[Lecture] DataBase - Day 10

🖥 DataBase - Day 10

👉🏻 [Chapter 10] 회복과 병행 제어

[01] 트랜잭션

• 1.1 트랜잭션의 개념
  • 트랜잭션(transaction) : 작업 하나를 수행하는 데 필요한 데이터베이스의 연산들을 모아놓은 것
    • 논리적인 작업의 단위
    • 작업 수행에 필요한 SQL 문들의 모임
      • insert, delete, update 문의 실행 관리
    • 장애가 발생했을 때 데이터를 복구하는 작업이나 병행 제어 작업을 위한 중요한 단위
    • 데이터베이스의 무결성과 일관성을 보장하려면 작업을 수행하는 데 필요한 연산들을 하나의 트랜잭션으로 제대로 정의하고 관리해야 함
• 1.2 트랜잭션의 특성(ACID 특성)
  • 원자성(atomicity)
    • 트랜잭션을 구성하는 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 한다는 all-or-nothing 방식을 의미
    • 트랜잭션을 수행하다가 장애가 발생하여 작업을 완료하지 못했다면, 지금까지 실행한 연산 처리를 모두 취소하고 데이터베이스를 트랜잭션 작업 전의 상태로 되돌려 트랜잭션의 원자성을 보장해야 함
    • 원자성을 보장하려면 장애가 발생했을 때 데이터베이스의 원래 상태로 복구하는 회복 기능 필요
    • 원자성은 DBMS의 기능 중 회복 기능에 대응함
  • 일관성(consistency)
    • 트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관된 상태를 유지해야 함을 의미
    • 일관성은 DBMS의 기능 중 병행 제어 기능에 대응함
  • 격리성(isolation) = 고립성
    • 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에 다른 트랜잭션들이 접근할 수 없음을 의미
    • 격리성의 보장을 위해서는 트랜잭션들이 동시에 수행되는 것처럼 느끼면서도 순서대로 하나씩 수행되는 것처럼 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있도록 제어하는 기능 필요
    • 격리성은 DBMS의 기능 중 병행 제어 기능에 대응함
  • 지속성(durability) = 영속성
    • 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 어떠한 경우에도 손실되지 않고 영구적이어야 함을 의미
    • 지속성을 보장하려면 시스템에 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 원래 상태로 복구하는 회복 기능 필요
    • 지속성은 DBMS의 기능 중 회복 기능에 대응함
• 1.3 트랜잭션의 연산
  • commit 연산
    • 트랜잭션이 성공적으로 수행되었음을 선언(작업 완료)
    • commit 연산이 실행된 후에야 트랜잭션의 수행 결과가 데이터베이스에 반영되어 데이터베이스가 일관된 상태를 지속적으로 유지하게 됨
  • rollback 연산
    • 트랜잭션을 수행하는 데 실패했음을 선언(작업 취소)
    • rollback 연산이 실행되면 트랜잭션이 지금까지 실행한 연산의 결과가 취소되고 트랜잭션이 수행되기 전의 상태로 돌아감
• 1.4 트랜잭션의 상태

  • 

  • 활동 상태(active)
    • 트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태
  • 부분 완료 상태(partially committed)
    • 트랜잭션의 마지막 연산이 실행된 직후의 상태
  • 완료 상태(committed)
    • 트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태
    • 트랜잭션이 완료 상태가 되면 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영하고, 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료됨
  • 싪패 상태(failed)
    • 장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태
  • 철회 상태(aborted)
    • 트랜잭션을 수행하는 데 실패하여 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

