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동시성 제어(Concurrency Control)

동시에 진행되는 여러개의 트랜잭션이 작업을 성공적으로 마칠 수 있도록 트랜잭션의 실행 순서를 제어 하는 기법

• 다중 client환경을 지원하는 데이터베이스 시스템에서 여러 트랜잭션들이 성공적으로 동시에 실행될 수 있도록 지원하는 기능

여기서 다중 client환경은 여러명의 사용자가 동시에 데이터베이스에 접근해 데이터를 조회 및 조작하는 환경을 말한다. (ex. 은행, 증권사)

• 다중 client(많은 사용자)가 있어 데이터베이스 안에 있는 데이터에 대한 접근제어를 정확하게 하지 않으면, 부정확한 데이터가 되버린다.
• 필수적으로 지원해야 하는 기능
• 병행제어라고도 불린다.

동시성 제어를 하지 않을 시 발생하는 문제점

갱신 손실(Lost Update)

• 두개 이상의 트랜잭션이 동시에 똑같은 한개의 데이터를 수정시에 발생하는 문제
• 한 트랜잭션이 갱신한 내용을 다른 트랜잭션이 덮어씀으로써 갱신이 무효화 되는일이 발생
  
  

1. 트랜잭션1이 연산(X=X-100000)을 하고 있는중에 (변수 X에 저장되어 있고 데이터베이스에 적용이 안됨)
2. 트랜잭션2가 데이터를 읽으면 기존에 있던 X=300000을 읽어온다. 그리고 X의 값을 X = X+50000으로 계산을 한다.(변수 X에 저장되어 있고 데이터베이스에 적용이 안됨)
3. 그 후 write_item(X)를 트랜잭션1이 수행하면 X의 값이 1에서 계산한 값 X=200000으로 변한다.(데이터베이스에 적용)
4. 트랜잭션2가 write_item(X)를 수행해 X의 값이 X=35000으로 변한다.(데이터베이스에 적용)
   => 여기서 트랜잭션1이 수행한 내용을 트랜잭션2가 수행한 내용으로 덮어쓰게 되어서 트랜잭션1의 갱신이 사실상 무효화가 되었다.

현황 파악 오류(dirty read)

• 한 트랜잭션이 수정을 하고 그 수정사항을 커밋하지 않았을때 다른 트랜잭션이 같은 데이터를 접근할때 발생하는 문제

사용자 A의 트랜잭션에서 X,Y값을 읽고 X값에 100을 더한다. 이과정 뒤에 사용자 B의 트랜잭션이 X를 읽은후 X의 값에 *2를 해준다.(그러면 X=2200이 됨). Y의 값을 사용자 A의 트랜잭션이 읽은 후 변경한다(Y+100).

A의 사용자가 트랜잭션에서 의도 한값은 X=1100, Y=1100인고
B의 사용자가 트랜잭션에서 의도 한값은 X=2200, Y=1000이다. 하지만, 최종 결과는 X=2200, Y=1100이 된것.

이렇게 두 트랜잭션이 동시에 한 데이터에 접근해서 의도한것과 다른 결과가 나오는것.

3. Non Repeatable read
   한 트랜잭션에 같은 데이터를 두번이상 읽는데 그 한 트랜잭션에서 같은 데이터가 다른 값을 읽을 때 발생하는 문제이다.

트랜잭션2가 X를 읽은 후 트랜잭션1이 데이터를 바꾼다. 이후 또 트랜잭션2가 X를 읽으면 트랜잭션1이 바꾼데이터를 읽어 같은 트랜잭션임에도 다른 값을 읽게 된다.

4. Phantom Read
   한 트랜잭션이 같은 데이터를 한번 읽고 이후 같은 데이터를 읽었을때 그 데이터가 존재하지 않는것
   
   

5. Incorrect Summary
   한 트랜잭션이 일부 레코드에 집계 함수를 적용하는 동안 다른 트랜잭션이 같은 데이터베이스를 업데이트하는 상황을 생각해 보자. 업데이트하는 트랜잭션의 몇개의 데이터는 변경을 했고 아직 다른 몇개의 데이터는 변경하지 못한상황에서 집계 함수는 값이 업데이트되기 전에 값을 계산하고 업데이트된 후에 값을 계산할 수 있습니다.

트랜잭션2가 집계를 하고 있는 와중에 트랜잭션1이 X의 값을 바꾼다. 그 후 집계가 되고 트랜잭션1이 마저 Y를 바꾼다. 집계에 X와 Y의 값이 둘다 한번에 적용된값이여야 하지만 따로 적용이 되어버린다.

동시성 제어 방법

1. Locking(잠금)

트랜잭션이 데이터에 잠금(lock)을 설정하면 다른 트랜잭션은 해당 데이터에 대해 잠금이 해제(unlock)될 때까지 접근/수정/삭제가 불가하다.

Two-phase locking

lock을 두단계로 구분해서 진행한다.

이 방법은 한 트랜잭션을 3가지 부분으로 나눈다.

1. 첫번째는 트랜잭션이 시작되면 모든 lock을 모은다. (growing phase)
2. 두번째는 해당 트랜잭션이 모든 lock을 모은 시점이다. 첫번째 lock이 해제될때 부터 세번째 부분이다.
3. 셋째는 lock을 해제하는 시점이다. 이 시점에는 새로운 lock을 걸 수 없다. (shrinking phase)

two phase locking은 각 트랜잭션이 두 단계로 잠금 또는 잠금 해제를 요청할 수 있도록 한다.

• growing phase: 잠금을 얻는 단계이다.(잠금을 해제할 수 없다.)
• shrinking phase: 잠금은 해제하는 단계이다. (잠금을 얻을 수 없다.)

T1 트랜잭션은 1에서 3까지 lock을 걸기만 하고(growing phase) 이후 5에서 7까지는 잠금을 풀기만 한다(release phase).-> 3이 잠금을 다 모은 시점인 lock point
T2 트랜잭션은 2에서 6까지 lock을 걸기만 하고(growing phase) 이후에는 8부터는 잠금을 풀기만 한다(release phase).-> 6이 잠금을 다 모은 시점인 lock point

트랜잭션 직렬화를 시켜주지만 교착상태랑 기아상태가 일어날 수 있다.

2. Timestamp

읽기와 쓰기연산을 먼저 들어온 트랜잭션 순서로 수행된다. 먼저 들어온 트랜잭션이 항상 더 빨리 수행됨.

3. Validation

트랜잭션 수행시에 메모리상의 복사본에서 연산을 수행하고 검증 완료 시 데이터베이스에 반영

• 이 과정은 3단계로 이뤄진다.

1. 읽기 단계: 데이터베이스에 있는 데이터들을 읽는 것은 가능하지만 수정이나 쓰기는 복사본에다가 수행한다.
2. 검증 단계: 해당트랜잭션을 수행하는 동안 직렬화가 지켜졌는지 확인한다.
3. 쓰기 단계: 바뀐점들을 데이터베이스에 적용한다.

직렬성: 여러 트랜잭션이 동시에 수행되더라도 각 트랜잭션이 하나씩 차례대로 수행되는 것과 같은 데이터베이스의 일관성을 보장하는 수행특성

참고자료

• https://www.guru99.com/dbms-concurrency-control.html
• https://thebook.io/006977/ch09/02/03-01/
• https://jokerkwu.tistory.com/125
• https://www.geeksforgeeks.org/concurrency-problems-in-dbms-transactions/