회복과 병행 제어

트랜잭션 (transaction)

트랜잭션이란?

• 하나의 작업을 수행하기 위해 필요한 데이터베이스의 연산들을 모아놓은 것
• 데이터베이스에서의 논리적인 작업의 단위
• 장애가 발생했을 때 데이터를 복구하는 작업의 단위

트랜잭션의 특성 (ACID)

원자성 (Atomicity)

• 트랜잭션을 구성하는 연산들은 모두 정상적이로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 한다.

만약 트랜잭션 수행 도중 장애가 발생하여 작업을 완료하지 못했다면,
그 시점까지 실행된 모든 연산들의 처리를 취소하고
데이터베이스를 트랜잭션 작업 이전의 상태로 되돌려
트랜잭션의 원자성을 보장해야 한다.

일관성 (Consistency)

• 트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관성있는 상태를 유지해야 한다.
• 예시
  1. 회원 A와 회원 B는 각각 10,000원씩 보유
  2. 회원 A가 회원 B에게 10,000원 송금
  3. 일관성 만족 여부에 따른 결과
     • 일관성을 만족하는 경우
       • 회원 A는 0원, 회원 B는 20,000원 보유
     • 일관성을 만족하지 않는 경우
       • 회원 A는 0원, 회원 B는 10,000원 보유

트랜잭션이 수행되기 전에 데이터베이스가 일관된 상태였다면
트랜잭션의 수행이 완료된 후 결과를 반영한 데이터베이스도
또 다른 일관된 상태가 되어야 한다.

트랜잭션 수행 중에는 일시적으로 일관된 상태가 아닐 수는 있어도
트랜잭션 수행 완료 시에는 일관된 상태가 되어야 한다.

격리성 (Isolation)

• 현재 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지
  해당 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에
  다른 트랜잭션들이 접근할 수 없다.
• 고립성이라고도 부른다.

격리성을 보장하기 위해서는
각 트랜잭션이 순서대로 하나씩 수행되는 것과
같은 결과를 얻을 수 있도록 제어하는 기능이 필요하다.

격리성이 보장됨으로써 사용자들은 트랜잭션들이 동시에 수행되는 것처럼 느끼면서도
순서대로 하나씩 수행되는 것처럼 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있게 된다.

지속성 (Durability)

• 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영된 수행 결과는
  어떠한 경우에도손실되지 않고 영구적이어야 한다.
• 영속성이라고도 부른다.

시스템에 장애가 발생하더라도 트랜잭션 작업 결과는 없어지지 않고
데이터베이스에 그대로 남아있어야 한다는 의미를 가진다.

트랜잭션의 지속성을 보장하려면 시스템에 장애가 발생했을 때
데이터베이스를 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 필요하다.

트랜잭션의 특성을 지원하는 DBMS의 기능

트랜잭션의 특성	DBMS의 기능
원자성	회복 기능
일관성	병행 제어 기능
격리성	병행 제어 기능
지속성	회복 기능

트랜잭션의 연산

• commit
  • 트랜잭션이 성공적으로 수행되었음을 선언한다.
  • 작업 완료를 의미한다.
  • 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영한다.
• rollback
  • 트랜잭션이 수행을 실패했음을 선언한다.
  • 작업 취소를 의미한다.
  • 데이터베이스를 트랜잭션 수행 전의 일관된 상태로 되돌린다.

트랜잭션의 상태

flowchart TD
    A["트랜잭션 수행 시작"] --> B(["활동"])
    B --> C(["부분 완료"])
    B --> D(["실패"])
    C --commit 연산--> E(["완료"])
    D --rollback 연산--> F(["철회"])
    C --> D

• 활동 상태 (active)
  • 트랜잭션이 수행을 시작하여 현재 수행중인 상태
• 부분 완료 상태 (partially committed)
  • 트랜잭션의 마지막 연산이 실행된 직후의 상태
  • 트랜잭션의 모든 연산을 처리한 상태
• 완료 상태 (committed)
  • 트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태
  • 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영한다.
  • 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료된다.
• 실패 상태 (failed)
  • 하드웨어, 소프트웨어의 문제나 트랜잭션 내부 오류 등의 이유로
    장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태
  • 트랜잭션이 더는 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
• 철회 상태 (aborted)
  • 트랜잭션의 수행이 실패하여 rollback 연산을 실행한 생태
  • 실행했던 트랜잭션의 모든 연산을 취소하고,
    데이터베이스를 트랜잭션이 수행되기 이전의 상태로 되돌리면서
    트랜잭션이 종료된다.
  • 철회 상태로 종료된 트랜잭션은 상황에 따라 다시 수행되거나 폐기된다.
    • 하드웨어의 이상이나 소프트웨어의 오류로 인한 경우에만 해당한다.

장애와 회복

장애(failure)란?

• 시스템이 제대로 동작하지 안흔 상태

회복(recovery)란?

