10. 회복과 병행 제어
데이터베이스에 문제가 발생했을 때 이를 원래 상태로 회복하고, 사용자들이 데이터베이스를 동시에 사용하더라도 다툼 없이 사이좋게 사용할 수 있도록 하는 병행 제어 기능을 학습한다.
10.1. 트랜잭션
10.1.1. 트랜잭션의 개념
트랜잭션은 작업 하나를 수행하는 데 필요한 데이터베이스의 연산(SQL문)들을 모아놓은 것으로, 데이터베이스에서 논리적인 작업의 단위가 된다. 또한 데이터베이스에 장애가 발생했을 대 데이터를 복구하는 작업의 단위도 된다.
예를들어 A가 B에게 500원을 이체하는 계좌이체 트랜잭션은 다음과 같이 2개의 SQL문으로 구성할 수 있다.
UPDATE 계좌
SET 잔액 = 잔액 - 500
WHERE 계좌소유자 = 'A';
UPDATE 계좌
SET 잔액 = 잔액 + 500
WHERE 계좌소유자 = 'B';
만일 시스템의 장애로 첫 번째 SQL문만 실행되는 오류가 발생하였다면, 시스템이 정상적으로 작동하게 되었을 때 두 번째 UPDATE문을 실행하거나, 첫 번째 UPDATE문의 실행을 취소하여 트랜잭션을 작업 전 상태로 되돌아가게 해야 한다.
트랜잭션은 복구작업과 제어작업을 수행하는 중요한 단위로써, 트랜잭션의 모든 명령문이 완벽하게 처리되거나 하나도 처리되지 않아야 한다.
10.1.2. 트랜잭션의 특성
- 원자성
트랜잭션을 구성하는 연산들은 모두 실행되거나, 혹은 하나도 실행되지 않아야 한다. 즉 트랜잭션을 구성하는 연산 중 일부만 데이터베이스에 반영되는 일이 없게 한다. - 일관성
트랜잭션이 이루어진 후에도 데이터베이스의 일관성을 유지해야 한다. 즉 데이터베이스의 특징적인 제약이나 규칙을 만족해야 한다. - 격리성
현재 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 트랜잭션이 생성한 중간 연산 결과에 다른 트랜잭션들이 접근할 수 없음을 의미한다. - 지속성
트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 어떠한 경우에도 손실되지 않고 영구적이다. 즉, 시스템에 장애가 발생하더라도 트랜잭션 작업 결과는 없어지지 않고 데이터베이스에 그대로 남아 있도록 회복 기능을 가져야한다.
위 트랜잭션의 4가지 특성은 각각 DBMS의 회복과 병행지원 기능으로 만족된다.
| DBMS 기능 | 트랜잭션 특성 |
|---|---|
| 회복 기능 | 원자성, 지속성 |
| 병행 제어 기능 | 일관성, 격리성 |
10.1.3. 트랜잭션의 연산
- commit 연산
- 트랜잭션의 수행이 성공적으로 완료되었음을 선언하는 연산.
- 연산의 결과를 데이터베이스에 반영한다.
- rollback 연산
- 트랜잭션의 수행이 실패했음을 선언하는 연산.
- 트랜잭션의 연산 결과를 취소하고 트랜잭션이 수행되기 전의 상태로 돌아간다.
10.1.4. 트랜잭션의 상태
- 활동 상태
트랜잭션이 수행 중인 상태 - 부분 완료 상태
트랜잭션의 마지막 연산까지 완료된 상태 - 완료 상태
commit 연산으로 트랜잭션의 수행 결과가 DB에 반영된 상태 - 실패 상태
트랜잭션을 더 이상 정상적으로 수행할 수 없는 상태 - 철회 상태
트랜잭션이 수행되기 전 데이터베이스 상태로 트랜잭션이 종료된 상태
철회된 트랜잭션은 상황에 다라 다시 수행되거나 폐기된다.
10.2. 장애와 회복
데이터베이스의 회복 기능은 트랜잭션의 원자성을 보장하며, 데이터 베이스를 일관된 상태로 유지시킨다.
