트랜잭션이란 무엇인가?

1. 트랜잭션의 개념

트랜잭션은 데이터베이스 상의 작업의 논리적 단위를 의미합니다. 데이터베이스에서 실행되는 작업은 여러 개의 연산들로 이루어질 수 있습니다. 이러한 연산들은 보통 하나의 작업을 완전히 수행하기 위해 함께 동작해야 하는 것들입니다.

트랜잭션은 이러한 연산들을 한꺼번에 묶어서 처리하는 개념입니다. 이렇게 한번에 처리되는 작업들은 모두 성공하거나 모두 실패하는 원자성(Atomicity)을 가지고 있습니다. 즉, 작업 중에 오류가 발생하거나 다른 이유로 작업을 중단시키면 이전 상태로 복원되어야 합니다.

한 예시로 은행 송금을 들어보겠습니다. 송금 작업은 보내는 쪽에서 송금액을 감소시키고, 받는 쪽에서는 입금액을 증가시켜야 합니다. 이 두 작업을 하나의 트랜잭션으로 묶으면, 송금이 실패하면 입금도 원래 상태로 복원됩니다. 즉, 송금과 입금은 함께 실행되어야 하며, 오류가 발생하면 이전 상태로 롤백되는 것입니다.

트랜잭션은 데이터베이스 시스템의 핵심 개념으로, 데이터의 일관성과 신뢰성을 보장합니다. 다음 항목에서는 트랜잭션의 특성에 대해 알아보겠습니다.

2. 트랜잭션의 특성

트랜잭션은 데이터베이스에서 정확하고 안전한 처리를 위해 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다:

2.1 원자성 (Atomicity)

트랜잭션의 가장 중요한 특성 중 하나는 원자성입니다. 원자성은 트랜잭션의 연산들이 모두 성공하거나 모두 실패해야 한다는 것을 의미합니다. 트랜잭션 내의 어떠한 연산이라도 실패하면, 트랜잭션은 취소되고 이전 상태로 되돌아갑니다. 모든 연산이 성공적으로 완료될 경우에만, 트랜잭션은 커밋되어 영구적이고 일관된 상태로 데이터베이스에 반영됩니다.

2.2 일관성 (Consistency)

트랜잭션은 데이터베이스의 일관성을 유지하는 것이 중요합니다. 일관성은 트랜잭션이 데이터베이스의 상태를 변화시킬 때, 데이터베이스가 정의된 제약 조건을 항상 만족하는 것을 의미합니다. 다시 말해서, 트랜잭션이 실행된 후에도 데이터베이스가 어떠한 무결성 규칙도 위반하지 않아야 합니다. 트랜잭션은 데이터베이스의 무결성을 유지하기 위해 어떠한 조치도 취해야 합니다.

2.3 격리성 (Isolation)

Isolation (or Isolation Level)은 여러 개의 트랜잭션이 동시에 실행될 때, 각 트랜잭션이 서로 간섭하지 않고 격리되어 있는지를 나타냅니다. 트랜잭션은 독립적으로 실행되는 것처럼 보여야 합니다. 이를 위해 데이터베이스 시스템은 병행 제어(Concurrency Control) 메커니즘을 사용하여 트랜잭션 간의 격리성을 보장합니다.

2.4 지속성 (Durability)

지속성은 트랜잭션이 커밋된 이후에도 그 결과가 유지되어야 함을 의미합니다. 성공적으로 커밋된 트랜잭션은 데이터베이스에 영구적으로 반영되어야 합니다. 즉, 시스템 장애가 발생하거나 시스템이 다시 시작되어도 커밋된 트랜잭션의 결과는 유지되어야 합니다. 이를 위해 트랜잭션의 결과는 로그 파일 등의 방법으로 영구 저장되어야 합니다.

이러한 특성들은 ACID (원자성, 일관성, 격리성, 지속성) 속성이라고도 알려져 있습니다. 다음 항목에서는 트랜잭션의 ACID 속성에 대해 자세히 알아보겠습니다.

3. 트랜잭션의 ACID 속성

트랜잭션의 ACID 속성은 데이터베이스에서 안전하고 일관된 처리를 위해 필요한 속성들을 나타냅니다:

3.1 원자성 (Atomicity)

원자성은 트랜잭션의 연산들이 모두 성공하거나 모두 실패해야 한다는 것을 의미합니다. 트랜잭션을 이루는 모든 작업은 하나의 논리적 단위로 간주되며, 어떤 하위 연산이 실패하더라도 트랜잭션은 롤백되어 이전 상태로 복원됩니다. 이렇게 함으로써 데이터베이스 시스템은 데이터 일관성을 유지할 수 있습니다.