• 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 일관된 상태로 복구시키는 것

데이터베이스 시스템에서 발생할 수 있는 장에의 유형

• 트랜잭션 장애
  • 의미
    • 트랜잭션 수행 중 오류가 발생하여 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
  • 원인
    • 트랜잭션의 논리적 오류
    • 잘못된 대이터 입력
    • 시스템 자원의 과다 사용 요구
    • 처리 대상 데이터의 부재
    • 이외 등등
• 시스템 장애
  • 의미
    • 하드웨어의 결함으로 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
  • 원인
    • 하드웨어의 이상으로 메모리에 저장된 정보가 손실되는 경우
    • 하드웨어의 이상으로 교착 상태가 발생한 경우
    • 이외 등등
• 미디어 장애
  • 의미
    • 디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장딘 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태
  • 원인
    • 디스크 헤드의 손상
    • 디스크 헤드의 고장
    • 이외 등등

회복 기법

• 회복이란 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 이전의
  모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것이다.
• 회복은 DBMS에 있는 회복 관리자가 담당한다.
• 회복 관리자는 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스를 복구하는 기능을 제공한다.
• 분류
  • 데이터베이스 회복 기법
    • 로그 회복 기법
      • 즉시 갱신 회복 기법
      • 지연 갱신 회복 기법
    • 검사 시점 회복 기법
    • 미디어 회복 기법

회복을 위해 복사본을 만드는 방법

• 데이터베이스 회복의 핵심 원리는 데이터 중복이다.
• 데이터를 별도의 장소에 미리 복사해두고,
  장애로 문제 발생 시 복사본을 이용해 원래의 상태로 복원한다.
• 종류
  • 덤프 (dump)
    • 데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법
  • 로그 (log)
    • 데이터베이스에서 변경 연산이 실행될 떄마다
      데이터를 변경하기 이전 값과 변경한 이후의 값을
      별도의 파일에 기록하는 방법

회복을 위한 연산

• redo (재실행)
  • 가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져온 후
    로그를 이용해 복사본이 만들어진 이후에 실행된 모든 변경 연산을 재실행하여
    장애가 발생하기 직전의 데이터베이스 상태로 복구한다.
  • 전반적으로 손상된 경우에 주로 사용한다.
• undo (취소)
  • 로그를 이용해 지금까지 실행된 몯느 변경 연산을 취소하여
    데이터베이스를 원래의 상태로 복구한다.
  • 변경 중이었거나 이미 변경된 내용만 신뢰성을 잃은 경우에 주로 사용한다.

로그 레코드의 종류

• <T, start>
  • 트랜잭션 T가 수행을 시작했음을 기록
• <T, X, old_value, new_value>
  • 트랜잭션 T가 데이터 X를 이전 값(old_value)에서 새로운 값(new_value)으로
    변경하는 연산을 실행했음을 기록
• <T, commit>
  • 트랜잭션 T가 성공적으로 완료되었음을 기록한다.
• <T, abort>
  • 트랜잭션 T가 철회되었음을 기록한다.

로그 회복 기법

• 즉시 갱신 기법 (immediate update)
  • 트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영한다.
  • 장애 발생에 대비하기 위해 데이터 변경에 대한 내용을 로그 파일에도 기록한다.
  • 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우에는 undo 연산을 실행한다.
  • 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우에는 redo 연산을 실행한다.
• 지연 갱신 기법 (defferred update)
  • 트랜잭션이 수행되는 도중 데이터 변경 연산의 결과를
    데이터베이스에 즉시 반영하지 않고 로그 파일에만 기록해두었다가,
    트랜잭션이 부분 완료된 후에 로그에 기록된 내용을 이용해 데이터베이스에 한꺼번에 반영한다.
  • 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우에는 로그 내용을 무시하고 버린다.
  • 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우에는 redo 연산을 실행한다.
• 검사 시점 회복 기법
  • 로그 회복 기법과 같은 방법으로 로그 기록을 이용하되,
    일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint)을 만들어 둔다.
  • 장애 발생 시 가장 최근 검사 시점 이전의 트랜잭션에는 회복 잡업을 수행하지 않고,
    이후의 트랜잭션에만 회복 잡업을 수행한다.

  로그 전체를 대상으로 회복 기법 적용 시 데이터베이스 회복에 너무 많은 시간이 걸리고,
  redo 연산을 수행할 필요가 없는 트랜잭션에도 redo 연산을 실행하는 일이 발생하기도 때문에
  이러한 비효율성의 문제를 해결하기 위해 제안된 방법이 검사 시점 회복 기법이다.

• 미디어 회복 기법
  • 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사해두는 덤프를 이용한다.
  • 디스크 장애 발생 시 가장 최근에 복사해둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 일관된 데이터베이스 상태로 복구한다.
  • 덤프를 통한 복구 후 필요에 따라 로그의 내용을 토대로 redo 연산을 실행한다.
  • 비용이 많이 들고, 복사하는 동안에는 트랜잭션 수행을 중단해야 되므로 CPU가 낭비되는 단점이 있다.
  • 디스크에 발생할 수 있는 장애에 대한 회복 기법이다.