10.2.1. 장애와 유형
시스템이 제대로 동작하지 않는 상태를 장애라고 한다.
| 유형 | 의미 |
|---|---|
| 트랜잭션 장애 | 트랜잭션의 논리적 오류, 잘못된 데이터 입력, 시스템 자원의 과다 사용, 처리 대상 데이터의 부재 |
| 시스템 장애 | 하드웨어 이상으로 메인 메모리에 저장된 정보가 손실되거나 교착된 상태 |
| 미디어 장애 | 디스크 헤드의 손상이나 고장 등으로 데이터베이스의 일부가 손상된 상태 |
10.2.2. 데이터베이스의 저장 연산
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저장장치 종류
저장 장치는 장애가 발생했을 때 대응하는 방법에 따라 3 종류로 분류할 수 있다.저장 장치 설명 휘발성 저장 장치 장애가 발생하면 저장된 데이터가 손실된다 비휘발성 저장 장치 장애가 발생해도 저장된 데이터가 손실되지 않는다. 다만 저장장치 자체에 이상이 발생하면 데이터가 손실된다. 안정 저장 장치 비휘발성 저장 장치를 이용해 데이터 복사본을 여러 개 만드는 것 -
데이터 이동 연산
데이터베이스의 데이터를 CPU가 처리하기 위해서는 메인메모리로 데이터를 읽어와야 한다. 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 블록단위로 수행된다.연산 의미 input() 디스크 블록에 저장되어 잇는 데이터를 메인 메모리 버퍼 블록으로 이동시키는 연산 output() 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터를 디스크 블록으로 이동시키는 연산 read() 메인 메모리 버퍼 블록에 저장되어 있는 데이터를 프로그램 변수로 읽어오는 연산 write() 프로그램 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터에 기록하는 연산 
10.2.3. 회복 기법
데이터베이스 관리 시스템에 잇는 회복 관리자는 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스 복구 기능을 제공한다. 데이터베이스를 복구하는 동안에는 데이터베이스에 접근하여 업무를 처리할 수 없다.
-
회복을 위한 연산
데이터베이스 회복의 핵심원리는 데이터 중복(백업)이다.연산 의미 덤프(dump) 데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법 로그(log) 데이터베이스에서 변경 연산이 실행될 때마다 레코드를 기록하는 방법 장애가 발생하였을 때는, 중복 저장한 데이터를 이용해 데이터베이스를 복구한다.
연산 의미 재실행(redo) 가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져오고, 로그를 이용해 저장 이후 변경 연산을 재실행한다. 취소(undo) 로그를 이용해 지금까지 실행된 변경 연산을 취소한다. -
로그 레코드
로그는 데이터 손실이 발생하지 않는 저장 장치에 저장해두며, 로그 파일은 레코드 단위로 기록된다.
레코드 설명 <T, start> 트랜잭션 T 수행 시작 <T, X, old_value, new_value> 트랜잭션 T가 데이터 X를 old_value에서 new_value로 변경 <T, commit> 트랜잭션 T가 성공적으로 완료 <T, abort> 트랜잭션 T가 철회 
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회복 기법의 종류
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즉시 갱신 회복 기법
트랜잭션 수행 중에 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영한 경우 (로그 레코드를 먼저 기록하고 데이터베이스를 변경한다)
트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우 undo 연산을 실행하고, 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우 redo 연산을 실행한다. -
지연 갱신 회복 기법
트랜잭션이 부분 완료된 이후에 로그에 기록된 내용을 데이터베이스에 한 번에 반영하는 경우
트랜잭션이 완료되기 전에 장애가 발생한 경우 로그만 버리고, 트랜잭션이 완료된 후에 장애가 발생한 경우 redo 연산을 실행한다. -
검사 시점 회복 기법
일정 시간 간격으로 검사시점을 만들어 로그 회복 기법의 시간을 단축시키는 방법.
일정 시간 간격으로 메인 메모리에 모든 로그 레코드를 안정 저장 장치의 로그 파일에 기록하며, 트랜잭션을 데이터베이스에 반영한다. 그 다음, 검사 시점을 표시하는 <checkpoint L> 로그 레코드를 로그 파일에 기록한다. L은 현재 실행되고 있는 트랜잭션 리스트이다.