3.2 일관성 (Consistency)

트랜잭션의 일관성은 데이터베이스의 상태를 변화시킬 때, 데이터베이스가 정의된 제약 조건을 항상 만족해야 함을 의미합니다. 예를 들어 금액이 음수가 되지 않는 등의 제약 조건을 가진 데이터베이스에서 트랜잭션 실행 후 이러한 제약 조건이 계속 유지되어야 합니다. 일관성을 유지하기 위해 트랜잭션은 어떠한 조치도 취해야 하며, 일부 연산이 실패하면 트랜잭션은 롤백되어 이전 상태로 되돌립니다.

3.3 격리성 (Isolation)

격리성은 트랜잭션 간의 상호 간섭을 방지하기 위해 필요한 속성입니다. 여러 개의 트랜잭션이 동시에 실행될 때, 각 트랜잭션은 서로 독립적으로 실행되는 것처럼 보여야 합니다. 격리성은 동시에 실행되는 트랜잭션 간의 간섭을 방지하여 데이터 일관성을 유지하고, 데이터의 정확성을 보장합니다. 이를 위해 병행 제어 메커니즘이 사용되며, 여러 격리 수준(Isolation Level)을 통해 트랜잭션 간의 격리 정도를 조절할 수 있습니다.

3.4 지속성 (Durability)

지속성은 트랜잭션이 커밋된 이후에도 그 결과가 영구적으로 유지되어야 함을 의미합니다. 성공적으로 커밋된 트랜잭션은 데이터베이스에 영구적으로 반영되어야 합니다. 이는 시스템 장애나 다시 시작되는 경우에도 커밋된 트랜잭션의 결과가 유지되어야 함을 의미합니다. 데이터베이스 시스템은 이러한 지속성을 보장하기 위해 로그 파일 등의 방법을 사용하여 트랜잭션의 결과를 영구적으로 저장합니다.

ACID 속성은 데이터베이스 시스템에서 트랜잭션이 안전하게 처리되고 데이터 일관성을 보장하는 데에 중요한 역할을 합니다. 이를 위해 트랜잭션은 원자성, 일관성, 격리성, 지속성을 함께 가지고 있어야 합니다.

4. 트랜잭션의 격리 수준

트랜잭션의 격리 수준(Isolation Level)은 여러 개의 트랜잭션이 동시에 실행될 때, 각 트랜잭션이 서로 간섭하지 않고 격리되어 있는지를 나타냅니다. 격리 수준은 동시성 제어의 단계를 정의하며, 트랜잭션 간에 어떤 수준의 격리가 보장되는지 결정합니다. 데이터베이스 시스템은 다음과 같은 네 가지의 격리 수준을 제공합니다:

4.1 READ UNCOMMITTED (미확인 읽기)

READ UNCOMMITTED 격리 수준은 가장 낮은 수준의 격리 수준입니다. 이 수준에서는 트랜잭션이 다른 트랜잭션에서 변경 중인 데이터를 읽을 수 있습니다. 이는 다른 트랜잭션에서 아직 커밋되지 않은 데이터를 읽을 수 있음을 의미합니다. 이러한 격리 수준은 읽기에 대한 제약을 거의 두지 않기 때문에 DIRTY READ (불완전한 읽기) 문제가 발생할 수 있습니다.

4.2 READ COMMITTED (확인 읽기)

READ COMMITTED 격리 수준은 다른 트랜잭션이 커밋한 데이터만 읽을 수 있도록 보장합니다. 이 수준에서는 트랜잭션이 다른 트랜잭션에서 변경 중인 데이터를 읽지 않습니다. 커밋된 데이터만 읽게 되므로 DIRTY READ 문제는 발생하지 않지만, NON-REPEATABLE READ 문제가 발생할 수 있습니다. 즉, 한 트랜잭션에서 같은 쿼리를 여러 번 실행할 때, 결과가 일관성 없이 변경될 수 있습니다.

4.3 REPEATABLE READ (반복 가능한 읽기)

REPEATABLE READ 격리 수준은 한 트랜잭션 내에서 같은 쿼리를 여러 번 실행해도 결과가 항상 동일함을 보장합니다. 이를 위해 트랜잭션은 동시에 실행되는 다른 트랜잭션에서 수행하는 변경 작업에 대한 읽기를 차단합니다. 이러한 격리 수준은 DIRTY READ와 NON-REPEATABLE READ 문제를 방지할 수 있지만, PHANTOM READ 문제는 발생할 수 있습니다. PHANTOM READ란, 동일한 쿼리를 실행하는 동안 다른 트랜잭션이 새로운 행을 추가하여 결과가 변경되는 현상을 말합니다.