[02] 장애와 회복

• 2.1 장애의 유형
  • 장애(failure) : 시스템이 제대로 동작하지 않는 상태
    • 트랜잭션 장애 : 트랜잭션 수행 중 오류가 발생하여 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
      • 트랜잭션의 논리적 오류
      • 잘못된 데이터 입력
      • 시스템 자원의 과다 사용 요구
      • 처리 대상 데이터의 부재
    • 시스템 장애 : 하드웨어의 결함으로 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
      • 하드웨어 이상으로 메인 메모리에 저장된 정보가 손실되거나 교착 상태가 발생한 경우
    • 미디어 장애 : 디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태
      • 디스크 헤드의 손상이나 고장
• 2.2 데이터베이스의 저장 연산
  • 저장 장치의 종류
    • 휘발성(volatile) 저장 장치 = 소멸성 : 장애가 발생하면 저장된 데이터가 손실됨
      • 메인 메모리
    • 비휘발성(nonvolatile) 저장 장치 = 비소멸성 : 장애가 발생해도 저장된 데이터가 손실되지 않음(저장 장치 자체에 이상이 발생하면 데이터가 손실될 수 있음)
      • 디스크
      • 자기 테이프
      • CD/DVD
    • 안정(stable) 저장 장치 : 비휘발성 저장 장치를 이용해 데이터 복사본 여러 개를 만드는 방법으로, 어떤 장애가 발생해도 데이터가 손실되지 않고 데이터를 영구적으로 저장할 수 있음
  • 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동의 필요성
    • 일반적으로 데이터베이스는 비휘발성 저장 장치인 디스크에 상주함
    • 트랜잭션이 데이터베이스의 데이터를 처리하려면 데이터를 디스크에서 메인 메모리로 가져와 이를 처리한 후 그 결과를 다시 디스크로 보내는 작업이 필요함
  • 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동
    • 블록(block) 단위 수행
      • 디스크에 있는 블록을 디스크 블록
      • 메인 메모리에 있는 블록을 버퍼 블록
    • input 연산
      • input(X) : 디스크 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 메인 메모리 버퍼 블록으로 이동시키는 연산
    • output 연산
      • output(X) : 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X를 디스크 블록으로 이동시키는 연산
  • 메인 메모리의 버퍼 블록과 프로그램 변수 간의 데이터 이동
    • 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 추가로 필요함
    • read 연산
      • read(X) : 메인 메모리 버퍼 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 프로그램의 변수로 읽어오는 연산
    • write 연산
      • write(X) : 프로그램의 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X에 기록하는 연산
• 2.3 회복 기법
  • 회복(recovery) : 데이터베이스에 장애가 발생했을 때 장애가 발생하기 전의 모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것
    • 회복 관리자(recovery manager)
      • 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터 베이스 복구 기능을 제공
    • 트랜잭션의 특성을 보장하고, 데이터베이스를 일관된 상태로 유지하기 위해 필수적인 기능
  • 회복을 위한 연산
    • 데이터베이스 회복의 핵심 원리는 데이터 중복
      • 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
    • redo(재실행) 연산
      • 가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져온 후 로그를 이용해 복사본이 만들어진 이후에 실행된 모든 변경 연산을 재실행하여 장애가 발생하기 직전의 데이터베이스 상태로 복구(전반적으로 손상된 경우에 주로 사용)
    • undo(취소) 연산
      • 로그를 이용해 지금까지 실행된 모든 변경 연산을 취소하여 데이터베이스를 원래의 상태로 복구(변경 중이었거나 이미 변경된 내용만 신뢰성을 잃은 경우에 주로 사용)
  • 로그 파일
    • 데이터베이스에 대한 변경 연산과 관련하여, 데이터를 변경하기 이전의 값과 변경한 이후의 값을 기록한 것
      • 레코드 단위로 트랜잭션의 수행과 함께 기록
    • 로그 레코드의 종류
      • $<T_i$ , start $>$ : 트랜잭션 $T_i$가 수행을 시작했음을 기록
      • $<T_i, X$, old_value, new_value $>$ : 트랜잭션 $T_i$가 데이터 $X$를 이전 값에서 새로운 값으로 변경하는 연산을 실행했음을 기록
      • $<T_i$ , commit $>$ : 트랜잭션 $T_i$가 성공적으로 완료되었음을 기록
      • $<T_i$ , abort $>$ : 트랜잭션 $T_i$가 철회되었음을 기록
  • 데이터베이스 회복 기법
    • 로그 회복 기법
      • 즉시 갱신(immediate update) 회복 기법
        • 트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영
        • 장애 발생에 대비하기 위해 데이터 변경에 대한 내용을 로그 파일에도 기록
          • 데이터 변경 연산이 실행되었을 때 로그 파일에 로그 레코드를 먼저 기록한 후 데이터베이스에 변경 연산을 반영
        • 장애 발생 시점에 따라 redo 나 undo 연산을 실행하여 데이터베이스 복구
        • undo 연산 실행
          • 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우
        • redo 연산 실행
          • 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우
      • 지연 갱신(deferred update) 회복 기법
        • 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 반영
        • 트랜잭션이 수행되는 동안 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 됨
        • undo 연산은 필요 없고 redo 연산만 필요함
        • 로그 레코드에 변경 이전 값을 기록할 필요 없음
          • $<T_i, X$, new_value $>$
        • 로그 내용을 무시하고 버림
          • 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우
        • redo 연산 실행
          • 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우
    • 검사 시점 회복 기법
      • 로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint) 을 만듦
        • 검사 시점이 되면 메인 메모리에 있는 모든 로그 레코드를 안정 저장 장치에 있는 로그 파일에 기록하고, 트랜잭션의 데이터 변경 내용을 데이터베이스에 반영
        • 검사 시점을 표시하는 <checkpoint L> 형식의 로그 레코드를 로그 파일에 기록
          • <checkpoint L> 에서 L은 현재 실행되고 있는 트랜잭션의 리스트를 의미
      • 장애 발생 시 로그 파일에서 가장 최근의 <checkpoint L> 로그 레코드를 찾아 그 이후의 로그 기록에만 회복 작업을 수행
        • 회복 작업은 즉시 갱신 회복 기법이나 지연 갱신 회복 기법을 이용해 수행
      • 회복 작업의 범위가 검사 시점으로 정해지므로 불필요한 회복 작업을 수행하지 않아 데이터베이스 회복 시간이 단축됨
    • 미디어 회복 기법
      • 디스크에 발생할 수 있는 장애에 대비한 회복 기법
      • 덤프(dump) 이용
        • 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사
      • 디스크 장애가 발생하면 가장 최근에 복사해둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 일관된 데이터베이스 상태로 복구 후 필요에 따라 로그의 내용을 토대로 redo 연산 실행

