회복과 병행 제어

• 병행 제어와 회복 작업의 기본 단위인 트랜잭션의 개념을 이해한다.
• 데이터베이스를 장애로부터 복구하는 다양한 회복 기법을 읽힌다.
• 여러 사용자가 동시에 접근할 수 있도록 트랜잭션 수행을 통제하는 병행 제어 기법을 익힌다.

트랜잭션(transaction)의 개념

• 하나의 작업을 수행하는데 필요한 데이터베이스 연산들을 모아놓은 것
• 작업 수행에 필요한 SQL 문들의 모임
  
  • 특히, 데이터베이스를 변경하는 INSERT, DELETE, UPDATE 문의 실행을 관리
• 논리적인 작업의 단위
• 장애 발생 시 복구 작업이나 병행 제어 작업을 위한 중요한 단위로 사용됨
• 데이터베이스의 무결성과 일관성을 보장하기 작업 수행에 필요한 연산들을 하나의 트랜잭션으로 제대로 정의하고 관리해야 함.

 

트랜잭션의 특성  -  원자성(atomicity)

• 트랜잭션의 연산들이 모두 정상적으로 실행되거나 하나도 실행되지 않아야 하는 all-or-nothing 방식을 의미
• 만약 트랜잭션 수행 도중 장애가 발생하면?
  • 지금까지 실행한 연산 처리를 모두 취소하고, 데이터베이스를 트랜잭션 작업 전 상태로 되돌려야 함
• 원자성의 보장을 위해 장애 발생 시 회복 기능이 필요

트랜잭션의 특성 - 일관성(consistency)

• 트랜잭션이 성공적으로 수행된 후에도 데이터베이스가 일관된 상태를 유지해야 함을 의미

트랜잭션의 특성 - 격리성(isolation)

• 수행 중인 트랜잭션이 완료될 때까지 다른 트랜잭션들이 중간 연산 결과에 접근할 수 없음을 의미
• 격리성의 보장을 위해서는 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 마치 순서대로 하나씩 수행되는 것처럼 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있도록 제어하는 기능이 필요

트랜잭션의 특성 - 지속성(durability)

• 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후 데이터베이스에 반영한 수행 결과는 영구적이어야 함을 의미
• 지속성의 보장을 위해 장애 발생 시 회복 기능이 필요

 

트랜잭션의 주요 연산 - commit 연산

• 트랜잭션의 수행이 성공적으로 완료되었음을 선언하는 연산
• commit 연산이 실행되면 트랜잭션의 수행 결과가 데이터베이스에 반영되고 일관된 상태를 지속적으로 유지하게 됨

트랜잭션의 주요 연산 - rollback 연산

• 트랜잭션의 수행이 실패했음을 선언하는 연산
• rollback 연산이 실행되면 트랜잭션이 지금까지 실행한 연산의 결과가 취소되고 데이터베이스가 트랜잭션 수행 전의 일관된 상태로 되돌아감

트랜잭션의 상태

• 활동(active) 상태
  • 트랜잭션이 수행되기 시작하여 현재 수행 중인 상태
• 부분 완료(partially committed) 상태
  • 트랜잭션의 마지막 연산이 실행을 끝낸 직후의 상태
• 완료(committed) 상태
  • 트랜잭션이 성공적으로 완료되어 commit 연산을 실행한 상태
  • 트랜잭션이 수행한 최종 결과를 데이터베이스에 반영하고, 데이터베이스가 새로운 일관된 상태가 되면서 트랜잭션이 종료됨
• 실패(failed) 상태
  • 장애가 발생하여 트랜잭션의 수행이 중단된 상태
• 철회(aborted) 상태
  • 트랜잭션의 수행 실패로 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
• 장애(failure)
  • 시스템이 제대로 동작하지 않는 상태

 

데이터베이스를 저장하는 저장 장치의 종류

 

트랜잭션의 수행을 위해 필요한 데이터 이동 연산

• 디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동 연산: input / output
• 메인 메모리와 프로그램 변수 간의 데이터 이동 연산: read/write

 

디스크와 메인 메모리 간 데이터 이동 연산의 필요성

• 일반적으로 데이터베이스는 비휘발성 저장 장치인 디스크에 상주
• 트랜잭션이 데이터베이스의 데이터를 처리하기 위해서는 데이터를 디스크에서 메인 메모리로 가져와 처리한 다음 그 결과를 디스크로 보내는 작업이 필요함

 

디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동 연산

• input 연산/ output 연산
• 블록(block) 단위로 수행됨
  • 디스크 블록 : 디스크에 있는 블록
  • 버퍼 블록 : 메인 메모리에 있는 블록

 

메인 메모리와 변수 간의 데이터 이동 연산

• read 연산 / write 연산
• 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 필요

 

회복(recovery)

• 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 일관된 상태로 복구시키는 것
• 트랜잭션의 특성을 보장하고, 데이터베이스를 일관된 상태로 유지하기 위해 필수적인 기능
• 회복 관리자(recovery manager)가 담당
  • 장애 발생을 탐지하고, 장애가 탐지되면 데이터베이스 복구 기능을 제공

회복을 위해 데이터베이스 복사본을 만드는 방법

• 데이터베이스 회복의 핵심 원리는 데이터 중복!

