트랜잭션 격리 수준(Isolation Level)의 이해와 이상현상 분석

트랜잭션 격리 수준(Isolation Level)은 동시에 실행되는 트랜잭션들 간의 상호작용을 제어하여 데이터 일관성과 무결성을 보장하는 메커니즘으로, 각 수준에 따라 허용되는 이상현상(Dirty Read, Non-repeatable Read, Phantom Read)이 다르다.



트랜잭션 격리 수준(Isolation Level)의 개념

트랜잭션 격리 수준은 ACID 속성 중 ‘I’(Isolation, 격리성)를 구현하는 방법으로, 여러 트랜잭션이 동시에 실행될 때 한 트랜잭션의 작업이 다른 트랜잭션에 어떻게 영향을 미치는지 제어한다. 데이터베이스 시스템은 일관성과 성능 사이의 균형을 맞추기 위해 다양한 격리 수준을 제공한다.

트랜잭션 격리 수준은 다음과 같은 이유로 중요하다:

  • 데이터 일관성 보장: 동시 실행되는 트랜잭션 간의 데이터 일관성 유지
  • 성능 최적화: 적절한 격리 수준 선택으로 시스템 성능 향상
  • 이상현상 제어: 다양한 데이터 불일치 문제(이상현상) 방지

격리 수준은 데이터 일관성과 시스템 성능 사이의 균형을 조절하는 중요한 메커니즘으로, 애플리케이션의 요구사항에 맞게 적절히 선택해야 한다.



트랜잭션 동시 실행 시 발생하는 이상현상

동시에 여러 트랜잭션이 실행될 때 발생할 수 있는 세 가지 주요 이상현상이 있다.



Dirty Read (더티 리드)

Dirty Read는 한 트랜잭션이 아직 커밋되지 않은 다른 트랜잭션의 변경사항을 읽는 현상이다.

예시 시나리오:

  • 트랜잭션1: x += y (y값을 x에 더함)
  • 트랜잭션2: y = 70 (y값을 70으로 변경)
  • 두 트랜잭션이 동시에 실행되는 상황에서, 트랜잭션1이 트랜잭션2에서 변경한 y=70 값을 읽어 x에 더함
  • 이후 트랜잭션2가 롤백되어 y가 원래 값(20)으로 돌아감
  • 결과적으로 트랜잭션1은 실제로는 존재하지 않는(커밋되지 않은) y=70 값을 사용하여 x를 계산했으므로 x 값이 부정확해짐
트랜잭션1                트랜잭션2
-----------             -----------
읽기: y=20
                       y=70으로 변경(커밋 전)
읽기: y=70 (더티 리드)
x += 70
                       롤백: y=20으로 복원
커밋: 잘못된 x 값 저장

💡 Dirty Read는 데이터 무결성에 심각한 위협이 될 수 있으며, 트랜잭션이 롤백된 변경사항을 기반으로 의사결정이 이루어질 수 있다.



Non-repeatable Read (반복 불가능한 읽기)

Non-repeatable Read는 한 트랜잭션 내에서 같은 데이터를 두 번 이상 읽을 때 그 값이 다른 현상이다.

예시 시나리오:

  • 트랜잭션1: x 값을 두 번 읽음
  • 트랜잭션2: x += 40 (x 값에 40을 더함)
  • 트랜잭션1이 처음에 x=10을 읽은 후, 트랜잭션2가 x를 50으로 변경하고 커밋
  • 트랜잭션1이 다시 x를 읽으면 x=50을 얻게 됨
  • 동일한 트랜잭션 내에서 같은 데이터에 대해 다른 결과를 얻게 되어 일관성이 깨짐
트랜잭션1                트랜잭션2
-----------             -----------
읽기: x=10
                       x += 40 (x=50)
                       커밋
읽기: x=50 (값이 변경됨)

⚡ Non-repeatable Read는 트랜잭션 내에서 데이터 일관성을 해치며, 같은 쿼리를 여러 번 실행할 때 예측 가능한 결과를 얻을 수 없게 한다.



