[데이터베이스] 트랜잭션과 무결성

트랜잭션은 데이터베이스에서 하나의 논리적 기능을 수행하기 위한 작업의 단위를 말한다. 

데이터베이스에 접근하는 방법은 '쿼리'이므로, 여러 개의 쿼리를 하나로 묶는 단위를 의미한다.

 

트랜잭션에 대한 특징은 원자성(Atomicity), 일관성(Consistency), 격리성(Isolation), 지속성(Durability)이 있으며 이를 약자로 ACID 특성이라고 부른다. 

 

원자성(Atomicity)

원자성은 트랜잭션과 관련된 모든 일이 수행되었거나, 수행되지 않았음을 보장하는 특징이다.

트랜잭션을 커밋했는데 문제가 발생하여 롤백하는 경우 그 이후에 모두 수행되지 않음을 보장하는 것을 말한다. 

 

예를 들어, 1000만원을 가진 홍철이가 0원을 가진 규영이에게 500만원을 이체한다면, 홍철이는 500만원, 규영이는 500만원을 가진 상태가 된다. 이러한 과정은 다음과 같은 동작들로 이뤄진다고 가정하자.

1. 홍철이가 잔고를 조회한다.

2. 홍철에게서 500만원을 뺀다.

3. 규영이에게 500만원을 넣는다.

 

여기서 1~3번 동작은 데이터베이스 사용자는 이 세 가지 과정을 볼 수도 참여할 수도 없다. 다만, 이 과정이 모두 끝난 후엔 홍철 500만원, 규영 500만원을 가진 결과만 알 수 있다. 

 

이러한 상황에서 위 작업을 취소한다고 했을 때, 홍철이는 다시 1000만원 가지게 되고, 규영이는 0원으로 돌아가야 한다. 

만약 3번 동작만 취소되어 홍철이는 500만원, 규영이는 0원을 가지게 되는 상황처럼 일부 동작만 취소되지 않는 다는 것을 보장한다.

 

또, 트랜잭션 단위로 여러 로직을 묶을 때 외부 API를 호출하는 것이 존재하면 안된다. 만약 존재한다면 롤백이 발생했을 때 어떻게 해야 할 것인지 해결 방법을 규정해야 한다.

 

커밋과 롤백(Commit, Rollback)

커밋은 여러 쿼리가 성공적으로 처리되었다고 확정하는 명령어이다. 

트랜잭션 단위로 수행되며, 변경된 내용이 모두 영구적으로 저장된다. 

즉, "커밋이 수행되었다"==="하나의 트랜잭션이 성공적으로 수행되었다"라고도 말한다.

위 그림처럼 update, delete, insert 쿼리가 하나의 트랜잭션 단위로 수행되고, 데이터베이스에 영구 저장된다. 

 

하지만, 에러나 여러 이슈 때문에 트랜잭션 전으로 돌려야 한다면 '롤백'을 수행한다. 

롤백이란 트랜잭션으로 처리한 하나의 묶음 과정을 일어나기 전으로 돌리는 일을 의미한다. 

위 상황에서 롤백을 수행하면 트랜잭션 시작점 이후의 모든 작업이 취소된다. 

 

이러한 커밋과 롤백 덕분에 데이터의 무결성이 보장된다. 또, 데이터 변경 전에 변경 사항을 쉽게 확인할 수 있고 해당 작업을 그룹화할 수 있다. 

 

일관성(Consistency)

트랜잭션 이후에, 데이터베이스의 상태는 이전과 같이 유효해야 한다. 즉, 데이터베이스의 제약이나 규칙을 만족해야 한다.

예를 들어 ‘모든 고객은 반드시 이름을 가지고 있어야 한다’는 데이터베이스의 제약이 있다고 가정한다.

다음과 같은 트랜잭션은 Consistency(일관성)를 위반한다.

1. 이름 없는 새로운 고객을 추가하는 쿼리
2. 기존 고객의 이름을 삭제하는 쿼리

또 다른 예를 들면, 통장에 1000만원이 있는 호철이와 0원이 있는 범석이가 있다고 했을 때, 범석이가 홍철이에게 500만원을 주는 트랜잭션은 발생하면 안된다. (마이너스 통장 제외ㅎㅎ..)

 

격리성(Isolation)

트랜잭션간에 서로 독립적이어야 한다 즉, 트랜잭션 수행 시 서로 끼어들지 못하는 것을 말한다.

동시에 실행되는 복수의 병렬 트랜잭션은 서로 격리되어 순차적으로 실행되는 것처럼 작동되어야 하고, 데이터베이스는 여러 사용자가 같은 데이터에 접근할 수 있어야 한다.

격리성을 신경쓰지 않고 원래도 순차적으로 처리하면 쉽겠지만 그러면 병렬로 처리하는 것에 비해 성능이 나빠질 것이다. 

 

격리성은 여러 개의 격리 수준(isolation level)으로 나뉘어 격리성을 보장한다.

출처 : https://velog.io/@chb1828/

위로 갈수록 동시성이 강해져서 성능은 높아지지만, 격리성이 낮아진다. 

SERIALIZABLE

말 그대로 순차적으로 트랜잭션을 진행시키는 것을 의미한다. 여러 트랜잭션이 동시에 같은 행에 접근할 수 없다.

이 수준은 매우 엄격한 수준으로 해당 행에 대해 격리시키고, 이후 트랜잭션이 해당 행에 대해 일어난다면 앞선 트랜잭션의 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다. 이 때문에 교착 상태가 일어날 확률도 많고 성능이 가장 떨어진다.

 

REPEATABLE_READ

하나의 트랜잭션이 수정한 행을 다른 트랜잭션이 수정할 수 없도록 막아주지만, 새로운 행을 추가하는 것을 막지는 않는다. 

