[DB] 데이터베이스 개론 - 10장 회복과 병행 제어

10장, 회복과 병행 제어

 

트랜잭션(Transaction)

: 하나의 작업을 수행하는 데 필요한 데이터베이스의 연산들을 모아놓은 것, 데이터베이스에서 논리적인 작업의 단위

 

트랜잭션의 모든 명령문이 완벽하게 처리되거나, 하나도 처리되지 않아야 데이터베이스가 모순이 없는 일관된 상태를 유지할 수 있다.

 

트랜잭션의 특성 : ACID 

• 원자성(Atomicity)
  트랜잭션을 구성하는 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 한다는 all-or-nothing 방식
  트랜잭션을 수행하다가 장애가 발생하여 작업을 완료하지 못했다면, 지금까지의 실행 연산을 모두 취소하고 트랜잭션 작업 전의 상태로 되돌려 트랜잭션의 원자성을 보장해야 한다. 
  
• 일관성(Consistency)
  트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관된 상태를 유지해야 함
  트랜잭션이 수행되기 전에 데이터베이스가 일관된 상태였다면, 트랜잭션의 수행이 완료된 후에도 일관된 상태가 유지되어야 한다.
  
  
• 격리성(Isolation)
  현재 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에 다른 트랜잭션들이 접근할 수 없음
  
  
• 지속성(Durability)
  트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 어떠한 경우에도 손실되지 않고 영구적이어야 함
  트랜잭션의 지속성을 보장하려면 시스템에 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 필요하다
  
  
  

 

트랜잭션의 연산

commit 연산 : 트랜잭션이 성공적으로 수행되었음을 선언(작업 완료)

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

 

 

트랜잭션의 상태

 

• 활동(active) 상태 : 트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태
• 부분 완료(partially committed) 상태 : 트랜잭션의 마지막 연산이 실행된 직후의 상태, 데이터베이스에는 반영하지 않은 상태
• 완료(committed) 상태 : 트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태
• 실패(failed) 상태 : 장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태
• 철회(aborted) 상태 : 트랜잭션을 수행하는 데 실패하여 rollback 연산을 실행한 상태, 종료된 트랜잭션은 다시 수행되거나 폐기된다
  

회복(recovery)

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

 

장애(failure)의 유형

• 트랜잭션 장애 : 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 데이터 부재 등
  
  
• 시스템 장애 : 하드웨어의 결함으로 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
  → 원인 : 하드웨어 이상으로 메인 메모리에 저장된 정보가 손실되거나 교착 상태가 발생한 경우 등
  
  
• 미디어 장애 : 디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태
  → 원인 : 디스크 헤드의 손상이나 고장 등

 

 

저장 장치의 종류

• 휘발성(volatile) 저장 장치 : 장애가 발생하면 저장된 데이터가 손실
  ex) 메인 메모리 등
  
  
• 비휘발성(nonvolatile) 저장 장치 : 장애가 발생해도 저장된 데이터가 손실되지 않음. 단 디스크 헤더 손상 같은 저장 장치 자체에 이상이 발생하면 데이터가 손실될 수 있음
  ex) 디스크, 자기 테이프, CD/DVD 등
  
  
• 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
  
  

- 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

 

- 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 관리자(recovery manager) : 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(dump) : 데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법, 미리 정해진 주기에 따라 실행

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

 

중복 저장한 데이터를 이용해 데이터 베이스를 복구하는 가장 기본적인 방법 :  redo, undo 연산

- redo(재실행) : 가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져온 후 로그를 이용해 복사본이 만들어진 이후에 실행된 모든 변경 연산을 재실행하여 장애가 발생하기 직전의 데이터베이스로 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)

 

 

로그 파일의 구성

로그 파일은 레코드 단위로 기록된다.

 

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로그 회복 기법

▶ 즉시 갱신(immediate update) 회복 기법

트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영한다. 이때 로그 파일에 먼저 기록한 후 반영한다.

- 트랜잭션이 완료되기 전 장애가 발생한 경우 : undo

- 트랜잭션이 완료된 후 장애가 발생한 경우 : redo

 

▶ 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 반영한다.

- 트랜잭션이 완료되기 전 장애가 발생한 경우 :  로그 내용 버림

- 트랜잭션이 완료된 후 장애가 발생한 경우 : redo

 

 

검사 시점 회복 기법

로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint)을 만들어 둔다. 장애가 발생하면 가장 최근 검사 시점 이전의 트랜잭션에는 회복 작업을 수행하지 않고, 이후의 트랜잭션에만 회복 작업을 수행한다. 
장점 : 불필요한 회복 작업을 수행하지 않아 회복 시간이 단축된다.

 

 

미디어 회복 기법

디스크에 발생하는 장애에 대비한 회복 기법. 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사해두는 덤프를 이용한다. 디스크 장애 발생 시, 가장 최근에 복사해 둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 상태로 복구하고, 필요에 따라 redo 연산을 실행한다.
복사 비용이 많이 들고, 복사할 때 트랜잭션 수행을 중단해야 하므로 CPU가 낭비된다는 단점이 있다.

 

 

병행 제어

병행 수행(concurrency)

: 여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션이 동시에 수행되는 것, 병행 수행은 여러 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 인터리빙(interleaving) 방식으로 진행된다.

 

병행 수행 시 발생하는 문제

• 갱신 분실(lost update)
  : 하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것
  
• 모순성(incosistency)
  : 하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것
  
• 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
  
  

트랜잭션 스케줄 : 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서

• 직렬 스케줄(serial schedule)
  인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션 별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것.
  항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻지만, 병행 수행이라고 할 수 없다.
  
  
• 비직렬 스케줄(nonserial schedule)
  인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션을 병행해서 수행시키는 것.
  갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있다.
  
  
• 직렬 가능 스케줄(serializable schedule)
  직렬 스케줄에 따라 수행한 것과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄
  여러 트랜잭션을 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있다.
  

 

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

 

병행 제어 기법

모든 트랜잭션이 따르면 직렬 가능성이 보장되는 나름의 규약을 정의하고, 트랜잭션들이 이 규약을 따르도록 하는 것

 

▶ 로킹(locking) 기법

병행 수행되는 트랜잭션들이 동일한 데이터에 동시에 접근하지 못하도록 lock과 unlock이라는 2개의 연산을 이용해 제어한다.
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.

- lock : 데이터에 대한 독점권을 가지기 위한 연산

- unlock : 데이터에 대한 독점권을 반납하기 위한 연산

로킹 단위가 클 수록 제어가 간단하지만 병행 수행의 장점이 적어지고,

로킹 단위가 작을 수록 많은 수의 트랜잭션을 병행 수행할 수 있지만 제어가 복잡하다. 

 

공용(shared) lock : 해당 데이터에 read만 가능, 다른 트랜잭션도 read 가능(여러 트랜잭션이 사용권을 함께 가짐)

전용(exclusive) lock : 해당 데이터에 read, write 가능, 다른 트랜잭션은 어떤 연산도 불가능(독점권)

 

2단계 로킹 규약(2PLP : 2 Phase Locking Protocol)
- 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 사용하면 트랜잭션 스케줄의 직렬 가능성을 보장할 수 있지만, 교착상태(deadlock)가 발생할 수 있다.

 

 

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참고자료

김연희, 『데이터베이스 개론 2판』, 한빛문화원(2019), p396-p470