Phantom Read (유령 읽기)

Phantom Read는 한 트랜잭션이 같은 조건으로 데이터를 두 번 조회할 때, 첫 번째에는 없던 데이터가 두 번째 조회에서 나타나는 현상이다.

예시 시나리오:

  • 트랜잭션1: v=10인 데이터를 두 번 조회
  • 트랜잭션2: v=10인 새 데이터 삽입
  • 트랜잭션1의 첫 번째 조회에서는 하나의 결과만 반환
  • 트랜잭션2가 새 데이터를 삽입하고 커밋
  • 트랜잭션1의 두 번째 조회에서는 두 개의 결과가 반환됨
text트랜잭션1                    트랜잭션2
-----------                 -----------
SELECT * WHERE v=10 (결과 1개)
                           INSERT v=10 값을 가진 새 행
                           커밋
SELECT * WHERE v=10 (결과 2개)

Phantom Read는 집계 함수나 데이터 분석 쿼리에서 특히 문제가 될 수 있으며, 트랜잭션 내에서 일관된 데이터 세트를 보장하지 못한다.



트랜잭션 격리 수준의 종류

SQL 표준에서는 네 가지 트랜잭션 격리 수준을 정의하며, 각 수준은 허용하는 이상현상이 다르다.



Read Uncommitted (레벨 0)

Read Uncommitted는 가장 낮은 격리 수준으로, 커밋되지 않은 데이터까지 읽을 수 있다.

  • 허용하는 이상현상: Dirty Read, Non-repeatable Read, Phantom Read
  • 특징:
    • 어떤 트랜잭션의 변경 내용이 COMMIT이나 ROLLBACK과 상관없이 다른 트랜잭션에서 보임
    • 데이터 정합성에 문제가 많아 실제로 사용하는 경우가 거의 없음
    • 성능은 가장 좋음
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

💡 Read Uncommitted는 데이터 일관성보다 성능이 중요한 대량 데이터 처리나 통계 작업에서 제한적으로 사용될 수 있다.


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Read Committed (레벨 1)

Read Committed는 커밋된 데이터만 읽을 수 있는 격리 수준이다.

  • 허용하는 이상현상: Non-repeatable Read, Phantom Read
  • 방지하는 이상현상: Dirty Read
  • 특징:
    • 대부분의 데이터베이스 시스템의 기본 격리 수준(Oracle, SQL Server 등)
    • 트랜잭션이 커밋되어 확정된 데이터만 다른 트랜잭션에서 볼 수 있음
    • 하나의 트랜잭션 내에서 같은 SELECT 문을 실행해도 결과가 달라질 수 있음
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

⚡ Read Committed는 일반적인 웹 애플리케이션에서 많이 사용되며, Dirty Read를 방지하면서도 적절한 성능을 제공한다.



Repeatable Read (레벨 2)

Repeatable Read는 트랜잭션 내에서 같은 데이터를 여러 번 읽어도 동일한 결과를 보장하는 격리 수준이다.

  • 허용하는 이상현상: Phantom Read (일반적으로, 단 MySQL InnoDB에서는 예외)
  • 방지하는 이상현상: Dirty Read, Non-repeatable Read
  • 특징:
    • MySQL InnoDB의 기본 격리 수준
    • 트랜잭션이 시작된 시점의 데이터를 스냅샷으로 유지
    • 다른 트랜잭션에서 데이터를 변경해도 트랜잭션 내에서는 변경 전 데이터를 읽음
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

MySQL의 InnoDB 스토리지 엔진은 Repeatable Read 수준에서도 특별한 방식으로 Phantom Read를 방지한다. 이는 MVCC(Multi-Version Concurrency Control)와 넥스트-키 락(Next-Key Lock)을 통해 구현된다.



Serializable (레벨 3)

Serializable은 가장 높은 격리 수준으로, 모든 이상현상을 방지한다.

