[MySQL] InnoDB 스토리지 엔진 아키텍처 1

InnoDB는 MySQL에서 사용할 수 있는 스토리지 엔진 중 거의 유일하게 레코드 기반의 잠금을 제공하며, 그 때문에 높은 동시성 처리가 가능하고 안정적이며 성능이 뛰어나다.

InnoDB의 개략적인 구조는 아래와 같다.

위 그림은 InnoDB의 아키텍처를 간단하게 보여주는데, 각 부분에 관하여 자세히 살펴보자!

프라이머리 키에 의한 클러스터링

InnoDB의 모든 테이블은 기본적으로 프라이머리 키를 기준으로 클러스터링되어 저장된다. 즉, 프라이머리 키 값의 순서대로 디스크에 저장된다는 뜻이며, 모든 세컨더리 인덱스는 레코드의 주소 대신 프라이머리 키의 값을 논리적인 주소로 사용한다.

프라이머리 키가 클러스터링 인덱스이기 때문에 프라이머리 키를 이용한 레인지 스캔은 상당히 빨리 처리될 수 있다. 결과적으로 쿼리의 실행 계획에서 프라이머리 키는 기본적으로 다른 보조 인덱스에 비해 비중이 높게 설정(쿼리의 실행 계획에서 다른 보조 인덱스보다 프라이머리 키가 선택될 확률이 높음)된다.

InnoDB 스토리지 엔진과는 달리 MyISAM 스토리지 엔진에서는 클러스터링 키를 지원하지 않는다. 그래서 MyISAM 테이블에서는 프라이머리 키와 세컨더리 인덱스는 구조적으로 아무런 차이가 없다. 프라이머리 키는 유니크 제약을 가진 세컨더리 인덱스일 뿐이다. 또한, MyISAM 테이블의 프라이머리 키를 포함한 모든 인덱스는 물리적인 레코드의 주소 값(ROWID)을 가진다.

외래 키 지원

외래 키에 대한 지원은 InnoDB 스토리지 엔진 레벨에서 지원하는 기능으로 MyISAM이나 MEMORY 테이블에서는 사용할 수 없다.

InnoDB에서 외래 키는 부모 테이블과 자식 테이블 모두 해당 컬럼에 인덱스 생성이 필요하고, 변경 시에는 반드시 부모 테이블이나 자식 테이블에 데이터가 있는지 체크하는 작업이 필요하므로, 잠금이 여러 테이블로 전파되고, 그로 인해 데드락이 발생할 때가 많으므로 개발시에 외래 키의 존재에 주의하는 것이 좋다.

MVCC (Multi Version Concurrency Control)

일반적으로 레코드 레벨의 트랜잭션을 지원하는 DBMS가 제공하는 기능이며, MVCC의 가장 큰 목적은 잠금을 사용하지 않는 일관된 읽기를 제공하는 데 있다. InnoDB는 언두 로그(Undo log)를 이용해 이 기능을 구현한다. 여기서 멀티 버전이라는 것은 하나의 레코드에 대해 여러 개의 버전이 동시에 관리된다는 것이다.

좀 더 쉬운 이해를 위해 격리 수준이(Isolation level)이 READ_COMMITED인 MySQL 서버에서 InnoDB 스토리지 엔진을 사용하는 테이블의 데이터 변경을 어떻게 처리하는지 아래 그림으로 살펴보자.

먼저 다음과 같은 테이블에 한 건의 레코드를 INSERT한 다음 UPDATE해서 발생하는 변경 작업 및 절차를 확인해보자.

mysql> CREATE TABLE member (
            m_id INT NOT NULL,
            m_name VARCHAR(20) NOT NULL,
            m_area VARCHAR(100) NOT NULL,
            PRIMARY KEY (m_id),
            INDEX ix_area (m_area)
          );

mysql> INSERT INTO member (m_id, m_name, m_area) VALUES (12, '김성현', '서울');
mysql> COMMIT;

INSERT 문이 실행되면 데이터베이스의 상태는 아래와 같이 바뀔 것이다.

MEMBER 테이블에 UPDATE 문장이 실행될 때의 처리 절차는 아래와 같다.

mysql> UPDATE member SET m_area='경기' WHERE m_id=12;

UPDATE 문장이 실행되면 커밋 실행 여부와 관계없이 InnoDB의 버퍼 풀은 새로운 값인 '경기'로 업데이트 된다. 그리고 디스크의 데이터 파일에는 체크포인트나 InnoDB의 Write 스레드에 의해 새로운 값으로 업데이트돼 있을 수도 있고 아닐 수도 있다.(InnoDB가 ACID를 보장하기 때문에 일반적으로는 InnoDB의 버퍼 풀과 데이터 파일은 동일한 상태라고 가정해도 무방하다.)

