Spring 스프링 DB 1편 - 데이터 접근 핵심 원리 - 3. 트랜잭션 이해

3. 트랜잭션 이해

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트랜잭션 - 개념 이해

데이터를 저장할 때 단순히 파일에 저장해도 되는데, 데이터베이스에 저장하는 이유는 무엇일까?

여러가지 이유가 있지만, 가장 대표적인 이유는 바로 데이터베이스는 트랜잭션이라는 개념을 지원하기 때문이다.

트랜잭션을 이름 그대로 번역하면 거래라는 뜻이다. 이것을 쉽게 풀어서 이야기하면, 데이터베이스에서 트랜잭션은 하나의 거래를 안전하게 처리하도록 보장해주는 것을 뜻한다. 그런데 하나의 거래를 안전하게 처리하려면 생각보다 고려해야 할 점이 많다.

모든 작업이 성공해서 데이터베이스에 정상 반영하는 것을 커밋( Commit )이라 하고, 작업 중 하나라도 실패해서 거래 이전으로 되돌리는 것을 롤백( Rollback )이라 한다.

트랜잭션 ACID

트랜잭션은 ACID(http://en.wikipedia.org/wiki/ACID)라 하는 원자성(Atomicity), 일관성 (Consistency), 격리성(Isolation), 지속성(Durability)을 보장해야 한다.

• 원자성: 트랜잭션 내에서 실행한 작업들은 마치 하나의 작업인 것처럼 모두 성공 하거나 모두 실패해야 한다.
• 일관성: 모든 트랜잭션은 일관성 있는 데이터베이스 상태를 유지해야 한다. 예를 들어 데이터베이스에서 정한 무결성 제약 조건을 항상 만족해야 한다.
• 격리성: 동시에 실행되는 트랜잭션들이 서로에게 영향을 미치지 않도록 격리한다. 예를 들어 동시에 같은 데이터를 수정하지 못하도록 해야 한다. 격리성은 동시성과 관련된 성능 이슈로 인해 트랜잭션 격리 수준 (Isolation level)을 선택할 수 있다.
• 지속성: 트랜잭션을 성공적으로 끝내면 그 결과가 항상 기록되어야 한다. 중간에 시스템에 문제가 발생해도 데이터베이스 로그 등을 사용해서 성공한 트랜잭션 내용을 복구해야 한다.
  

트랜잭션은 원자성, 일관성, 지속성을 보장한다. 문제는 격리성인데 트랜잭션 간에 격리성을 완벽히 보장하려면 트랜잭션을 거의 순서대로 실행해야 한다. 이렇게 하면 동시 처리 성능이 매우 나빠진다. 이런 문제로 인해 ANSI 표준은 트랜잭션의 격리 수준을 4단계로 나누어 정의했다.

트랜잭션 격리 수준 - Isolation level

• READ UNCOMMITED(커밋되지 않은 읽기)
• READ COMMITTED(커밋된 읽기)
• REPEATABLE READ(반복 가능한 읽기)
• SERIALIZABLE(직렬화 가능)

데이터베이스 연결 구조와 DB 세션

• 사용자는 웹 애플리케이션 서버(WAS)나 DB 접근 툴 같은 클라이언트를 사용해서 데이터베이스 서버에 접근할 수 있다. 클라이언트는 데이터베이스 서버에 연결을 요청하고 커넥션을 맺게 된다. 이때 데이터베이스 서버는 내부에 세션이라는 것을 만든다. 그리고 앞으로 해당 커넥션을 통한 모든 요청은 이 세션을 통해서 실행하게 된다.
• 쉽게 이야기해서 개발자가 클라이언트를 통해 SQL을 전달하면 현재 커넥션에 연결된 세션이 SQL을 실행한다.
• 세션은 트랜잭션을 시작하고, 커밋 또는 롤백을 통해 트랜잭션을 종료한다. 그리고 이후에 새로운 트랜잭션을 다시 시작할 수 있다.
• 사용자가 커넥션을 닫거나, 또는 DBA(DB 관리자)가 세션을 강제로 종료하면 세션은 종료된다.

