동시성 제어 (Concurrency Control)
동시성 제어는 여러 프로세스나 스레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때, 데이터의 일관성과 무결성을 보장하기 위한 제어 메커니즘.
다중 사용자 환경에서 필수적으로 지원해야 하는 기능으로, 병행제어라고도 한다.
동시성 제어의 중요성
동시성 제어는 다음과 같은 문제를 방지하여 데이터베이스의 무결성을 유지한다:
- 갱신 손실: 동시에 수행된 갱신 작업으로 인한 데이터 손실
- 모순성: 일관성 없는 데이터 읽기
- 연쇄 복귀: 하나의 트랜잭션 실패로 인한 다른 트랜잭션들의 복귀
목적
- 트랜잭션의 직렬성 보장
- 데이터의 무결성 및 일관성 유지
- 시스템 활용도 최대화 (공유도 최대, 응답 시간 최소, 처리량 최대화)
주요 동시성 제어 기법
락킹(Locking) 기법
락킹은 가장 기본적인 동시성 제어 방법으로, 데이터에 접근할 때 잠금을 설정하여 다른 프로세스의 접근을 제한한다.
종류
공유 락(Shared Lock):
- 읽기 작업을 위한 락
- 여러 프로세스가 동시에 획득 가능
- 데이터 읽기만 허용됨
배타적 락(Exclusive Lock):
- 쓰기 작업을 위한 락
- 한 번에 하나의 프로세스만 획득 가능
- 데이터 읽기와 쓰기 모두 가능
타임스탬프 기반 기법(Timestamp-based Protocol)
각 트랜잭션에 고유한 타임스탬프를 부여하여 실행 순서를 결정하는 방식.
작동 원리
- 트랜잭션 시작 시 타임스탬프 부여
- 읽기/쓰기 타임스탬프 관리
- 충돌 발생 시 타임스탬프 비교하여 처리
장점
- 교착상태 발생하지 않음
- 우선순위 기반 처리 가능
낙관적 병행 제어(Optimistic Concurrency Control)
충돌이 적을 것이라 가정하고, 검증 단계에서 충돌을 확인하는 방식.
처리 단계
- 읽기 단계: 데이터 읽기와 로컬 복사본 생성
- 수행 단계: 로컬 복사본에서 작업 수행
- 검증 단계: 충돌 여부 확인
- 쓰기 단계: 검증 성공 시 결과 반영
다중버전 병행 제어(Multiversion Concurrency Control, MVCC)
데이터의 여러 버전을 유지하여 읽기 작업의 병행성을 향상시키는 기법.
특징
- 각 쓰기 작업마다 새로운 버전 생성
- 읽기 작업은 특정 시점의 버전을 참조
- 트랜잭션의 일관성 보장
실제 적용 예시
PostgreSQL이나 Oracle 같은 데이터베이스 시스템에서 MVCC를 사용하여 읽기 작업의 성능을 향상시킨다.
동시성 제어의 구현 시 고려사항
성능과 확장성
- 락의 세분성 조절
- 데드락 방지 메커니즘
- 캐시 일관성 유지
일관성 수준
- 직렬성(Serializability)
- 스냅샷 격리(Snapshot Isolation)
- 읽기 일관성(Read Consistency)
장애 복구
- 롤백 메커니즘
- 복구 로그 관리
- 체크포인트 설정
동시성 제어의 발전 방향
분산 시스템에서의 동시성 제어
- 분산 락 관리
- 합의(Consensus) 알고리즘
- 최종 일관성(Eventual Consistency)
새로운 하드웨어 지원
- 하드웨어 트랜잭션 메모리
- 원자적 명령어 활용
- 멀티코어 최적화
인메모리 데이터베이스
- 락-프리 알고리즘
- 비동기 복제
- 실시간 동시성 제어
실제 구현 시 주의사항
데드락 예방
- 타임아웃 설정
- 자원 순서화
- 데드락 감지 알고리즘 구현
성능 최적화
- 락 경합(Lock Contention) 최소화
- 트랜잭션 분할
- 캐시 활용
모니터링과 디버깅
- 락 획득/해제 로깅
- 성능 메트릭 수집
- 병목 지점 분석