 버퍼 블록과 프로그램 변수 간의 데이터 이동은 다음 두 연산으로 수행된다.

read(X) : 메인 메모리 버퍼 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 프로그램의 변수로 읽어오는 연산

write(X) : 프로그램의 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X에 기록하는 연산

회복 기법

회복은 데이터베이스에 장애가 발생했을 때 장애가 발생하기 전의 모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것으로, 데이터베이스 관리 시스템에 있는 회복 관리자가 담당한다. 회복 관리자는 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스 복구 기능을 제공한다.

회복을 위한 연산

데이터베이스 회복의 핵심 원리는 데이터 중복이다. 데이터를 별도의 장소에 미리 복사해두고, 장애로 문제가 발생했을 때 복사본을 이용해 원래의 상태로 복원하는 것이다. 덤프 또는 로그 방법을 사용해 데이터를 복사해두었다가 회복시킬 때 복사본을 사용한다.

덤프(dump) : 데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법

로그(log) : 데이터베이스에서 변경 연산이 실행될 때마다 데이터를 변경하기 이전 값과 변경한 이후의 값을 별도의 파일에 기록하는 방법

 

장애가 발생했을 때, 덤프나 로그 방법으로 중복 저장한 데이터를 이용해 데이터베이스를 복구하는 가장 기본적인 방법은 redo나 undo 연산을 실행하는 것이다.

redo(재실행) : 가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져온 후 로그를 이용해 복사본이 만들어진 이후에 실행된 모든 변경 연산을 재실행하여 장애가 발생하기 직전에 데이터베이스 상태로 복구(전반적으로 손상된 경우에 주로 사용)

undo(취소) : 로그를 이용해 지금까지 실행된 모든 변경 연산을 취소하여 데이터베이스를 원래의 상태로 복구(변경 중이었거나 이미 변경된 내용만 신뢰성을 잃은 경우에 주로 사용)

 

redo 연산과 undo 연산을 실행하는 데는 로그가 중요하게 사용된다. 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. 로그는 데이터베이스 회복 작업을 수행하기 위해 필요한 중요한 정보를 가지고 있으므로 데이터 손실이 발생하지 않는 저장 장치에 저장해둔다.

로그 회복 기법

로그를 이용한 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.

 

ex) 예ㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣ시ㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣ

1에서 장애가 발생

<T1, start>만 있고 <T1, commit>이 존재하지 않으므로 T1 트랜잭션에 undo(T1) t실행

이전 값으로 되돌려야 하는 데이터가 여러 개인 경우에는 로그에 기록된 순서의 반대로 undo 연산을 실행

2에서 장애가 발생

<T1, start>, <T1, commit>로그 레코드가 모두 존재하므로 T1 트랜잭션에 redo(T1) 연산을, T2 트랜잭션에 undo(T2) 연산을 실행해야 한다. 이렇게 회복을 위해 redo, undo 연산이 모두 필요할 때는 undo 연산을 먼저 실행한 후 redo 연산을 실행한다.

 

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 수행되는 동안 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 된다. 지연 갱신 회복 기법에서는 undo 연산은 필요 없고 redo 연산만 필요하므로 로그 레코드에 변경 이전 값을 기록할 필요가 없다. 그러므로 변경 연산 실행에 대한 로그 레코드는 <Ti, X, new_value> 형식으로 기록됨

 

ex) 예ㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖㅖ시ㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣㅣ

1에서 장애가 발생

commit이 존재하지 않으므로 로그에 기록된 내용만 버린다. 트랜잭션의 수행을 다시 시작하기만 하면 된다.

2에서 장애가 발생

아직 완료되지 않은 T2 트랜잭션에 대한 로그 레코드를 무시하고 T2 트랜잭션에는 별다른 회복 조치를 하지 않아도 된다. 하지만 수행이 완료된 T1 트랜잭션에는 redo(T1) 연산을 실행한다.

 

검사 시점 회복 기법

로그 전체를 대상으로 회복 기법을 적용하면 데이터베이스 회복에 너무 많은 시간이 걸리고 redo 연산을 수행할 필요가 없는 트랜잭션에도 redo 연산을 실행하는 일이 발생하기도 한다. 이러한 비효율성을 해결하기 위해 제안된 방법이 검사 시점 회복 기법이다.

검사 시점 회복 기법은 일정 시간 간격으로 검사 지점checkpoint을 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.

일정 시간 간격으로 검사 시점이 되면 메인 메모리에 있는 모든 로그 레코드를 안정 저장 장치에 있는 로그 파일에 기록하고, 트랜잭션의 데이터 변경 내용을 데이터베이스에 반영한다. 그다음, 검사 시점을 표시하는 <checkpoint L> 형식의 로그 레코드를 로그 파일에 기록한다. <checkpoint L> 형식에서 L은 현재 실행되고 있는 트랜잭션의 리스트를 의미한다.

장애가 발생하면 로그 파일에서 가장 최근의 <checkpoint L> 로그 레코드를 찾아 그 이후의 로그 기록에만 회복 작업을 수행한다. 회복 작업의 범위가 정해지면 즉시 갱신 회복 기법이나 지연 갱신 회복 기법을 이용해 회복 작업을 수행한다.

 

미디어 회복 기법

디스크에 발생할 수 있는 장애에 대비한 회복 기법은 미디어 회복 기법이다.

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.

이 기법은 비용이 많이 들고 복사하는 동안에 트랜잭션 수행을 중단해야 하므로 미디어 회복 기법은 CPU가 낭비된다는 단점이 있다.