트랜잭션 사용법

• 데이터 변경 쿼리를 실행하고 데이터베이스에 그 결과를 반영하려면 커밋 명령어인 commit 을 호출하고, 결과를 반영하고 싶지 않으면 롤백 명령어인 rollback 을 호출하면 된다.
• 커밋을 호출하기 전까지는 임시로 데이터를 저장하는 것이다. 따라서 해당 트랜잭션을 시작한 세션(사용자) 에게만 변경 데이터가 보이고 다른 세션(사용자)에게는 변경 데이터가 보이지 않는다.
• 세션2에서 세션1이 아직 커밋하지 않은 변경 데이터가 보이다면, 세션1이 롤백 했을 때 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 커밋 전의 데이터는 다른 세션에서 보이지 않는다.

트랜잭션 - 자동 커밋, 수동 커밋

자동 커밋

• 자동 커밋으로 설정하면 각각의 쿼리 실행 직후에 자동으로 커밋을 호출한다. 따라서 커밋이나 롤백을 직접 호출하지 않아도 되는 편리함이 있다. 하지만 쿼리를 하나하나 실행할 때 마다 자동으로 커밋이 되어버리기 때문에 우리가 원하는 트랜잭션 기능을 제대로 사용할 수 없다.
• 따라서 commit , rollback 을 직접 호출하면서 트랜잭션 기능을 제대로 수행하려면 자동 커밋을 끄고 수동 커밋을 사용해야 한다.
• set autocommit true; //자동 커밋 모드 설정

수동 커밋

set autocommit false; //수동 커밋 모드 설정
insert into member(member_id, money) values ('data3',10000);
insert into member(member_id, money) values ('data4',10000);
commit; //수동 커밋

• 보통 자동 커밋 모드가 기본으로 설정된 경우가 많기 때문에, 수동 커밋 모드로 설정하는 것을 트랜잭션을 시작한다고 표현할 수 있다. 수동 커밋 설정을 하면 이후에 꼭 commit , rollback 을 호출해야 한다

트랜잭션 - 예제

• 계좌 이체에서 문제가 발생하면 롤백을 호출해서 트랜잭션을 시작하기 전 단계로 데이터를 복구해야 한다.

정리

• 원자성: 트랜잭션 내에서 실행한 작업들은 마치 하나의 작업인 것처럼 모두 성공 하거나 모두 실패해야 한다.
  트랜잭션의 원자성 덕분에 여러 SQL 명령어를 마치 하나의 작업인 것 처럼 처리할 수 있었다. 성공하면 한번에 반영하고, 중간에 실패해도 마치 하나의 작업을 되돌리는 것 처럼 간단히 되돌릴 수 있다.
• 오토 커밋
  만약 오토 커밋 모드로 동작하는데, 계좌이체 중간에 실패하면 어떻게 될까? 쿼리를 하나 실행할 때 마다 바로바로 커밋이 되어버리기 때문에 memberA 의 돈만 2000원 줄어드는 심각한 문제가 발생한다.
• 트랜잭션 시작
  따라서 이런 종류의 작업은 꼭 수동 커밋 모드를 사용해서 수동으로 커밋, 롤백 할 수 있도록 해야 한다. 보통 이렇게 자동 커밋 모드에서 수동 커밋 모드로 전환 하는 것을 트랜잭션을 시작한다고 표현한다.
  

DB 락 - 개념 이해

세션이 트랜잭션을 시작하고 데이터를 수정하는 동안에는 커밋이나 롤백 전까지 다른 세션에서 해당 데이터를 수정할 수 없게 막아야 한다.

• 로우의 값을 변경하려면 먼저 해당 로우의 락을 먼저 획득해야 한다.
• 락이 없으면 락이 돌아올 때 까지 대기한다.
  • 무한정 대기하지는 않고, 락 대기 시간을 넘어가면 락 타임아웃 오류가 발생한다. (대기 시간 설정 가능)
• 일반적인 조회는 락을 사용하지 않는다.

  조회 시점에 락이 필요한 경우는 언제일까?
  트랜잭션 종료 시점까지 해당 데이터를 다른 곳에서 변경하지 못하도록 강제로 막아야 할 때 사용한다. 예를 들어서 애플리케이션 로직에서 memberA 의 금액을 조회한 다음에 이 금액 정보로 애플리케이션에서 어떤 계산을 수행한다. 그런데 이 계산이 돈과 관련된 매우 중요한 계산이어서 계산을 완료할 때 까지 memberA 의 금액을 다른곳에서 변경하면 안된다. 이럴 때 조회 시점에 락을 획득하면 된다.