4.4 SERIALIZABLE (직렬화 가능)

SERIALIZABLE 격리 수준은 가장 높은 수준의 격리 수준입니다. 이 수준에서는 트랜잭션 간에 완전한 격리가 이루어지며, DIRTY READ, NON-REPEATABLE READ, PHANTOM READ 등 어떠한 문제도 발생하지 않습니다. 이를 위해 트랜잭션은 다른 트랜잭션의 작업이 완전히 완료될 때까지 대기합니다. SERIALIZABLE 격리 수준은 동시성을 희생하고 데이터 일관성을 최대화하기 위해 사용됩니다.

각 격리 수준은 트랜잭션의 동시성과 데이터 무결성 사이의 트레이드오프를 나타냅니다. 낮은 격리 수준은 동시성을 향상시키지만 데이터 일관성에 영향을 줄 수 있으며, 높은 격리 수준은 데이터 일관성을 유지하지만 동시성을 제한할 수 있습니다. 데이터베이스 시스템에서는 이러한 격리 수준을 설정할 수 있으며, 애플리케이션 개발자는 성능과 데이터 일관성 사이에서 적절한 격리 수준을 선택해야 합니다.

5. 트랜잭션의 관리와 병행 제어

트랜잭션의 관리와 병행 제어는 데이터베이스 시스템에서 트랜잭션을 정확하게 처리하고 동시에 실행되는 여러 트랜잭션의 일관성과 격리를 유지하기 위해 필요한 작업들을 나타냅니다. 이를 위해 데이터베이스 시스템은 다음과 같은 기능과 메커니즘을 제공합니다:

5.1 트랜잭션 관리

트랜잭션 관리는 트랜잭션의 시작, 종료, 커밋, 롤백 등의 작업을 관리하는 역할을 합니다. 트랜잭션은 애플리케이션 레벨에서 시작되어 데이터베이스 내에서 실행되며, 성공적으로 완료되면 커밋되어 데이터베이스에 영구적으로 반영됩니다. 그러나 트랜잭션이 실패하거나 취소되어야 할 경우에는 롤백되어 이전 상태로 되돌립니다. 트랜잭션 관리는 이러한 트랜잭션의 수행과 상태 변화를 추적하고 관리함으로써 데이터 일관성과 격리를 보장합니다.

5.2 병행 제어

병행 제어는 여러 개의 트랜잭션이 동시에 실행될 때 데이터의 일관성을 유지하고 격리 수준을 보장하기 위한 메커니즘입니다. 병행 제어는 동시에 실행되는 여러 트랜잭션 간의 경합 상황인 병행 동시성 제어(Concurrency Control)와 다른 트랜잭션의 변경에 의해 데이터가 영향을 받지 않도록 보호하는 일관성 유지(Mutual Consistency)를 포함합니다.

5.2.1 병행 동시성 제어

복수 개의 트랜잭션이 동시에 실행될 때, 데이터베이스 시스템은 병행 동시성 제어를 수행하여 트랜잭션 간의 충돌을 방지하고 일관성을 유지합니다. 병행 동시성 제어는 데이터베이스 시스템이 동시에 실행되는 트랜잭션 간의 연산 순서를 제어하고, 그 순서에 따라 잠금과 해제 메커니즘을 사용하여 데이터의 일관성을 보장합니다. 이를 통해 DIRTY READ, NON-REPEATABLE READ, PHANTOM READ 등의 격리 수준 문제를 해결하고 동시성을 개선할 수 있습니다.

5.2.2 일관성 유지

병행 제어는 일관성 유지를 위해 다른 트랜잭션의 변경에 의해 영향을 받지 않는 일관된 데이터 접근을 보장합니다. 예를 들어 하나의 트랜잭션이 읽기 작업을 수행하는 동안 다른 트랜잭션이 해당 데이터를 변경하더라도 읽는 트랜잭션은 변경된 내용을 볼 수 없습니다. 일관성 유지를 위해 여러 가지의 잠금 메커니즘과 동시성 제어 알고리즘이 사용됩니다.

트랜잭션의 관리와 병행 제어는 데이터베이스 시스템의 핵심 기능 중 하나입니다. 트랜잭션의 시작과 종료, 커밋과 롤백, 동시성 제어와 일관성 유지 등을 효과적으로 관리함으로써 데이터베이스 시스템은 안전하고 일관된 데이터 처리를 보장합니다.