동시성 제어

3. 주요 특징

동시성 제어는 개별 트랜잭션이 무결성 규칙을 따르도록 하여 결과적으로 시스템 전체가 무결성을 유지하도록 하는 것을 목표로 한다. 정확성을 유지하면서 가능한 한 성능을 향상시키는 것이 목표이다. 프로세스, 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 그룹에서 트랜잭션이 분산 트랜잭션되는 경우가 많아짐에 따라, 동시성 제어의 필요성은 증대하고 있다. 동시성 제어는 데이터 복구와 복제에도 영향을 받는다.^[8][5]

3. 1. 데이터베이스 트랜잭션과 ACID 규칙

• 원자성 (Atomicity): 트랜잭션의 모든 연산은 모두 성공적으로 완료되거나, 아니면 전혀 수행되지 않아야 한다. 즉, 트랜잭션은 '전부 아니면 전무(all or nothing)' 방식으로 처리된다. 외부에서 볼 때 커밋된 트랜잭션은 분할할 수 없는 것처럼 보이며(원자적), 중단된 트랜잭션은 데이터베이스에 아무런 영향을 미치지 않는다.^[8][5]
• 일관성 (Consistency): 모든 트랜잭션은 데이터베이스를 항상 일관된 상태로 유지해야 한다. 이는 데이터베이스에 미리 정의된 무결성 규칙(데이터베이스 객체에 대한 제약 조건)을 위반하지 않도록 보장한다. 트랜잭션은 데이터베이스를 하나의 일관된 상태에서 다른 일관된 상태로 변경하며, 데이터베이스는 일반적으로 트랜잭션을 통해서만 변경될 수 있으므로 모든 데이터베이스 상태는 일관성을 유지한다.^[8][5]
• 격리성 (Isolation): 트랜잭션은 서로 간섭하지 않으며, 다른 트랜잭션에 영향을 주지 않는다. 즉, 한 트랜잭션이 실행 중일 때 다른 트랜잭션이 그 중간 결과에 접근할 수 없다. 격리성을 제공하는 것이 동시성 제어의 주요 목표이다.^[8][5]
• 지속성 (Durability): 성공적으로 완료된(커밋된) 트랜잭션의 결과는 시스템 오류(크래시) 발생 시에도 영구적으로 유지된다. 일반적으로 트랜잭션의 영향과 커밋 이벤트를 비휘발성 메모리에 기록하여 이를 보장한다.^[8][5]

3. 2. 동시성 제어의 필요성

• 갱신 손실 문제: 두 개의 트랜잭션이 동시에 같은 데이터를 업데이트할 때, 하나의 트랜잭션이 다른 트랜잭션의 업데이트를 덮어쓰게 되어 갱신 내용이 손실되는 문제이다.
• dirty read 문제: 하나의 트랜잭션이 아직 완료되지 않은 (커밋되지 않은) 다른 트랜잭션의 중간 데이터를 읽는 문제이다. 만약 읽은 데이터를 쓴 트랜잭션이 롤백되면, 읽은 데이터는 유효하지 않은 값이 된다.
• 잘못된 요약 문제: 하나의 트랜잭션이 데이터를 읽어 요약하는 동안, 다른 트랜잭션이 데이터를 변경하면 요약 결과가 정확하지 않게 되는 문제이다.

3. 3. 동시성 제어 메커니즘

• '''낙관적 동시성 제어''': 트랜잭션이 작업을 차단하지 않고 진행하도록 허용하며, 커밋 시점에 직렬 가능성 등의 규칙 위반 여부를 확인한다. 위반이 있으면 트랜잭션을 중단하고 다시 시작한다.
• '''비관적 동시성 제어''': 규칙 위반 가능성이 사라질 때까지 트랜잭션의 작업을 차단한다.
• '''준낙관적 동시성 제어''': 위반 유형에 따라 비관적 또는 낙관적으로 응답한다.

3. 3. 1. 분류

• '''낙관적 방법''': 트랜잭션 간의 충돌이 드물다고 가정한다. 트랜잭션이 (읽기, 쓰기) 작업을 차단하지 않고 진행하도록 허용하며, 각 트랜잭션의 커밋 시점에 직렬 가능성 및 복구 가능성과 같은 규칙 위반 여부를 확인한다. 위반이 감지되면 트랜잭션을 중단하고 다시 시작한다. 이 방식은 트랜잭션이 거의 중단되지 않을 때 매우 효율적이다.
• '''비관적 방법''': 트랜잭션 간의 충돌을 예상하고, 미리 잠금(lock) 등의 메커니즘을 사용하여 충돌을 방지한다. 규칙 위반 가능성이 사라질 때까지 트랜잭션의 작업을 차단한다. 작업 차단은 일반적으로 성능 저하를 수반한다.
• '''준낙관적 방법''': 위반 유형과 이를 감지할 수 있는 속도에 따라 비관적 또는 낙관적 방법을 선택적으로 사용한다.