[03] 병행 제어

• 3.1 병행 수행과 병행 제어
  • 병행 수행(concurrency)
    • 여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션이 동시에 수행
    • 여러 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 인터리빙(interleaving) 방식으로 진행됨
  • 병행 제어(concurrency control) or 동시성 제어
    • 병행 수행 시 같은 데이터에 접근하여 연산을 실행해도 문제가 발생하지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 트랜잭션의 수행을 제어하는 것
• 3.2 병행 수행의 문제
  • 갱신 분실(lost update)
    • 하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것
    • 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 갱신 분실 문제가 발생하지 않고 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 정확한 병행 수행이라 할 수 있음
  • 모순성(inconsistency)
    • 하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것
    • 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 모순성의 문제가 발생하지 않고 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 정확한 병행 수행이라 할 수 있음
  • 연쇄 복귀(cascading rollback)
    • 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 것
    • 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 연쇄 복귀의 문제가 발생하지 않고 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 정확한 병행 수행이라 할 수 있음
• 3.3 트랜잭션 스케줄
  • 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서
  • 직렬 스케줄(serial schedule)
    • 인터리빙 방식을 이용하지 않고 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것
    • 특징
      • 트랜잭션이 직렬 스케줄에 따라 수행되면, 모든 트랜잭션이 완료될 때까지 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 독립적으로 수행되므로 항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻음
      • 다양한 직렬 스케줄이 만들어질 수 있고, 직렬 스케줄마다 데이터베이스에 반영되는 최종 결과가 달라질 수 있지만 직렬 스케줄의 결과는 모두 정확함
      • 각 트랜잭션을 독립적으로 수행하기 때문에 트랜잭션들이 동시에 수행되는 병행 수행이라고 할 수 없음
  • 비직렬 스케줄(nonserial schedule)
    • 인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션을 병행해서 수행시키는 것
    • 특징
      • 트랜잭션이 돌아가면서 연산들을 실행하기 때문에 하나의 트랜잭션이 완료되기 전에 다른 트랜잭션의 연산이 실행될 수 있음
      • 비직렬 스케줄에 따라 여러 트랜잭션을 병행 수행하면 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있어 최종 수행 결과의 정확성을 보장할 수 없음
      • 다양한 비직렬 스케줄이 만들어질 수 있고, 그 중 잘못된 결과를 생성하는 비직렬 스케줄도 있음
  • 직렬 가능 스케줄(serializable schedule)
    • 직렬 스케줄에 따라 수행한 것과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄
    • 특징
      • 인터리빙 방식을 이용하여 여러 트랜잭션을 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있음
      • 직렬 가능 스케줄을 이용해 트랜잭션을 병행 수행해야 하지만 직렬 가능 스케줄인지 여부를 판단하는 일은 쉽지 않음
        • 직렬 가능성을 보장하는 병행 제어 기법을 사용하는 것이 일반적임
• 3.4 병행 제어 기법
