[DB] Postgresql Lock 파헤치기

chrisjune
chrisjune
May 27, 2020 · 19 min read

Database lock을 이해하는 것은 동시성 문제를 해결하는데 중요한 요소입니다. 다양한 Lock의 종류 중 가장 중요한 Read Lock, Write Lock, Race condition 그리고 명시적 락에 대해서 어떻게 동작을 하는지 자세히 알아보겠습니다.

요즘 롤토체스TFT를 많이 해서 관련된 예를 들도록 하겠습니다.

말파이트와 피오라 두 캐릭터가 있는데 여신의 눈물(이후부터 줄여서 여눈)이라는 아이템을 서로 가지려고 하는 상황을 예로 들어봅니다.

여신의 눈물
CREATE DATABASE TFT;CREATE TABLE item(
id serial NOT NULL,
name character varying,
selected integer NOT NULL DEFAULT 0,
CONSTRAINT item_pk PRIMARY KEY (id)
);
INSERT INTO item(name) VALUES ('Tears of goddess');

TFT라는 게임이름의 데이터베이스에 item 테이블을 생성하고 여신의 눈물(Tears of goddess)정보를 추가하였습니다.

Read lock — AccessShareLock

Fiora > begin; select * from item;
id | name | selected
----+---------------------+----------
1 | tears of goddess | 0
(1 rows)
Malphite > begin; select * from item;
id | name | selected
----+---------------------+----------
1 | tears of goddess | 0
(1 rows)

BEGIN 명령어를 실행하면, 이후 실행하는 SQL명령문은 transaction으로 묶이게 되어 commit 또는 rollback을 하게 될 때 까지 DB에 반영되지 않습니다. Postgresql에서는 pg_catalog라는 스키마에 다양한 메타정보를 관리합니다. 그 중 pg_locks view는 database server에 현재 transaction에서 잡혀있는 lock에 대한 정보를 제공해줍니다.

다른 세션에서 lock 정보를 확인해봅시다.

Monitor> select locktype, relation::regclass, mode, transactionid tid, pid, granted from pg_catalog.pg_locks where not pid=pg_backend_pid();locktype    | relation  |      mode       | tid | pid  | granted
------------+-----------+-----------------+-----+------+---------
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1010 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1018 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
(6 rows)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다)
결과중 다섯번째 줄을 보면, 피오라가 item테이블에 AccessShareLock을 요청하고, 허용되었다(Granted) 라는 정보를 확인할 수 있습니다.

여기서 AccessShareLockSELECT 명령문으로 잡히는 락입니다. 참고로 모든 트렌젝션은 locktypevirtualxidExclusiveLock을 잡고 있습니다.

Write Lock — RowExclusiveLock

Fiora> update item set selected=selected+1 where id=1;
UPDATE 1
Malphite> select * from item;
id | name | selected
----+---------------------+----------
1 | tears of goddess | 1
(1 rows)

피오라가 이미 여눈을 가져갔지만 말파이트는 아직도 모르고 있습니다.
데이터의 정합성과 무결성을 정하는 격리수준인 Isolation level이 대부분의 Database에서는 Read Committed로 되어있습니다. 이는 Commit을 한 정보만 다른 세션 또는 트렌젝션에서 확인할 수 있다는 의미입니다. 따라서 아직 말파이트는 피오라가 commit하지 않은 정보를 볼 수 없던 것입니다.

locktype       |relation|       mode       | tid  | pid  |ranted
---------------+---------+-----------------+------+------+-------
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1010 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1018 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
relation | item_pk | RowExclusiveLock | | 1018 | t
relation | item | RowExclusiveLock | | 1018 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5659 | 1018 | t

(9 rows)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다)

기존의 Lock 정보에서 3개의 락이 추가되었습니다. item 테이블에 Primary key 1에 대하여 Write lock인 RowExclusiveLock 이 잡혔습니다. Update, Delete, Insert 명령문으로 데이터를 수정하려고 할 때 이 락을 잡습니다.

