2025년 4월 10일 작성

Database의 공유 잠금과 배타 잠금

공유 잠금(shared lock)은 읽기 잠금(read lock)이고, 배타 잠금(exclusive lock)은 쓰기 잠금(write lock)입니다.

공유 잠금과 배타 잠금

  • 잠금(lock)은 data 무결성을 보장하면서도 동시성을 최적화하기 위한 필수 요소이며, 크게 공유 잠금과 배타 잠금으로 나뉩니다.

  • 공유 잠금과 배타 잠금은 database에서 transaction의 동시성 제어를 위한 핵심 mechanism입니다.
    • 두 잠금 방식은 각각 다른 목적으로 사용되며 서로 다른 특성을 가집니다.
  • 공유 잠금과 배타 잠금은 잠금 수준(locking level)과는 무관하며, database의 환경과 설정에 따라 다르게 동작할 수 있습니다.
    • 예를 들어, MySQL InnoDB에서는 row-level lock을 기본으로 사용하기 때문에, 공유 잠금과 배타 잠금 모두 row-level lock으로 설정됩니다.
    • 반면, MyISAM에서는 table-level lock을 사용하므로 공유 잠금과 배타 잠금 모두 table-level lock으로 설정됩니다.
특성 공유 잠금 (Shared Lock) 배타 잠금 (Exclusive Lock)
목적 읽기 작업 보호 쓰기 작업 보호
다른 명칭 Read Lock, S-Lock Write Lock, X-Lock
동시성 여러 transaction이 동시에 획득 가능 한 번에 하나의 transaction만 획득 가능
읽기 허용 다른 transaction의 읽기 허용 다른 transaction의 읽기 차단
쓰기 허용 다른 transaction의 쓰기 차단 다른 transaction의 쓰기 차단
주요 SQL 구문 SELECT, SELECT FOR SHARE INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT FOR UPDATE
호환성 다른 공유 잠금과 호환됨 어떤 잠금과도 호환되지 않음
잠금 해제 시점 읽기 작업 완료 시 쓰기 작업 완료 및 commit/rollback 시
주요 장점 높은 동시성, 처리량 증가 강력한 data 보호, 무결성 보장
주요 단점 쓰기 작업 보호 불가 낮은 동시성, 잠재적 병목 현상
적합한 상황 읽기 위주 작업, 높은 처리량 필요 시 쓰기 위주 작업, 높은 무결성 필요 시
잠금 경합 상대적으로 낮음 상대적으로 높음
Deadlock 가능성 낮음 높음
성능 영향 일반적으로 적음 잠재적으로 큼
격리 수준 관련성 READ COMMITTED, REPEATABLE READ SERIALIZABLE
  • 두 잠금 방식은 각자 고유한 특성과 사용 목적을 가지고 있어 database transaction 관리에서 상호 보완적인 역할을 합니다.
    • 각각 trade-off 관계를 가지고 있어, application 특성에 맞게 적절히 사용해야 합니다.
    • 읽기 작업이 많은 application에서는 공유 잠금을 주로 활용하고, 쓰기 작업이 중요한 application에서는 배타 잠금의 적절한 관리가 필수적입니다.
    • 현대 database system은 이 두 가지 잠금 방식을 기본으로 MVCC(Multi-Version Concurrency Control)와 같은 고급 기법을 함께 활용하여 동시성과 일관성 사이의 균형을 유지합니다.

공유 잠금 (Shared Lock) : 읽기 잠금

  • 공유 잠금(shared lock)은 data를 읽기 위한 목적으로 사용하는 lock mechanism입니다.
    • 읽기 잠금(read lock) 또는 줄여서 S-lock이라고도 불립니다.
  • 여러 transaction이 동시에 동일한 data 항목에 공유 잠금을 설정하는 것이 가능합니다.
    • 읽기 작업은 data 변경을 수반하지 않으므로 여러 transaction이 동시에 수행 가능합니다.
  • 공유 잠금이 설정된 data는 읽기 작업은 허용하지만 쓰기 작업은 제한됩니다.
    • 다른 transaction이 해당 data에 배타 잠금을 획득하려면 모든 공유 잠금이 해제될 때까지 대기해야 합니다.
    • 이는 한 transaction이 읽는 동안 다른 transaction이 해당 data를 변경하는 것을 방지합니다.
  • database system에서는 대개 SELECT 문 실행 시 자동으로 공유 잠금을 설정합니다.
    • MySQL의 경우 SELECT ... FOR SHARE 또는 SELECT ... LOCK IN SHARE MODE 구문으로 명시적 설정이 가능합니다.
    • PostgreSQL에서는 SELECT ... FOR SHARE 구문을 사용합니다.
  • 공유 잠금의 주요 이점은 높은 수준의 동시성을 제공한다는 점입니다.
    • 여러 transaction이 동시에 같은 data set을 읽을 수 있어 system 처리량이 향상됩니다.
    • 특히 읽기 작업이 많은 application에서 성능 향상에 기여합니다.
  • 공유 잠금은 dirty read나 non-repeatable read와 같은 문제를 방지합니다.
    • transaction이 아직 commit되지 않은 변경 사항을 다른 transaction이 읽는 것을 차단합니다.