따라서 이후에 추가된 행이 발견될 수도 있다.

 

READ_COMMITTED

가장 많이 사용되는 격리 수준이며, 다양한 DBMS에서 기본값으로 설정되어 있다.

READ_UNCOMMITTED와는 달리 다른 트랜잭션이 커밋하지 않는 정보는 읽을 수 없다. 즉, 커밋 완료된 데이터에 대해서만 조회를 허용한다.

하지만, 어떤 트랜잭션이 접근한 행을 다른 트랜잭션이 수정할 수 있다. 예를 들어, 트랜잭션 A가 수정한 행을 트랜잭션 B가 수정할 수도 있다. 이 때문에 트랜잭션 A가 같은 행을 다시 읽을 때 다른 내용이 조회될 수 있는 것이다.

 

READ_UNCOMMITTED

가장 낮은 격리성을 가지며, 하나의 트랜잭션이 커밋되기 전에 다른 트랜잭션에 노출되는 문제가 있지만, 성능이 가장 좋다.

이는 데이터 무결성을 위해 되도록이면 사용하지 않는 것이 좋지만, 몇몇 행이 제대로 조회되지 않더라도 괜찮은 거대한 양의 데이터를 어림잡아 집계하는 데는 사용해도 좋다.

 

또, 각 단계마다 나타나는 현상이 있다.

각각의 현상에 대해 자세히 알아보자!

 

격리 수준에 따라 발생하는 현상

격리 수준에 따라 발생하는 현상은 팬텀 리드(Phantom Read), 반복 가능하지 않은 조회(Non-Repeatable Read), 더티 리드(Dirty Read)가 있다.

• Phantom Read
  • 다른 트랜잭션이 커밋(Commit)한 데이터가 있더라도 자신의 트랜잭션에서 읽었던 내용만 사용하는 것을 의미한다.
  • 이러한 이유로 한 트랜잭션 내에서 동일한 쿼리를 보냈을 때, 해당 조회 결과가 다른 경우가 발생한다.
  • 예를 들어, 사용자 A가 회원 테이블에서 age가 12 이상인 회원들을 조회하는 쿼리를 보냈다고 가정한다.
  • 이 결과로 세 개의 레코드가 조회된다.
  • 이후에 그 다음 사용자 B가 age가 15인 레코드를 삽입한다.
  • 그러면 그 다음 동일한 쿼리를 보냈을 때 네 개의 레코드가 조회되는 것이다.
  • 보틍 위와 같이 데이터 삽입이 발생했을 경우 발생한다.
• Non-Repeatable Read
  • 다른 트랜잭션이 커밋(Commit)한 데이터를 읽을 수 있는 것을 의미한다.
  • 이러한 이유로 한 트랜잭션 내의 같은 행에 두 번 이상 조회가 발생했는데, 그 값이 다른 경우가 발생한다.
  • 예를 들어, 사용자 A가 보석의 개수가 100개라는 데이터를 가지고 있었는데, 이후 사용자 B가 그 값을 1로 변경해서 커밋했다고 하면 사용자 A는 100이 아닌 1을 읽게 되는 것이다. 
  • 보통 데이터의 수정/삭제가 발생했을 경우 발생한다.
• Dirty Read
  • 한 트랜잭션이 실행 중일 때, 다른 트랜잭션에 의해 수정되었지만 아직 '커밋되지 않은' 행의 데이터를 읽을 수 있을 때 발생한다.
  • 예를 들어, 사용자 A가 보석의 개수 100을 1로 변경하고, 변경 내용을 커밋하지 않은 상태라도 그 이후 사용자 B가 조회한 결과가 1로 나오는 경우를 말한다.

지속성(Durability)

성공적으로 수행된 트랜잭션은 영구적으로 반영되어야 하는 것을 의미한다.

이는 데이터베이스에 시스템 장애가 발생해도 데이터 자체에는 영향이 가지 않아야 하며, 원래 상태로 복구하는 회복 기능이 있어야 함을 의미한다. 데이터베이스를 이를 위해 체크섬, 저널링, 롤백 등의 기능을 제공한다.

전형적으로 모든 트랜잭션은 로그로 남고, 시스템 장애 발생 전 상태로 되돌릴 수 있다. 트랜잭션은 로그에 모든 것이 저장된 후에만 commit 상태로 간주될 수 있다.

 

*체크섬 : 중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법

*저널링 : 파일 시스템 또는 데이터베이스 시스템에 변경 사항을 반영하기 전에 로깅하는 것이다. 즉, 트랜잭션 등 변경 사항에 대한 로그를 남기는 것이다. 

 

무결성

무결성이란, 데이터의 정확성, 일관성, 유효성을 유지하는 것을 말하며 무결성이 유지되어야 데이터베이스에 저장된 데이터 값과 그 값에 해당하는 현실 세계의 실제 값이 일치하는지에 대한 신뢰가 생긴다.

• 개체 무결성
  • 기본키로 선택된 필드는 빈 값을 허용하지 않는다.
• 참조 무결성
  • 서로 참조 관계에 있는 두 테이블의 데이터는 항상 일관된 값을 유지해야 한다.
  • 예를 들어, 교수 테이블의 교수 ID가 학생 테이블의 외래키 지도교수 ID로 참조되어 있는 경우, 교수 테이블과 학생 테이블에서 동일한 교수에 대한 ID 값은 동일해야 한다.
• 고유 무결성
  • 특정 속성에 대해 고유한 값을 가지도록 조건(UNIQUE)이 주어진 경우 그 속성 값은 모두 고유한 값을 가진다.
• NULL 무결성
  • 특정 속성 값에 NULL이 올 수 없다는 조건(NOT NULL)이 주어진 경우 그 속성 값은 NULL이 될 수 없다는 제약 조건이다.