아직 COMMIT나 ROLLBACK이 되지 않은 상태에서 다른 사용자가 다음 같은 쿼리로 작업 중인 레코드를 조회하면 어디에 있는 데이터를 조회할까?

mysql> SELECT * FROM member WHERE m_id=12;

이는 MySQL 서버의 시스템 변수(transaction_isolation)에 설정된 격리 수준(Isolation Level)에 따라 다르다.

격리 수준이 READ_UNCOMMITED인 경우에는 InnoDB 버퍼 풀이 현재 가지고 있는 변경된 데이터를 읽어서 반환한다. 즉, 데이터가 커밋됐든 아니든 변경된 상태의 데이터를 반환한다. 그렇지 않고 READ_COMMITED나 그 이상의 격리 수준(REPEATABLE_READ, SERIALIZABLE)인 경우에는 아직 커밋되지 않았기 때문에 InnoDB 버퍼 풀이나 데이터 파일에 있는 내용 대신 변경되기 이전의 내용을 보관하고 있는 언두 영역의 데이터를 반환한다.

이러한 과정을 DBMS에서 MVCC라고 표현한다. 즉, 하나의 레코드(m_id가 12인 레코드)에 대해 2개의 버전이 유지되고, 필요에 따라 어느 데이터가 보여지는지 여러 가지 상황에 따라 달라지는 구조다.

위 예제를 통해 UPDATE 쿼리가 실행되면 InnoDB 버퍼 풀은 즉시 새로운 데이터로 변경되고 기존 데이터는 언두영역으로 복사되는 과정까지 살펴봤는데, 이 상태에서 COMMIT 명령을 실행하면 InnoDB는 더 이상의 변경 작업 없이 지금의 상태를 영구적인 데이터로 만들어 버린다. 하지만 ROLLBACK을 실행하면 InnoDB는 언두 영역에 있는 백업된 데이터를 InnoDB 버퍼 풀로 다시 복구하고, 언두 영역의 내용을 삭제해버린다. 커밋이 된다고 언두 영역의 백업 데이터가 항상 바로 삭제되는 것은 아니다. 이 언두 영역을 필요로 하는 트랜잭션이 더는 없을 때 비로소 삭제된다.

잠금 없는 일관된 읽기 (Non-Locking Consistent Read)

InnoDB 스토리지 엔진은 MVCC 기술을 이용해 잠금을 걸지 않고 읽기 작업을 수행한다.

잠금을 걸지 않기 때문에 InnoDB에서 읽기 작업은 다른 트랜잭션이 가지고 있는 잠금을 기다리지 않고, 읽기 작업이 가능하다. 격리 수준이 SERIALIZABLE이 아닌 READ_UNCOMMITED나 READ_COMMITED, REPEATABLE_READ 수준인 경우 INSERT와 연결되지 않은 순수한 읽기(SELECT) 작업은 다른 트랜잭션의 변경 작업와 관계없이 항상 잠금을 대기하지 않고 바로 실행된다.

아래 그림은 특정 사용자가 레코드를 변경하고 아직 커밋을 수행하지 않았다 하더라도 이 변경 트랜잭션이 다른 사용자의 SELECT 작업을 방해하지 않는다. 이를 '잠금 없는 일관된 읽기'라고 표현하며, InnoDB에서는 변경되기 전의 데이터를 읽기 위해 언두 로그를 사용한다.

자동 데드락 감지

InnoDB 스토리지 엔진은 내부적으로 잠금이 교착 상태에 빠지지 않았는지 체크하기 위해 잠금 대기목록을 그래프(Wait-for-List) 형태로 관리한다. InnoDB 스토리지 엔진은 데드락 감지 스레드를 가지고 있어서 데드락 감지 스레드가 주기적으로 잠금 대기 그래프를 검사해 교착 상태에 빠진 트랜잭션들을 찾아서 그중 하나를 강제 종료한다.

이때 어느 트랜잭션을 먼저 강제 종료할 것인지를 판단하는 기준은 트랜잭션의 언두 로그 양이며, 언두 로그 레코드를 더 적게 가진 트랜잭션이 일반적으로 롤백의 대상이 된다. 트랜잭션이 언두 레코드를 적게 가졌다는 이야기는 롤백을 해도 언두 처리를 해야할 내용이 적다는 것이며, 트랜잭션 강제 롤백으로 인한 MySQL 서버의 부하도 덜 유발하기 때문이다.

Reference
백은빈, 이성욱. 『Real MySQL 8.0』. 위키북스, 2022