병행 제어

관련 용어

• 병행 수행 (concurrency)
  • DBMS에서 지원하는 여러 사용자가 DB를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션이 동시에 수행되는 기능
  • 여러 트랜잭션들이 차례대로 번갈아가며 실행되는 인터리빙(interleaving) 방식으로 진행된다.
• 병행 제어 (concurrency control)
  • 여러 개의 트랜잭션이 병행 수행되면서 같은 데이터에 접근하여 연산을 실행하더라도,
    문제가 발생하지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 트랜잭션의 수행을 제어하는 것
  • 동시성 제어라고도 부른다.

병렬 수행의 문제

• 갱신 분실 (lost update)
  • 하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를
    다른 트랜잭션이 덮어써서 변경 연산이 무효화 되는 것
• 모순성 (inconsistency)
  • 하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 때,
    일관성 없는 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것
  • 트랜잭션 T가 연산 A와 연산 B를 실행할 때,
    연산 A는 트랜잭션 작업 전의 데이터를 통해서 실행되고,
    연산 B는 트랜잭션 작업 후의 데이터를 가져와서 실행하는 경우가 이에 속한다.
• 연쇄 복귀 (cascading rollback)
  • 트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생하여 rollback 연산을 수행했을 때,
    해당 트랜잭션이 장애가 밸생하기 전에 변경한 데이터를 가져가서 변경 연산을 실행한
    또 다른 드랜잭션에도 rollback 연산을 연쇄적으로 실행해야 하는 경우
  • 트랜잭션 T1과 트랜잭션 T2가 있는데 T1이 rollback을 실행하기 전에 T2가 먼저 commit을 해버리면
    T2는 rollback 연산을 실행할 수가 없어서 큰 문제가 발생하게 된다.

트랜잭션 스케줄

• 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서
• 종류
  • 직렬 스케줄 (serial schedule)
    • 인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것
    • 모든 트랜잭션이 완료될 때까지 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 독립적으로 수행된다.
      • 항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻는다.
    • 병행수행으로 취급하지 않아서 일반적으로 잘 사용하지 않는다.
  • 비직렬 스케줄 (nonserial schedule)
    • 인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션들을 병행해서 수행시키는 것
    • 트랜잭션이 돌아가면서 연산들을 실행하기 때문에
      하나의 트랜잭션이 환료되기 전에 다른 트랜잭션의 연산이 실행될 수 있다.
    • 최종 수행 결과의 정확성을 보장할 수 없다.
      • 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
  • 직렬 가능 스케줄 (serializable schedule)
    • 직렬 스케줄과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄
    • 모든 비직렬 스케줄이 직렬 가능한 것은 아니다.
    • 직렬 가능 스케줄을 이용해 트랜잭션을 병행 수행해야 하지만,
      직렬 가능 스케줄인지를 판단하기가 쉽지 않다.
      • 다수의 트랜잭션을 대상으로 비직렬 스케줄을 찾아내는 것은 어렵다.
      • 하나씩 수행해보면서 직렬 스케줄과 같은 결과가 나오는지 확인하는 것도 간단하지 않다.
    • 대부분의 DBMS에서는 직렬 가능 스케줄인지를 검사하기 보다는 직렬 가능성을 보장하는 병행 제어 기법을 사용한다.

로킹 기법

• 병행 수행되는 트랜잭션들이 동일한 데이터에 동시에 접근하지 못하도록
  lock과 unlock이라는 두 개의 연산을 이용하는 병행 제어 기법
• 한 트랜잭션이 먼저 접근한 데이터에 대한 모든 연산을 마칠때까지,
  해당 데이터에 다른 트랜잭션이 접근하지 못하도록 상호배제(mutual exclusion)하여
  직렬 가능성을 보장하는 것이 기본 원리
• lock 연산
  • 트랜잭션이 사용할 데이터에 대한 독점권을가지기 위해 사용한다.
  • 종류
    • 공용(shared) lock
      • 데이터에 대한 사용권을 여러 트랜잭션이 함께 가질 수 있게 한다.
    • 전용(exclusive) lock
      • 데이터에 대한 사용권을 해당 트랜잭션이 독점하도록 한다.
• unlock 연산
  • 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 반납하기 위해 사용한다.
• 시스템에 따라서 lock 연산을 실행하는 대상 데이터의 크기인
  로깅 단위를 적절하게 선택하는 것이 중요하다.

2단계 로킹 규약 (2PLP)

• 기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해
  lock 연산과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새로운 규약을 추가한 것
• 트랜잭션 스케줄의 모든 트랜잭션이 2단계 로킹 규약을 준수하면
  해당 스케줄은 직렬 가능성이 보장된다.
• 2단계 로킹 규약의 전략
  • 확장 단계
    • 트랜잭션이 lock 연산만 실행할 수 있고, unlock 연산은 실행할 수 없는 단계
  • 축소 단계
    • 트랜잭션이 unlock 연산만 실핼할 수 있고, lock 연산은 실핼할 수 없는 단계
• 트랜잭션이 처음에 수행되면 확장 단계로 들어간다.
• 교착 상태는 처음부터 발생하지 않도록 예방하거나,
  발생했을 때 빠르게 탐지하여 필요한 조치를 취하는 방법으로 해결한다.