장애가 발생하면 <checkpoint L> 로그 레코드를 찾아 그 이후의 로그 기록에만 회복 작업을 수행한다. -
미디어 회복 기법
비휘발성 저장 장치인 디스크에 장애가 발생할 경우를 대비해 데이터베이스 전체를 일정 주기마다 다른 안전한 장치에 덤프한다.
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10.3. 병행 제어
10.3.1. 병행 수행과 병행 제어
병행 수행은 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 인터리빙 방식으로 진행된다. 그런데 병행 수행되는 트랜잭션들이 동시에 같은 데이터에 접근하여 변경 연산을 실행하려고 할 경우, 예상치 못한 결과가 나타날 수도 있다.
여러 개의 트랜잭션이 병행 수행되더라도 정확한 결과를 얻을 수 있도록 제어하는 것을 병행 제어(동시성 제어)라고 한다.
10.3.2. 병행 수행의 문제
병행 수행 시 발생할 수 있는 문제들은 다음과 같다.
- 갱신 분실
하나의 트랜잭션이 수행한 데이터 변경 연산의 결과를 다른 트랜잭션이 덮어써 변경 연산이 무효화되는 것
- 모순성
하나의 트랜잭션이 여러 개의 데이터 변경 연산을 실행할 대 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 데이터를 가져와 연산을 실행함으로써 모순된 결과가 발생하는 것
- 연쇄 복귀
장애가 발생한 트랜잭션이 rollback 연산을 실행하기 전에, 변경한 데이터를 가져가 사용하는 다른 트랜잭션이 수행을 완료해버려 해당 연산에 rollback연산을 실행할 수 없는 것
10.3.3. 트랜잭션 스케쥴
트랜잭션 스케쥴은 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들은 수행하는 순서이다.
- 직렬 스케쥴
- 인터리빙 방식을 이용하지 않고 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것
- 정확한 결과를 얻을 수 있지만, 병행 수행이라고 할 수 없다.
- 비직렬 스케쥴
- 인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션을 병행하여 실행시키는 것.
- 병행 수행의 문제들이 발생할 수 있어 최종 수행 결과의 정확성을 보장할 수 없다.
- 직렬 가능 스케쥴
- 정확한 결과를 보장하는 비직렬 스케쥴
직렬 가능 스케쥴인지 여부를 판단하는 일은 비용이 많이 든다. 따라서 대부분의 데이터베이스 관리시스템은 병행제어기법을 사용한다.
10.3.4. 병행 제어 기법
병행 제어 기법은 병행 수행되는 트랜잭션들이 미리 정의한 규약을 따름으로써 직렬 가능성을 보장하는 것이다.
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로킹 기법의 개념
lock연산을 통해 데이터에 독점권을 가질 수 있고, unlock연산을 통해 데이터 독점권을 반납할 수 있다.
로킹 단위가 커질 수록 제어가 간단하지만 병행 수행이 어려워지고, 작아질수록 병행 수행이 자유로워지지만 제어가 어려워진다.
또한 처리 효율성을 높이리 위해 로킹의 제약조건은 크게 공용 lock과 전용 lock으로 분류된다.연산 설명 공용(shared) lock 데이터에 read 연산을 실행할 수 있지만 write 연산은 실행할 수 없다. 여러 트랜잭션이 동시에 한 데이터에 대해 공용 lock 연산을 실행할 수 있다. 전용(exclusive) lock 해당 트랜잭션만 데이터에 read / write 연산을 실행할 수 있다. 다른 트랜잭션은 어떠한 연산도 실행할 수 없다. unlock lock연산에 대한 권한을 반납한다. 기본 로킹규약만으로는 직렬가능성이 보장되지 않기 때문에 2단계 로킹 규약을 추가해야한다.
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2단계 로킹 규약
2단계 로킹 규약은 트랜잭션의 상태를 2가지로 나눈다.상태 의미 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 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하지만, 교착 상태(daeadlock)가 발생할 수 있다. 교착상태는 트랜잭션들이 상대가 독점하고 잇는 데이터에 unlock연산이 실행되기를 서로 기다리면서 수행을 중단하고 있는 상태이다. 교착 상태는 처음부터 발생하지 않도록 예방하거나, 발생했을 때 빨리 탐지하여 필요한 조치를 취하는 방법으로 해결한다.