3. 3. 2. 방법

• '''2단계 로킹 (Two-Phase Locking, 2PL)''': 데이터에 할당된 락으로 데이터에 대한 접근을 제어한다. 다른 트랜잭션에 의해 락이 걸린 데이터 항목(데이터베이스 객체)에 대한 트랜잭션의 접근은 락이 해제될 때까지 차단될 수 있다(락 유형 및 접근 연산 유형에 따라 다름).^[1] 2단계 로킹은 트랜잭션을 확장 단계와 축소 단계로 나누어 잠금을 획득하고 해제한다.
• '''직렬 가능성 그래프 검사''' (직렬 가능성, 충돌, 또는 선행 그래프 검사라고도 함): 스케줄의 사이클을 그래프에서 확인하고 중단하여 제거한다.^[1] 트랜잭션 간의 종속성을 그래프로 표현하고, 사이클 발생 여부를 검사하여 직렬 가능성을 보장한다.
• '''타임스탬프 순서''' (Timestamp Ordering, TO): 트랜잭션에 타임스탬프를 할당하고, 타임스탬프 순서에 따라 데이터에 대한 접근을 제어하거나 확인한다.^[1]
• '''다중 버전 동시성 제어''' (MVCC): 객체가 쓰여질 때마다 데이터베이스 객체의 새 버전을 생성하고 스케줄링 방법에 따라 트랜잭션의 여러 마지막 관련 버전(각 객체의) 읽기 연산을 허용하여 동시성 및 성능을 향상시킨다.^[1]
• '''인덱스 동시성 제어''': 사용자 데이터가 아닌 인덱스에 대한 접근 연산을 동기화한다. 특수화된 방법은 상당한 성능 향상을 제공한다.^[1]
• '''커밋 순서 (Commit Ordering, CO)''': 트랜잭션을 커밋 사건의 순서로 제어 또는 검사한다.

4. 현대적 응용

현대적 응용 분야에서 동시성 제어는 다양한 시스템과 환경에서 중요한 역할을 한다.

데이터베이스 관리 시스템(DBMS)을 비롯하여 트랜잭션을 수행하는 모든 시스템은 분산 데이터베이스, 클라우드 컴퓨팅 등 분산 환경에서 동시성 제어 문제가 발생한다. 분산 환경에서는 여러 프로세스, 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크에 걸쳐 트랜잭션이 실행되므로, 동시성 제어는 더욱 복잡해진다. 분산 시스템에서 직렬 가능성을 효율적으로 달성하기 위해서는 로컬 환경을 고려하여 설계된 방식으로는 불가능하며, 특수한 기술이 필요하다. 널리 알려진 분산 동시성 제어 기술은 커밋 순서화(Commit ordering, CO)이다^[11]. CO는 트랜잭션의 커밋 이벤트 순서를 시간 순서대로 정렬하며, 동시성 제어 정보를 분산할 필요가 없다^[4].

실시간 운영체제에서의 멀티태스킹은 운영체제 상에서 실행되는 모든 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 한다. 그러나 여러 작업이 동일한 자원을 사용하려 하거나, 작업을 통해 정보를 공유하려 할 때는 혼란과 불일치가 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 해결하는 것이 병행 컴퓨팅의 과제이다.

4. 1. 분산 환경에서의 동시성 제어

4. 2. 운영체제에서의 동시성 제어

참조

_[1] 서적 Principles of Transaction Processing, 2nd Edition http://www.elsevierd[...] Morgan Kaufmann (Elsevier) 2009-06-01
_[2] 간행물 The dangers of replication and a solution ftp://ftp.research.m[...]
_[3] 문서
_[4] 서적 Principles of Transaction Processing, 2nd Edition http://www.elsevierd[...] Morgan Kaufmann (Elsevier) 2009-06-01
_[5] 문서
_[6] 문서
_[7] 문서
_[8] 문서
_[9] 문서
_[10] 문서
_[11] 문서
_[12] 간행물 The dangers of replication and a solution ftp://ftp.research.m[...]