트랜잭션 - 적용

• 트랜잭션은 비즈니스 로직이 있는 서비스 계층에서 시작해야 한다. 비즈니스 로직이 잘못되면 해당 비즈니스 로직으로 인해 문제가 되는 부분을 함께 롤백해야 하기 때문이다.
• 그런데 트랜잭션을 시작하려면 커넥션이 필요하다. 결국 서비스 계층에서 커넥션을 만들고, 트랜잭션 커밋 이후에 커넥션을 종료해야 한다.
• 애플리케이션에서 DB 트랜잭션을 사용하려면 트랜잭션을 사용하는 동안 같은 커넥션을 유지해야한다. 그래야 같은 세션을 사용할 수 있다.

애플리케이션에서 같은 커넥션을 유지하려면 어떻게 해야할까? 가장 단순한 방법은 커넥션을 파라미터로 전달해서 같은 커넥션이 사용되도록 유지하는 것이다.

/**
 * 트랜잭션 - 파라미터 연동, 풀을 고려한 종료
 */
@Slf4j
@RequiredArgsConstructor
public class MemberServiceV2 {
    private final DataSource dataSource;
    private final MemberRepositoryV2 memberRepository;
    
    public void accountTransfer(String fromId, String toId, int money) throws SQLException {
        Connection con = dataSource.getConnection();
        try {
            con.setAutoCommit(false); //트랜잭션 시작
            //비즈니스 로직
            bizLogic(con, fromId, toId, money);
            con.commit(); //성공시 커밋
        } catch (Exception e) {
            con.rollback(); //실패시 롤백
            throw new IllegalStateException(e);
        } finally {
            release(con);
        }
    }
    
    private void bizLogic(Connection con, String fromId, String toId, int money) throws SQLException {
            Member fromMember = memberRepository.findById(con, fromId);
            Member toMember = memberRepository.findById(con, toId);
            
            memberRepository.update(con, fromId, fromMember.getMoney() - money);
            validation(toMember);
            memberRepository.update(con, toId, toMember.getMoney() + money);
    }

    private void validation(Member toMember) {
        if (toMember.getMemberId().equals("ex")) {
            throw new IllegalStateException("이체중 예외 발생");
        }
    }
    
    private void release(Connection con) {
        if (con != null) {
            try {
                con.setAutoCommit(true); //커넥션 풀 고려
                con.close();
            } catch (Exception e) {
                log.info("error", e);
            }
        }
    }
}

• Connection con = dataSource.getConnection();
  • 트랜잭션을 시작하려면 커넥션이 필요하다.
• con.setAutoCommit(false); //트랜잭션 시작
  • 트랜잭션을 시작하려면 자동 커밋 모드를 꺼야한다. 이렇게 하면 커넥션을 통해 세션에 set autocommit false 가 전달되고, 이후부터는 수동 커밋 모드로 동작한다. 이렇게 자동 커밋 모드를 수동 커밋 모드로 변경하는 것을 트랜잭션을 시작한다고 보통 표현한다.
• bizLogic(con, fromId, toId, money);
  • 트랜잭션이 시작된 커넥션을 전달하면서 비즈니스 로직을 수행한다.
  • 이렇게 분리한 이유는 트랜잭션을 관리하는 로직과 실제 비즈니스 로직을 구분하기 위함이다.
  • memberRepository.update(con..) : 비즈니스 로직을 보면 리포지토리를 호출할 때 커넥션을 전달하는 것을 확인할 수 있다.
• con.commit(); //성공시 커밋
  • 비즈니스 로직이 정상 수행되면 트랜잭션을 커밋한다.
• con.rollback(); //실패시 롤백
  • catch(Ex){..} 를 사용해서 비즈니스 로직 수행 도중에 예외가 발생하면 트랜잭션을 롤백한다.
• release(con);
  • finally {..} 를 사용해서 커넥션을 모두 사용하고 나면 안전하게 종료한다. 그런데 커넥션 풀을 사용하면 con.close() 를 호출 했을 때 커넥션이 종료되는 것이 아니라 풀에 반납된다. 현재 수동 커밋 모드로 동작하기 때문에 풀에 돌려주기 전에 기본 값인 자동 커밋 모드로 변경하는 것이 안전하다.

문제

• 애플리케이션에서 DB 트랜잭션을 적용하려면 서비스 계층이 매우 지저분해지고, 생각보다 매우 복잡한 코드를 요구한다.
• 커넥션을 유지하도록 코드를 변경하는 것도 쉬운 일은 아니다.

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References: 김영한 - [스프링 DB 1편 - 데이터 접근 핵심 원리]