🔁 트랜잭션과 ACID 이해하기: 데이터베이스 동작 원리

- 트랜잭션(Transaction)이란?

트랜잭션은 데이터베이스의 상태를 변화시키는 하나의 논리적 작업 단위이다. 단순히 여러 개의 SQL 문을 실행하는 것을 넘어, 개발자가 의도한 하나의 기능이 안전하게 완료될 수 있도록 보장하는 최소한의 실행 단위를 의미한다.

트랜잭션의 가장 중요한 원칙은 "모두 성공하거나, 아니면 아예 실행되지 않은 상태로 남아야 한다"는 것이다. 여러 단계로 구성된 작업 중 단 하나라도 실패할 경우, 데이터베이스는 해당 작업을 시작하기 전의 깨끗한 상태로 되돌아가야 한다. 이를 통해 데이터의 부정합을 방지한다.

가장 대표적인 예로 '계좌 이체'가 있다. 계좌 이체는 내부적으로 최소 두 가지 이상의 연산이 결합되어 있다.

1. 출금 연산: A 계좌에서 10,000원을 인출함 (UPDATE)
2. 입금 연산: B 계좌에 10,000원을 입금함 (UPDATE)

이 두 연산은 논리적으로 하나의 단위로 묶여야 한다. 만약 출금은 성공했지만 입금 직전에 시스템 장애가 발생한다면, 돈은 증발하고 데이터는 일치하지 않게 된다.

트랜잭션의 제어: Commit과 Rollback

트랜잭션은 작업의 결과에 따라 다음 두 가지 방식으로 종료된다.

• Commit: 트랜잭션 내의 모든 연산이 성공적으로 수행되었을 때, 그 결과를 데이터베이스에 영구적으로 반영하는 명령이다.
• Rollback: 연산 도중 오류가 발생하거나 작업이 비정상적으로 종료되었을 때, 트랜잭션이 수행한 모든 변경 사항을 취소하고 이전 상태로 복구하는 명령이다.

- ACID란?

ACID는 트랜잭션이 안전하게 수행되기 위해 지켜야 할 4가지 속성을 의미한다.

1. Atomicity (원자성)

원자성은 트랜잭션이 데이터베이스에 모두 반영되거나, 하나라도 실패할 경우 전혀 반영되지 않아야 함을 보장하는 속성이다.

데이터베이스는 원자성을 구현하기 위해 Undo Log를 사용한다. 트랜잭션 수행 중 오류가 발생하거나 사용자가 Rollback을 명령하면, 시스템은 Undo Log에 기록된 변경 전 데이터를 찾아 현재 데이터를 덮어쓴다. 이 과정을 통해 작업이 시작되기 전의 상태로 완벽하게 되돌릴 수 있다.

여기에 추가로 원자성을 물리적으로 보장하기 위해 데이터베이스는 WAL(로그 우선 기록) 방식을 채택한다. 실제 데이터 파일을 디스크에 수정하기 전에, 발생한 변경 사항과 복구를 위한 로그를 디스크에 먼저 기록하는 방식이다.

2. Consistency (일관성)

일관성은 트랜잭션이 성공적으로 완료된 후, 데이터베이스가 미리 정해진 모든 규칙을 만족해야 함을 의미한다. 즉 트랜잭션 수행 전후로 데이터의 모순이 없어야 한다.

데이터베이스는 시스템적 규칙과 비즈니스적 규칙을 모두 충족하기 위해 다음과 같은 장치들을 사용한다.

• 무결성 제약 조건: 데이터베이스 수준에서 강제하는 규칙으로 개체 무결성, 참조 무결성, 도메인 무결성이 있다.
• 트랜잭션 메커니즘: 연산 과정에서 위와 같은 제약 조건을 위반하는 작업이 발생하면, 시스템은 즉시 트랜잭션을 중단하고 Rollback을 수행한다. 이를 통해 잘못된 데이터가 DB에 반영되는 것을 원천 차단한다.

다만 DB는 스키마에 정의된 규칙만 검증할 뿐, 모든 비즈니스 로직을 스스로 판단할 수는 없다. 따라서 개발자는 비즈니스 로직을 트랜잭션으로 묶어 규칙이 깨지지 않도록 설계해야 한다.

3. Isolation (격리성)

격리성은 복수의 트랜잭션이 동시에 실행될 때, 각 트랜잭션의 작업이 서로에게 영향을 미치지 않도록 보장하는 속성이다. 이론적으로는 여러 트랜잭션이 병렬로 실행되더라도, 그 결과가 트랜잭션을 하나씩 순차적으로 실행했을 때와 동일해야 한다.

데이터베이스는 성능과 격리성 사이의 균형을 맞추기 위해 다음 두 가지 방식을 주로 사용한다.

• 락(Locking): 트랜잭션이 데이터를 수정하는 동안 해당 데이터를 잠궈 다른 트랜잭션의 접근을 막는 비관적 방식이다. 데이터 정합성을 확실히 보장하지만, 대기 시간이 길어져 전체적인 처리 성능이 하락할 수 있다.
• MVCC(Multi-Version Concurrency Control): 데이터의 여러 버전을 관리하는 낙관적 방식이다. 데이터를 수정할 때 원본 대신 복사본을 생성하여 작업하므로, 읽기 작업과 쓰기 작업이 서로를 방해하지 않는다. 현대적인 DBMS(MySQL, PostgreSQL 등)의 기본 아키텍처이다.

격리 수준

이론적으로는 완벽한 격리(Serializability)가 가장 안전하지만, 이는 성능 저하를 초래한다. 따라서 ANSI/ISO SQL 표준은 격리 정도에 따라 4가지 단계로 구분하여 선택할 수 있게 한다.

• Read Uncommitted: 커밋되지 않은 데이터도 읽기를 허용한다. Dirty Read, Non-repeatable Read, Phantom Read가 발생할 수 있다.
• Read Committed: 커밋된 데이터만 읽기를 허용한다. Dirty Read 현상을 해결한다.
• Repeatable Read: 트랜잭션 내에서 동일 데이터 반복 조회 시 결과를 보장한다. Non-repeatable Read 현상을 해결한다.
• Serializable: 트랜잭션을 순차적으로 실행하는 것과 동일하게 처리한다. 모든 부정합 현상을 해결하지만 동시 처리 성능이 가장 낮다.

4. Durability (지속성)

지속성은 성공적으로 완료(Commit)된 트랜잭션의 결과가 시스템 장애가 발생하더라도 데이터베이스에 영구적으로 기록되어야 함을 의미한다.

데이터베이스는 메모리에 있는 데이터를 디스크로 옮기는 과정에서 발생하는 물리적 한계를 극복하기 위해 다음 장치들을 사용한다.

• Redo Log: 트랜잭션이 발생시킨 모든 변경 사항을 기록하는 로그이다. 실제 데이터 파일에 변경 내용을 쓰기 전에, 변경 이력을 로그에 먼저 남긴다. 시스템 장애로 메모리의 데이터가 사라지더라도, 재부팅 시 이 Redo Log를 읽어 들여 작업 내용을 재현함으로써 데이터를 복구한다.
• WAL: 원자성과 마찬가지로 지속성을 보장하기 위해 데이터를 수정하기 전 로그를 먼저 기록한다.
• 체크포인트: 로그가 무한정 커지는 것을 방지하고 복구 시간을 단축하기 위해 주기적으로 메모리의 변경 내용을 디스크와 동기화하는 지점이다. 장애 발생 시 마지막 체크포인트 이후의 로그만 분석하면 되므로 복구 효율이 높아진다.