RowExclusiveLockExclusiveLock 중 하나로 배타적 잠금 또는 쓰기잠금으로 해석할 수 있습니다. 데이터를 변경할 때 다른사람이 동시에 바꿀 수 없도록 쓰기잠금을 걸고 쓰기를 마치면 잠금을 해제합니다. 당연히 쓰기잠금이 걸려있을 때는 다른 잠금을 걸 수 없습니다.

추가적으로, 마지막 줄 처럼Database에 상태를 변경하려는 모든 트렌젝션에 Transaction id가 부여되고 트렌젝션이 종료될 때 까지 유지됩니다.

Race Condition — ShareLock

Malphite> update item set selected=selected+1 where id=1;

Fiora는 동일한 명령문을 실행했을 때 바로 UPDATE 1 이라는 결과가 나왔지만 Malphite는 아무 결과 없이 그대로 멈춰있습니다.

이제 락 정보를 조회해봅시다.

locktype       | relation  |       mode       | tid  | pid  |granted
---------------+-----------+------------------+------+------+-------
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item_pk | RowExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item_pk | RowExclusiveLock | | 1018 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item | RowExclusiveLock | | 1018 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5659 | 1018 | t

relation | item | RowExclusiveLock | | 1010 | t
tuple | item | ExclusiveLock | | 1010 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5660 | 1010 | t
transactionid | | ShareLock | 5659 | 1010 | f
(14 rows)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다)

위에서 언급했던 것 처럼 데이터를 수정하려고 할 때는 Transactionid가 할당됩니다. 따라서 말파이트에게도 transactionid locktype에 tid가 부여되었습니다.

처음보는 ShareLock이 추가되었습니다. ShareLock은 공유잠금 또는 읽기잠금이라는 뜻입니다. 데이터를 읽을 때 공유잠금을 걸지만, 이름처럼 다른 공유잠금은 걸 수 있습니다. 하지만! 쓰기잠금은 걸 수 없습니다. 반대로 쓰기잠금이 걸려있을 때는 공유잠금을 걸 수 없습니다.

ShareLock은 동시 데이터를 변경할 때 생기는 문제를 보호하기 위하여 먼저 Lock을 잡은 Transactionid에 공유를 요청하는 Lock입니다. 피오라가가 먼저 ExclusiveLock을 잡고 있기 때문에 ShareLock과 Conflict되어 Lock이 granted되지 않았습니다. 따라서 피오라의 ExclusiveLock이 해제될 때 까지 말파이트의 요청은 대기가 됩니다.

explicit-locking

pg_catalog에는 pg_stat_activity라는 현재 실행되는 쿼리들을 보여주는 view가 있습니다.

Monitor> SELECT query,state,pid FROM pg_catalog.pg_stat_activity;
query | state | pid
----------------------------------------------+---------------+----
update item set selected=selected+1 where id=1|active |1010
update item set selected=selected+1 where id=1|idle in trans..|1018
(2 rows)

피오라의 쿼리는 실행이 완료되었고 transaction이 끝나길 기다리기 때문에 idle in transaction 상태이고, 말파이트는 피오라를 기다리는 상태이기 때문에 active 상태입니다.

pg_lock과 pg_statc_activity를 pid기준으로 조인하면 경합상태를 한눈에 확인할 수 있습니다.

Monitor> SELECT blockeda.pid AS blocked_pid, blockeda.query as blocked_query,
blockinga.pid AS blocking_pid, blockinga.query as blocking_query
FROM pg_catalog.pg_locks blockedl
JOIN pg_stat_activity blockeda ON blockedl.pid = blockeda.pid
JOIN pg_catalog.pg_locks blockingl ON(blockingl.transactionid=blockedl.transactionid
AND blockedl.pid != blockingl.pid)
JOIN pg_stat_activity blockinga ON blockingl.pid = blockinga.pid
WHERE NOT blockedl.granted ;
blocked_pid | blocked_query | blocking_pid | blocking_query
-------------+-------------------------------------------+--------------+-------------------------------------------
1010 | update item set selected=selected+1 where id=1; | 1018 | update item set selected=selected+1 where id=1;
(1 row)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다) 명확하게 피오라의 쿼리가 말파이트의 쿼리를 Block하고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

이제 피오라가 Commit 또는 Rollback을 하게되면 어떻게 되는지 보도록 하겠습니다.