  • 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있는 직렬 가능성을 보장받기 위한 기법
  • 기본 원리
    • 모든 트랜잭션이 따르면 직렬 가능성이 보장되는 나름의 규약을 정의하고, 트랜잭션들이 이 규약을 따르도록 하는 것
  • 로킹(locking) 기법
    • 한 트랜잭션이 먼저 접근한 데이터에 대한 연산을 모두 마칠 때까지, 해당 데이터에 다른 트랜잭션이 접근하지 못하도록 상호 배제(mutual exclusion) 하여 직렬 가능성을 보장하는 것
    • 병행 수행되는 트랜잭션들이 같은 데이터에 동시에 접근하지 못하도록 lock 과 unlock 연산을 이용해 제어
      • lock : 트랜잭션이 사용할 데이터에 대한 독점권을 가지기 위해 사용
      • unlock : 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 반납하기 위해 사용
    • 기본 로킹 규약
      • 데이터에 접근하는 연산을 실행하려면 먼저 해당 데이터에 lock 연산을 실행하여 독점권을 획득해야 함
        • read 또는 write 연산을 실행하기 전에 반드시 lock 연산 실행
      • 다른 트랜잭션이 이미 lock 연산을 실행한 데이터에는 다시 lock 연산이 실행될 수 없음
      • 독점권을 획득한 데이터에 대한 모든 연산을 수행하고 나면 unlock 연산을 실행해서 독점권을 반납해야 함
    • 로킹 단위
      • lock 연산을 실행하는 대상 데이터의 크기
      • 전체 데이터베이스부터 작게는 데이터베이스를 구성하는 속성, 릴레이션이나 튜플까지도 가능함
      • 로킹 단위가 커질수록 병행성은 낮아지지만 제어가 쉬움
      • 로킹 단위가 작아질수록 제어가 어렵지만 병행성은 높아짐
    • 기본 로킹 규약의 효율성을 높이기 위한 방법 : 같은 데이터에 트랜잭션들이 동시에 read 연산을 실행하는 것을 허용
      • lock 연산의 두 가지 종류
        • 공용(shared) lock : 데이터에 대한 사용권을 여러 트랜잭션이 함께 가질 수 있음
          • 트랜잭션이 데이터에 대해 공용 lock 연산을 실행하면, 해당 데이터에 read 연산을 실행할 수 있지만 write 연산은 실행 불가
          • 해당 데이터에 다른 트랜잭션도 공용 lock 연산을 동시에 실행 가능
        • 전용(exclusive) lock : 전용 lock 연산을 실행한 트랜잭션만 해당 데이터에 대한 독점권을 가질 수 있음
          • 트랜잭션이 데이터에 전용 lock 연산을 실행하면 해당 데이터에 read 연산과 write 연산을 모두 실행 가능
          • 해당 데이터에 다른 트랜잭션은 공용이든 전용이든 어떤 lock 연산도 실행 불가
        • lock 연산의 양립성
          • 서로 다른 트랜잭션이 같은 데이터에 공용 lock 연산을 동시에 실행 가능
          • 다른 트랜잭션이 전용 lock 연산을 실행한 데이터에는 공용 lock, 전용 lock 모두 실행 불가
  • 2단계 로킹 규약(2PLP; 2 Phase Locking Protocol)
    • 기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해 lock 과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새로운 규약을 추가한 것
    • 방법
      • 트랜잭션이 lock 과 unlock 연산을 확장 단계와 축소 단계로 나누어 실행
        • 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
      • 트랜잭션이 처음 수행되면 확장 단계로 들어가 lock 연산만 실행 가능
      • unlock 연산을 실행하면 축소 단계로 들어가 unlock 연산만 실행 가능
      • 트랜잭션은 첫 번째 unlock 연산 실행 전에 필요한 모든 lock 연산을 실행해야 함
    • 2단계 로킹 규약을 적용하면 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 보장할 수 있지만 교착 상태(deadlock) 가 발생할 수 있음
      • 교착 상태(deadlock)
        • 트랜잭션들이 상대가 독점하고 있는 데이터에 unlock 연산이 실행되기를 서로 기다리면서 수행을 중단하고 있는 상태
        • 교착 상태가 발생하지 않도록 예방하거나, 발생 시 빨리 탐지하여 필요한 조치를 취해야 함