병행 제어

병행 수행과 병행 제어

DBMS는 여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러개의 트랜잭션이 동시에 수행되는 병행 수행을 지원한다. 병행 수행은 실제로 여러 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 인터리빙 방식으로 진행된다. 그런데 병행 수행되는 트랜잭션들이 서로 다른 데이터를 사용하여 연산을 실행하는 경우에는 괜찮지만 동시에 같은 데이터에 접근하여 변경 연산을 실행하려고 하면 예상치 못한 결과가 나타날 수도 있다. 그러므로 병행 수행을 하더라도 각 트랜잭션이 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 제어해야 한다.

병행 수행의 문제

병행 수행을 특별한 제어 없이 진행하면 여러 문제가 발생할 수 잇다. 대표적인 문제로 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀가 있다.

갱신 분실

갱신 분실은 하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것이다.

모순성

모순성은 하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것이다. 

연쇄복귀

연쇄복귀는 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.

트랜잭션 스케줄

트랜잭션 스케줄은 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서다. 일반적으로 하나의 트랜잭션에는 많은 연산들이 포함되어 있어 여러 트랜잭션을 병행 수행하는 경우 트랜잭션들의 각 연산을 실행시키는 순서인 트랜잭션 스케줄도 여러 가지가 있을 수 있다. 트랜잭션 스케줄은 세 가지 유형을 구분할 수 있다.

직렬 스케줄 : 인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것

여러 트랜잭션을 수행하면 정확한 결과를 얻을 수 있지만, 인터리빙 방식을 사용하지 않고 각 트랜잭션을 독립적으로 수행하기 때문에 트랜잭션들이 동시에 수행되는 병행 수행이라고 할 수 없다. 그래서 잘 사용하지 않는다.

비직렬 스케줄 : 인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션들을 병행해서 수행시키는 것

비직렬 스케줄에 따라 여러 트랜잭션을 병행 수행하면 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있어 최종 수행 결과의 정확성을 보장할 수 없다. 그러므로 어떤 비직렬 스케줄을 선택하여 트랜잭션들을 수행하느냐가 중요하다.

직렬 가능 스케줄 : 직렬 스케줄과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄

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.

병행 제어 기법

병행 제어 기법은 여러 트랜잭션을 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있는 직렬 가능성을 보장받기 위해 사용한다. 병행 제어 기법의 기본 원리는 모든 트랜잭션이 따르면 직렬 가능성이 보장되는 나름의 규약을 정의하고, 트랜잭션들이 이 규약을 따르도록 하는 것이다. 그러므로 트랜잭션 스케줄이 직렬 가능 스케줄인지를 미리 검사할 필요가 없다.

 

로킹 기법의 개념

로킹locking 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 따른 트랜잭션이 접근하지 못하도록 상호 배제하여 직렬 가능성을 보장하는 것이다.

로킹 기법에서 lock 연산은 트랜잭션이 사용할 데이터에 대한 독점권을 가지기 위해 사용한다. 반대로 lock 연산은 트랜잭션이 데이터에 대한 독접권을 반납하기 위해 사용한다. 이 두 연산을 이용하여 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 데이터에 독점적으로 접근할 수 있게 되는 것이다.

먼저 해당 데이터에 lock 연산을 실행하여 독점권을 획득해야 한다. read, write 연산을 실행하기 전에 반드시 lock 연산을 실행해야 한다. 하지만 다른 트랜잭션이 이미 lock 연산을 실행한 데이터에는 다시 lock 연산이 실행될 수 없다. 모든 연산을 수행하고 나면 unlock 연산을 실행해서 독점권을 반납해야 한다. 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.

로킹 단위는 커질수록 병행성은 낮아지지만 제어가 쉽고, 로킹 단위가 작아질수록 제어가 어렵지만 병행성은 높아진다. 그러므로 시스템에 따라 적절한 로킹 단위를 선택하는 것이 중요하다.

공동 lock : 해당 데이터에 read 연산을 실행할 수 있지만 write 연산은 실행할 수 없다. 그리고 해당 데이터에 다른 트랜잭션도 공용 lock 연산을 동시에 실행할 수 있다.

전용 lock : 해당 데이터에 read 연산과 write 연산을 모두 실행할 수 있다. 그러나 해당 데이터에 다른 트랜잭션은 공용이든 전용이든 어떤 lock 연산도 실행할 수 없다.

 

lock 연산의 양립성

	공용 lock	전용 lock
공용 lock	가능	불가능
전용 lock	불가능	불가능

 

기본 로킹 규약만으로는 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 완벽하게 보장할 수 없다.

 

2단계 로킹 규약

기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해 lock과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새롱누 규약 을 추가한 것이 2단계 로킹 규약이다. 2단계 로킹 규약을 따르려면 모든 트랜잭션이 lock과 unlock 연산을 다음과 같이 2단계로 나누어 실행해야 한다.

확장 단계 : 트랜잭션이 lock 연산만 실행할 수 있고, unlock 연산은 실행할 수 없는 단계

축소 단계 : 트랜잭션이 unlock 연산만 실행할 수 있고, lock 연산은 실행할 수 없는 단계

 

2단계 로킹 규약을 적용하면 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 보장할 수 있다. 하지만 교착 상태가 발생할 수 있어 이에 대한 해결책이 필요하다. 교착 상태는 처음부터 발생하지 않도록 예방하거나, 발생했을 때 빨리 탐지하여 필요한 조치를 취하는 방법으로 해결한다.