[MySQL] 트랜잭션의 격리 수준 (Transaction Isolation Level)

트랜잭션의 격리 수준 (Transaction Isolation Level)은 데이터베이스에서 동시에 실행되는 여러 트랜잭션 간의 상호작용을 제어하여 데이터의 일관성을 유지하고 충돌을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.   
SQL 표준에서 정의된 격리 수준은 트랜잭션 간의 격리 정도와 성능의 균형을 결정하며, 데이터베이스 설계 및 운영에 있어 핵심적인 요소입니다.   
이번 포스팅에서는 트랜잭션의 격리 수준 Read Uncommitted, Read Committed, Repeatable Read, Serializable에 대한 특징과 동작 방식에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

트랜잭션의 격리 수준 (Transaction Isolation Level)

트랜잭션의 격리 수준(Transaction Isolation Level) 이란 여러 트랜잭션이 동시에 처리될 때, 특정 트랜잭션이 다른 트랜잭션에서 변경하거나 조회하는 데이터를 볼 수 있게 허용할지 여부를 결정하는 것   
즉, 트랜잭션끼리 얼마나 고립되어 있는지를 나타내는 수준, 한 트랜잭션에서 다른 트랜잭션이 변경한 데이터에 대한 접근 강도를 의미합니다.

 

READ UNCOMMITTED : Level 0

READ UNCOMMITTED 동작 과정 이미지

READ UNCOMMITTED는 트랜잭션 내용이 커밋, 롤백과 상관없이 접근할 수 있는 격리 수준입니다.   
이렇게 트랜잭션의 작업이 완료되기 전 다른 트랜잭션에서 볼 수 있는 현상을 Dirty Read라고 합니다. Dirty Read는 데이터가 조회되었다가 사라지는 현상을 일으켜, 시스템에 혼란을 유발할 수 있습니다.

 

READ UNCOMMITTED 동작 과정 이미지

롤백 시 트랜잭션이 아직 종료되지 않은 시점에서 다른 트랜잭션이 데이터를 조회가 가능한 것을 볼 수 있는데, 작업 중이던 트랜잭션이 롤백되고 난 후 재조회 시 결과가 존재하는 상황이 발생합니다. 이러한 Dirty Read 상황은 시스템에 치명적인 문제를 유발할 수 있습니다.   
그래서 READ UNCOMMITTED는 정합성의 문제가 많은 격리 수준이기 때문에 RDBMS 표준에서는 격리 수준으로 인정하지 않습니다.

 

READ COMMITTED : Level 1

READ COMMITTED는 트랜잭션의 변경 내용이 커밋된 데이터만 조회가 가능합니다. 대부분의 RDBMS에서 기본적으로 사용하는 격리 수준입니다.   
한 트랜잭션에서 데이터 변경 시 커밋하기 전 다른 트랜잭션에서 이를 조회 시 실제 테이블 값이 아닌 Undo 영역에 백업된 레코드 값을 가져오게 됩니다. 하지만 하나의 트랜잭션에서 같은 select 쿼리를 실행했을 때 항상 같은 결과를 가져와야 하는 REPEATABLE READ의 정합성에 어긋나며, Non-Repeatable Read (반복 읽기 불가능) 문제가 발생합니다.

 

Undo log 이미지

Undo로그는 위 이미지와 같이 한 트랜잭션이 시작되어 데이터 변경 후 아직 커밋하지 않은 상태일 때, 테이블은 먼저 갱신되고 Undo로그로 변경 전의 데이터가 백업되는 것을 의미합니다.

 

READ COMMITTED 동작 과정 이미지

트랜잭션 커밋 전 다른 트랜잭션에서 이를 조회 시 READ COMMITTED에서는 커밋된 데이터만 조회가 가능하므로, Undo로그에서 변경 전의 데이터를 찾아서 반환하게 됩니다.   
최종적으로 시작된 트랜잭션이 커밋되어야 이후 다른 트랜잭션에서 새롭게 변경된 데이터를 참조할 수 있습니다.   
하지만 READ COMMITTED는 Phantom Read(유령 읽기), Non-Repeatable Read(반복 읽기 불가능) 문제가 발생하게 됩니다.

• 트랜잭션1에서 커밋하기 전 트랜잭션2는 변경된 데이터가 아닌 Undo로그에 있는 데이터를 참조하게 됩니다. 트랜잭션1 커밋 후에 트랜잭션2는 변경된 데이터를 참조하게 되는데 이렇게 반복 읽기 수행 시 다른 트랜잭션의 커밋 여부에 따라 조회 결과가 달라지게 됩니다. 이를 Non-Repeatable Read라고 합니다.
• 데이터 삽입을 예로 했을 때, 트랜잭션1에서 커밋하기 전 트랜잭션2가 조회 시 아무 데이터도 확인할 수 없는데 트랜잭션1커밋 후에는 트랜잭션2가 조회 시 생성된 데이터를 확인할 수 있습니다. 트랜잭션2입장에서는 이전에 없던 데이터가 조회 시 갑자기 나타난 상황인데 위와 같은 상황으로 다른 트랜잭션의 커밋 여부에 따라 데이터 존재 유무가 달라지게 되는데 이를 Phantom Read라고 합니다.
• 데이터 수정, 삭제가 이루어질 때 Non-Repeatable Read, 데이터 삽입 시 phantom Read