  • 허용하는 이상현상: 없음
  • 방지하는 이상현상: Dirty Read, Non-repeatable Read, Phantom Read
  • 특징:
    • 트랜잭션을 완전히 분리하여 순차적으로 실행한 것과 같은 결과 보장
    • 읽기 작업에도 공유 잠금(shared lock)을 획득하여 동시성 제한
    • 가장 안전하지만 성능이 가장 낮음
    • 교착 상태(deadlock)가 발생할 가능성이 높음
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

💡 Serializable은 금융 거래나 중요한 데이터 처리와 같이 데이터 정확성이 절대적으로 중요한 상황에서 사용된다.



격리 수준별 이상현상 비교 표

각 격리 수준이 허용하는 이상현상을 비교하면 다음과 같다:

격리 수준 Dirty Read Non-repeatable Read Phantom Read
Read Uncommitted 허용 (O) 허용 (O) 허용 (O)
Read Committed 방지 (X) 허용 (O) 허용 (O)
Repeatable Read 방지 (X) 방지 (X) 허용 (O)*
Serializable 방지 (X) 방지 (X) 방지 (X)

*주의: MySQL InnoDB에서는 Repeatable Read 수준에서도 Phantom Read를 방지한다.

격리 수준이 높아질수록 데이터 일관성은 향상되지만, 동시성과 성능은 저하된다. 따라서 애플리케이션의 요구사항에 맞는 적절한 격리 수준을 선택하는 것이 중요하다.



MySQL InnoDB의 특별한 구현

MySQL의 InnoDB 스토리지 엔진은 기본 격리 수준으로 Repeatable Read를 사용하며, 표준과 달리 이 수준에서도 Phantom Read를 방지하는 특별한 구현을 가지고 있다.


MVCC(Multi-Version Concurrency Control)

InnoDB는 MVCC를 사용하여 각 트랜잭션이 시작된 시점의 데이터 스냅샷을 유지한다.

  • 트랜잭션이 시작될 때 일관된 읽기(consistent read) 스냅샷을 생성
  • 다른 트랜잭션이 데이터를 변경해도 원래 스냅샷을 기반으로 쿼리 실행
  • 이를 통해 Non-repeatable Read 방지
MySQL 공식 문서에 따르면:
"Consistent reads within the same transaction read the snapshot established by the first read."


넥스트-키 락(Next-Key Lock)

InnoDB는 넥스트-키 락을 사용하여 Phantom Read를 방지한다.

  • 인덱스 레코드에 대한 레코드 락(record lock)과 인덱스 레코드 앞의 간격에 대한 갭 락(gap lock)을 결합
  • 이를 통해 다른 트랜잭션이 특정 범위에 새 레코드를 삽입하는 것을 방지
  • 결과적으로 Repeatable Read 수준에서도 Phantom Read 방지 가능

⚡ MySQL InnoDB의 이러한 특별한 구현은 높은 데이터 일관성과 상대적으로 좋은 성능의 균형을 제공한다.



격리 수준 선택 시 고려사항

적절한 트랜잭션 격리 수준을 선택할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같다:

  1. 데이터 일관성 요구사항: 애플리케이션이 필요로 하는 데이터 일관성 수준
  2. 성능 요구사항: 처리량과 응답 시간에 대한 요구사항
  3. 동시성 요구사항: 동시에 처리해야 하는 트랜잭션의 수
  4. 비즈니스 중요도: 데이터 정확성이 비즈니스에 미치는 영향
  5. 데이터베이스 시스템: 각 DBMS별 격리 수준 구현 방식의 차이
-- 애플리케이션의 특정 부분에 대해 격리 수준 설정 예시
START TRANSACTION;
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
-- SQL 문 실행
COMMIT;

트랜잭션 격리 수준은 데이터베이스 시스템의 동시성 제어 메커니즘의 핵심 요소로, 데이터 일관성과 성능 사이의 균형을 조절한다. 각 애플리케이션의 요구사항에 맞는 적절한 격리 수준을 선택함으로써 데이터 무결성을 보장하면서도 최적의 성능을 달성할 수 있다.

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