배타 잠금 (Exclusive Lock) : 쓰기 잠금

  • 배타 잠금(exclusive lock)은 data를 수정하기 위한 목적으로 사용하는 lock mechanism입니다.
    • 쓰기 잠금(write lock) 또는 줄여서 X-lock이라고도 불립니다.
  • 한 번에 오직 하나의 transaction만 특정 data 항목에 배타 잠금을 설정할 수 있습니다.
    • 쓰기 작업은 data 변경을 수반하므로 동시 수행 시 충돌이 발생합니다.
    • 배타 잠금은 이러한 충돌을 방지하기 위해 설계되었습니다.
  • 배타 잠금이 설정된 data는 다른 어떤 transaction도 읽거나 수정할 수 없습니다.
    • 다른 transaction이 해당 data에 접근하려 하면 배타 잠금이 해제될 때까지 waiting queue에 대기합니다.
    • 이 대기 시간이 timeout을 초과하면 deadlock으로 이어질 수 있습니다.
  • database system에서는 INSERT, UPDATE, DELETE 문 실행 시 자동으로 배타 잠금을 설정합니다.
    • 또한 SELECT ... FOR UPDATE 구문을 통해 읽기 작업에도 배타 잠금을 명시적으로 설정할 수 있습니다.
    • 이 방식은 읽은 후 곧바로 수정할 예정인 data를 다른 transaction이 변경하지 못하도록 할 때 유용합니다.
  • 배타 잠금의 주요 이점은 data 일관성과 무결성을 보장한다는 점입니다.
    • transaction이 data를 수정하는 동안 다른 transaction의 간섭을 완전히 차단합니다.
    • 이를 통해 lost update 문제를 방지하고 transaction의 원자성을 보장합니다.
  • 배타 잠금은 transaction 격리 수준을 높이지만 동시성은 감소시킵니다.
    • 쓰기 작업이 빈번한 system에서는 lock 경합으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

공유 잠금과 배타 잠금의 관계 및 호환성

  • 두 잠금 유형 간의 호환성은 database 동시성 제어에서 중요한 개념입니다.

  • 공유 잠금끼리는 서로 완전히 호환됩니다.
    • 여러 transaction이 동일한 data 항목에 동시에 공유 잠금을 획득할 수 있습니다.
    • 이는 여러 사용자가 동시에 같은 data를 읽을 수 있음을 의미합니다.
  • 배타 잠금은 어떤 종류의 lock과도 호환되지 않습니다.
    • 배타 잠금이 설정된 data 항목에는 다른 공유 잠금이나 배타 잠금을 설정할 수 없습니다.
    • 이는 한 사용자가 data를 수정 중일 때 다른 사용자는 해당 data에 접근할 수 없음을 의미합니다.
  • 공유 잠금과 배타 잠금은 서로 호환되지 않습니다.
    • 공유 잠금이 설정된 data 항목에는 배타 잠금을 설정할 수 없습니다.
    • 배타 잠금이 설정된 data 항목에는 공유 잠금을 설정할 수 없습니다.

잠금 호환 Metrix

구분 공유 잠금 (S) 배타 잠금 (X)
공유 잠금 (S) 호환됨 호환되지 않음
배타 잠금 (X) 호환되지 않음 호환되지 않음
  • lock 획득 요청 시 호환되지 않는 lock이 이미 설정되어 있으면 대기 상태가 됩니다.
    • 이 대기는 선점한 transaction이 lock을 해제할 때까지 계속됩니다.
    • 이러한 대기 상태가 길어지면 system 성능 저하나 deadlock 상황이 발생할 수 있습니다.

공유 잠금과 배타 잠금의 동작 방식

  • 세 개의 transaction이 동시에 실행되는 상황을 가정합니다.
flowchart TD
    subgraph transaction_1[Transaction 1]
        t1_start[시작]
        t1_read[읽기 요청<br>공유 잠금 획득]
        t1_process[data 처리]
        t1_end[종료<br>잠금 해제]
    end

    subgraph transaction_2[Transaction 2]
        t2_start[시작]
        t2_read[읽기 요청<br>공유 잠금 획득]
        t2_process[data 처리]
        t2_end[종료<br>잠금 해제]
    end

    subgraph transaction_3[Transaction 3]
        t3_start[시작]
        t3_write[쓰기 요청<br>배타 잠금 시도]
        t3_wait[대기 상태]
        t3_acquire[배타 잠금 획득]
        t3_update[data 수정]
        t3_end[종료<br>잠금 해제]
    end

    t1_start --> t1_read
    t1_read --> t1_process
    t1_process --> t1_end

    t2_start --> t2_read
    t2_read --> t2_process
    t2_process --> t2_end

    t3_start --> t3_write
    t3_write --> t3_wait
    t3_wait -.-> t3_acquire

    t1_end & t2_end --> t3_acquire
    t3_acquire --> t3_update
    t3_update --> t3_end
  • Transaction 1과 2는 동시에 같은 data에 공유 잠금을 설정하고 읽기 작업을 수행합니다.
  • Transaction 3은 같은 data에 쓰기 작업을 위해 배타 잠금을 설정하려 하지만, 공유 잠금이 해제될 때까지 대기해야 합니다.
  • Transaction 1과 2가 모두 종료되어 공유 잠금이 해제된 후에야 Transaction 3이 배타 잠금을 획득하고 쓰기 작업을 수행할 수 있습니다.

목차