 

REPEATABLE READ : Level 2

일반 RDBMS에서는 변경 전의 레코드를 Undo공간에 백업합니다. 그러면 변경 전, 후 데이터가 모두 존재하는데 동일한 레코드에 대해 여러 버전의 데이터가 존재하여 이를 MVCC(Multi-Version Concurrency Control, 다중 버전 동시성 제어)라고 부릅니다.   
각 트랜잭션은 순차 증가하는 고유한 트랜잭션 번호가 존재하며, 백업 레코드에는 어느 트랜잭션에 의해 백업되었는지 트랜잭션 번호를 함께 저장합니다. 이후 해당 데이터가 불필요하다고 판단하는 시점에 주기적으로 백그라운드 스레드를 통해 삭제합니다.
REPEATABLE READ는 MVCC를 이용하여 한 트랜잭션 내에서 동일한 결과를 보장하지만, 새로운 레코드가 추가되는 경우 Phantom Read 부정합이 생길 수 있습니다.

 

동작 흐름

REPEATABLE READ 동작 흐름 이미지

트랜잭션2는 트랜잭션3이 시작되기 전 먼저 시작된 상태입니다. 이때 REPEATABLE READ는 트랜잭션 번호를 참고하여 자신보다 먼저 실행된 트랜잭션의 데이터만 조회합니다. 테이블에 자신보다 이후에 실행된 트랜잭션의 데이터가 존재할 경우, Undo로그를 참고하여 데이터를 조회합니다.   
트랜잭션3이 시작되고 커밋까지 되었지만, 트랜잭션3은 트랜잭션2보다 나중에 실행되었기 때문에 기존과 동일한 데이터를 조회하게 됩니다.   
즉, REPEATABLE READ는 어떤 트랜잭션이 읽은 데이터를 다른 트랜잭션이 수정하더라도 동일한 결과를 보장합니다.

 

Phantom Read : 일반 RDBMS

Phantom Read 예외 이미지

REPEATABLE READ는 새로운 레코드의 추가를 막지 않아, Phantom Read(유령 읽기)가 발생할 수 있습니다.
하지만 MVCC 기능으로 위 이미지처럼 일반적인 조회에서 Phantom Read는 발생하지 않습니다. 그 이유는 이미 실행된 트랜잭션보다 나중에 실행된 트랜잭션이 추가한 레코드는 무시하면 되기 때문입니다.

 

일반 RDBMS Phantom Read 이미지

그러나 일반적인 RDBMS의 경우 위 이미지처럼 FOR UPDATE를 통한 쓰기 잠금 (베타적 락)을 사용 시 Phantom Read가 발생하게 됩니다. (FOR SHARE 읽기 잠금 (공유 락)에도 발생)

잠금 시 MVCC를 통해 Phantom Read가 해결되지 않는 이유는 잠금이 존재하는 데이터 조회는 Undo로그가 아닌 테이블에서 수행되기 때문입니다.   

 

일반적인 조회에서 Undo로그에 잠금을 걸면 되지 않나?

 

Undo로그는 이전 데이터를 저장하지만, 데이터 수정 시마다 새로운 로그가 추가(append)되기 때문에 특정 데이터에 잠금을 걸 수 없습니다.(append-only) 따라서 MVCC는 일반 조회에서 Undo 로그를 참조해 과거 데이터를 보장하지만, FOR UPDATE, FOR SHARE는 Undo 로그를 참조하지 않고 테이블에서 데이터를 조회합니다. 이러한 이유로 새로운 레코드가 추가된 경우 Phantom Read가 발생할 수 있습니다.

 

Phantom Read : MySQL

MySQL Gap Lock 이미지

MySQL의 갭 락(Gap Lock)은 기존 레코드뿐만 아니라 레코드 사이의 갭(공간)에도 잠금을 설정하게 되는데, 이는 다른 트랜잭션이 해당 범위 내에서 데이터를 추가하는 것을 방지합니다. 넥스트 키 락(Next-Key Lock)은 레코드 락과 갭 락을 결합한 방식으로 Phantom Read를 방지할 수 있습니다.
즉, 잠금으로 데이터 조회 시 MySQL은 조회한 데이터에는 레코드락, 그보다 큰 범위에는 갭 락으로 넥스트 키 락을 사용하게 됩니다. 따라서 트랜잭션3이 INSERT 시도 시 트랜잭션2의 트랜잭션이 종료될 때까지 대기 후 트랜잭션이 종료됩니다. 

대기가 너무 길어져 innodb_lock_wait_timeout 설정값을 초과하면 타임아웃이 발생해 트랜잭션이 실패하고 롤백됩니다.

 

MySQL Phantom Read 이미지

그렇다면 MySQL Phantom Read는 어떤 상황에 발생할까?   