 

회복을 위한 기본 연산

 

로그 파일

• 데이터를 변경하기 이전의 값과 변경한 이후의 값을 기록한 파일
• 레코드 단위로 트랜잭션 수행과 함께 기록됨

회복 기법

 

로그 회복 기법- 즉시 갱신(immediate update) 회복 기법

• 트랜잭션 수행 중에 데이터 변경 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영
• 장애 발생에 대비하기 위해 데이터 변경에 대한 내용을 로그 파일에 기록
  • 데이터 변경 연산이 실행되면, 로그 파일에 로그 레코드를 먼저 기록한 다음 데이터베이스에 변경 연산을 반영
• 장애 발생 시점에 따라 redo나 undo 연산을 실행해 데이터베이스를 복구

 

 

 

로그 회복 기법 - 지연 갱신(deferred update) 회복 기법

• 트랜잭션 수행 중에 데이터 변경 연산의 결과를 로그에만 기록해두고, 트랜잭션이 부분 완료된 후에 로그에 기록된 내용을 이용해 데이터베이스에 한번에 반영
• 트랜잭션 수행 중에 장애가 발생한 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 됨
  • undo 연산은 필요없고 redo 연산만 사용
  • 로그 레코드에는 변경 이후 값만 기록하면 됨: <T, X, new_value> 형식

 

검사 시점 회복 기법

• 로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(checkpoint)을 만듦
  • 검사 시점이 되면 모든 레코드를 로그 파일에 기록하고, 데이터 변경 내용을 데이터베이스에 반영한 후 검사 시점을 표시하는 <checkpoint L> 로그 레코드를 로그 파일에 기록함
  • <checkpoint L>에서 L은 현재 실행되고 있는 트랜잭션의 리스트
• 장애 발생 시 가장 최근 검사 시점 이후의 트랜잭션에만 회복 작업 수행
  • 가장 최근의 <checkpoint L> 로그 레코드 이후 기록에 대해서만 회복 작업 수행
  • 회복 작업은 즉시 갱신 회복 기법이나 지연 갱신 회복 기법을 이용해 수행
• 로그 전체를 대상으로 회복 기법을 적용할 때 발생할 수 있는 비효율성의 문제를 해결
  • 검사 시점으로 작업 범위가 정해지므로 불필요한 회복 작업이 없어 시간이 단축됨

미디어 회복 기법

• 디스크에 발생할 수 있는 장애에 대비한 회복 기법
• 덤프(복사본) 이용
  • 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사
• 디스크 장애가 발생하면?
  • 가장 최근에 복사해둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 데이터베이스 상태로 복구하고 필요에 따라 redo 연산을 수행

병행 제어

병행 수행과 병행 제어

• 병행 수행(concurrency)
  • 여러 사용자가 데이터베이스를 동시에 공유할 수 있도록 여러 개의 트랜잭션을 동시에 수행하는 것을 의미
  • 여러 트랜잭션이 차례로 번갈아 수행되는 인터리빙(interleaving)방식으로 진행됨
• 병행 제어(concurrency control) 또는 동시성 제어
  • 병행 수행 시 같은 데이터에 접근하여 연산을 실행해도 문제가 발생하지 않고 정확한 수행 결과를 얻을 수 있도록 트랜잭션의 수행을 제어하는 것을 의미
• 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 마치 트랜잭션들을 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 함
• 모순성(inconsistency)
  • 하나의 트랜잭션이 여러 개 데이터 변경 연산을 실행할 때 일관성 없는 상태의 데이터베이스에서 가져와 연산함으로써 모순된 결과가 발생하는 것
  • 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 모순성 문제가 발생하지 않고 마치 트랜잭션들을 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 함
• 연쇄 복귀(cascading rollback)
  • 트랜잭션이 완료되기 전 장애가 발생하여 rollback 연산을 수행하면, 장애 발생 전에 이 트랜잭션이 변경한 데이터를 가져가서 변경 연산을 실행한 다른 트랜잭션에도 rollback 연산을 연쇄적으로 실행해야 한다는 것
  • 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 연쇄 복귀 문제가 발생하지 않고 마치 트랜잭션들을 순차적으로 수행한 것과 같은 결과 값을 얻을 수 있어야 함

트랜잭션 스케줄

• 트랜잭션에 포함되어 있는 연산들을 수행하는 순서

 