MySQL의 REPEATABLE READ에서는 일반적으로 Phantom Read가 발생하지 않습니다.   
그러나 위 이미지와 같이 트랜잭션2가 일반적인 조회 후 트랜잭션3이 INSERT를 통해 데이터 추가 시 잠금이 없으므로 즉시 트랜잭션 종료(커밋)됩니다.

이후 트랜잭션2가 FOR UPDATE를 통해 잠금을 사용하여 조회 시 Undo로그 대신 테이블의 최신 데이터를 직접 조회하여, 이전에 커밋된 새로운 레코드를 감지해 Phantom Read가 발생하게 됩니다.   
하지만 거의 사용되지 않는 케이스이며, MySQL이 REPEATABLE READ에서 Phantom Read가 발생하는 거의 유일한 상황으로 볼 수 있습니다.

 

• SELECT FOR UPDATE 이후 SELECT → 갭 락(Gap Lock)으로 인해 Phantom Read 발생하지 않음
• SELECT FOR UPDATE 이후 SELECT FOR UPDATE → 갭 락(Gap Lock)으로 인해 Phantom Read 발생하지 않음
• SELECT 이후 SELECT → MVCC로 인해 Phantom Read 발생하지 않음
• SELECT 이후 SELECT FOR UPDATE → Phantom Read 발생

 

MySQL REPEATABLE READ는 갭 락(Gap Lock), 넥스트 키 락(Next-Key Lock)을 통해 대부분의 Phantom Read를 방지합니다.

그러나 일반적인 조회 후 잠금 조회를 사용하는 특수한 경우에 Phantom Read가 발생하게 됩니다.

그 이유는 Undo로그 대신 테이블 데이터를 직접 조회하는 MySQL의 동작 특성 때문입니다.

 

SERIALIZABLE : Level 3

SERIALIZABLE는 가장 엄격한 격리 수준이지만, 트랜잭션이 순차적으로 처리되어 동시 처리 성능이 가장 낮습니다.   
MySQL에서 FOR UPDATE, FOR SHARE는 대상 레코드에 각 읽기, 쓰기 잠금을 걸지만, 일반적인 SELECT 작업에서는 레코드 잠금 없이 실행됩니다.   
하지만 SERIALIZABLE 격리 수준에서는 일반적인 SELECT 작업에서도 넥스트 키 락(Next-Key Lock)을 읽기 잠금(Shared Lock, 공유락)으로 설정하여, 한 트랜잭션이 작업을 수행하는 동안 다른 트랜잭션이 추가, 수정 작업을 할 수 없도록 합니다.   
가장 안전하지만 가장 성능이 떨어져 극단적으로 높은 데이터 안정성이 필요한 경우가 아니라면 사용하지 않는 것이 좋습니다.

 

• 장점: 데이터 일관성을 완벽하게 보장합니다. 모든 트랜잭션이 순차적으로 처리되어 교착 상태(Dead Lock)와 데이터 충돌 우려가 없습니다.
• 단점: 동시성(Concurrency)이 매우 낮아, 다중 사용자 환경에서 심각한 성능 저하를 유발할 수 있습니다.

 

마무리

트랜잭션 격리 수준 요약 이미지

이번 포스팅에서는 트랜잭션의 격리 수준 Read Uncommitted, Read Committed, Repeatable Read, Serializable에 대한 특징과 동작 방식에 대해 알아보았습니다.   
각 격리 수준은 동시성과 데이터 일관성 간의 균형을 어떻게 맞출지에 따라 적합한 상황이 다르며, 각 선택은 성능과 안정성 요구 사항에 따라 달라질 수 있습니다.

 

상호작용	설명
Dirty Read	아직 커밋되지 않은 다른 트랜잭션의 데이터를 읽는 것을 의미합니다.
Non-repeatable Read	다른 트랜잭션에서 데이터를 수정하고 커밋했을 때, 동일한 트랜잭션 내에서 이전에 읽은 값과 다르게 조회되는 것을 의미합니다. 일반적으로 데이터의 수정, 삭제가 이루어질 때 발생
Phantom Read	다른 트랜잭션에서 데이터를 삽입하고 커밋했을 때, 동일한 조건으로 조회 시 이전에 없던 데이터가 새롭게 나타나는 것을 의미합니다. 일반적으로 데이터의 삽입이 이루어질 때 발생

레벨	격리 수준	Dirty Read	Non-repeatable Read	Phantom Read
0	READ UNCOMMITTED	발생	발생	발생
1	READ COMMITTED	발생하지 않음	발생	발생
2	REPEATABLE READ	발생하지 않음	발생하지 않음	발생
3	SERIALIZABLE	발생하지 않음	발생하지 않음	발생하지 않음

 

참고

https://hoestory.tistory.com/86

[MySQL] 트랜잭션 격리 수준

https://mangkyu.tistory.com/299

[MySQL] 트랜잭션의 격리 수준(Isolation Level)에 대해 쉽고 완벽하게 이해하기