직렬 스케줄(serial schedule)

• 의미
  • 인터리빙 방식을 이용하지 않고 각 트랜잭션별로 연산들을 순차적으로 실행시키는 것
• 특징
  • 직렬 스케줄에 따라 트랜잭션이 수행되면, 다른 트랜잭션의 방해를 받지 않고 독립적으로 수행되므로 항상 모순이 없는 정확한 결과를 얻게 됨
  • 다양한 직렬 스케줄이 만들어질 수 있고, 직렬 스케줄마다 데이터베이스에 반영되는 최종 결과가 다를 수 있지만 직렬 스케줄의 결과는 모두 정확함
  • 각 트랜잭션을 독립적으로 수행하기 때문에 병행 수행으로 볼 수 없음

비직렬 스케줄(nonserial schedule)

• 의미
  • 인터리빙 방식을 이용하여 트랜잭션을 병행 수행하는 것
• 특징
  • 트랜잭션이 번갈아 연산을 실행하기 때문에 하나의 트랜잭션이 완료되기 전에 다른 트랜잭션의 연산이 실행될 수 있음
  • 비직렬 스케줄에 따라 병행 수행하면 갱신 분실, 모순성, 연쇄 복귀 등의 문제가 발생할 수 있어 결과의 정확성을 보장할 수 없음
  • 다양한 비직렬 스케줄이 만들어질 수 있고, 그 중에는 잘못된 결과를 생성하는 것도 있음

직렬 가능 스케줄(serializable schedule)

• 의미
  • 직렬 스케줄에 따라 수행한 것과 같이 정확한 결과를 생성하는 비직렬 스케줄
  • 비직렬 스케줄 중에서 수행 결과가 동일한 직렬 스케줄이 있는 것
• 특징
  • 인터리빙 방식으로 병행 수행하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있음
  • 직렬 가능 스케줄인지 판단하는 것은 간단한 작업이 아니므로 직렬 가능성을 보장하는 병행 제어 기법을 사용하는 것이 일반적임

 

병행 제어 기법 : 병행 수행하면서도 직렬 가능성을 보장하기 위한 기법

방법: 모든 트랜잭션이 준수하면 직렬 가능성이 보장되는 규약을 정의하고 트랜잭션들이 이 규약을 따르도록 함 (로깅 기법)

 

로깅(locking) 기법

• 기본 원리
  • 한 트랜잭션이 먼저 접근한 데이터에 대한 연산이 끝날 때까지는 다른 트랜잭션이 그 데이터에 접근하지 못하도록 상호 배제(mutual exclusion)함
• 방법
  • 병행 수행되는 트랜잭션들이 같은 데이터에 동시에 접근하지 못하도록 lock과 unlock 연산을 이용해 제어
    • lock : 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 요청하는 연산
    • unlock: 트랜잭션이 데이터에 대한 독점권을 반환하는 연산
• 기본 로깅 규약
  • 트랜잭션은 데이터에 접근하기 위해 먼저 lock 연산을 실행해 독점권을 획득함
  • read 또는 write 연산을 실행하기 전 lock 연산을 실행
  • 다른 트랜잭션에 의해 이미 lock 연산이 실행된 데이터에는 다시 lock 연산을 실행할 수 없음
  • 독점권을 획득한 데이터에 대한 모든 연산의 수행이 끝나면 트랜잭션은 unlock 연산을 실행해서 독점권을 반납해야 함
• 로깅 단위
  • lock 연산을 실행하는 대상 데이터의 크기
  • 전체 데이터베이스부터 릴레이션, 투플, 속성까지도 가능함
  • 로깅 단위가 커질수록 병행성은 낮아지지만 제어가 쉬움
  • 로깅 단위가 작아질수록 제어가 어렵지만 병행성은 높아짐

 

기본 로깅 규약의 효율성을 높이기 위한 방법

• 트랜잭션들이 같은 데이터에 동시에 read 연산을 실행하는 것을 허용
  • lock 연산을 두 가지 종류로 구분하여 사용

- 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)

• 의미
  • 기본 로킹 규약의 문제를 해결하고 트랜잭션의 직렬 가능성을 보장하기 위해 lock과 unlock 연산의 수행 시점에 대한 새로운 규약을 추가한 것
• 방법
  • 트랜잭션이 lock과 unlock 연산을 확장 단계와 축소 단계로 나누어 실행
  • 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

 

 

교착 상태(deadlock)

• 트랜잭션들이 상대가 독점하고 있는 데이터에 unlock 연산이 실행되기를 서로 기다리면서 트랜잭션의 수행을 중단하고 있는 상태
• 교착 상태가 발생하지 않도록 예방하거나, 발생 시 빨리 탐지하여 필요한 조치를 취해야 함