Fiora> commit;
COMMIT
Malphite>
UPDATE 1
Malphite> select * from item;
id | name | selected
----+---------------------+----------
1 | tears of goddess | 1
(1 rows)

피오라가 트렌젝션을 종료하자 말파이트의 대기중인 쿼리가 실행되었습니다.

locktype       | relation  |       mode     | tid  | pid  | granted
------------- -+-----------+------------------+------+------+-------
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1010 | t
relation | item_pk | RowExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item | RowExclusiveLock | | 1010 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5660 | 1010 | t
(6 rows)

Lock정보를 보면 피오라가 잡았던 모든 락이 해제되고 말파이트의 모든 Lock과 granted되지 않았던 ShareLock이 사라진 것을 볼 수 있습니다.

Explicit Locking (명시적인 Lock)

1. Table lock—AccessExclusiveLock

Fiora> BEGIN; Lock table item in ACCESS EXCLUSIVE MODE;
BEGIN
LOCK TABLE
Malphite> BEGIN; select * from item;
BEGIN

피오라가 아이템정보를 독점하고 싶어합니다. 따라서 테이블 전체에 AccessExclusiveLock을 걸었습니다. AccessExclusiveLock은 select를 포함한 모든 Lock과 conflic됩니다. 따라서파이트의 Read lock(AccessShareLock)이 granted되지 않았습니다.

위의 명령문으로 상품 테이블 락을 잡게 됩니다. 이후 말파이트의 해당 테이블의 레코드에 대한 모든 명령문은 모두 대기를 해야합니다. 피오라가 트렌젝션을 종료하면 말파이트의 조회결과가 출력됩니다.

locktype  | relation |        mode           | tid | pid  | granted
------------+----------+---------------------+-----+------+---------
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
relation | item | AccessShareLock | | 1010 | f
relation | item | AccessExclusiveLock | | 1018 | t
(4 rows)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다)

2. RowLock — RowShareLock

Fiora> BEGIN; SELECT * FROM item WHERE id=1 FOR UPDATE;
BEGIN
id | name | selected
----+---------------------+----------
1 | tears of goddess | 2
(1 row)

락 정보를 확인해보면 RowShareLock 을 획득하였습니다.

 locktype      | relation  |      mode       | tid  | pid  | granted
---------------+-----------+-----------------+------+------+--------
relation | item_pk | AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item | RowShareLock | | 1018 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5189 | 1018 | t
(4 rows)

피오라가 RowShareLock을 건 데이터를 말파이트가 수정하려고하면 어떻게 될까요?

Malphite>update item set selected=selected+1 where id=1;
BEGIN
locktype |relation| mode | tid | pid | granted
---------------+--------+------------------+------+------+-------
relation | item_pk| RowExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item | RowExclusiveLock | | 1010 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1010 | t
relation | item_pk| AccessShareLock | | 1018 | t
relation | item | RowShareLock | | 1018 | t
virtualxid | | ExclusiveLock | | 1018 | t
transactionid | | ExclusiveLock | 5193 | 1018 | t
transactionid | | ShareLock | 5193 | 1010 | f
transactionid | | ExclusiveLock | 5194 | 1010 | t
tuple | item | ExclusiveLock | | 1010 | t

(10 rows)

(PID 1018 은 Fiora이고 PID 1010 Malphite입니다)
RaceCondition일 때 락정보와 매우 흡사합니다. 피오라가 Lock을 잡고 있기 때문에 말파이트는 ShareLock을 요청하고 granted되지 않았습니다.

Lock monitor view

CREATE VIEW lock_monitor AS(
SELECT
COALESCE(blockingl.relation::regclass::text,blockingl.locktype) as locked_item,
now() - blockeda.query_start AS waiting_duration, blockeda.pid AS blocked_pid,
blockeda.query as blocked_query, blockedl.mode as blocked_mode,
blockinga.pid AS blocking_pid, blockinga.query as blocking_query,
blockingl.mode as blocking_mode
FROM pg_catalog.pg_locks blockedl
JOIN pg_stat_activity blockeda ON blockedl.pid = blockeda.pid
JOIN pg_catalog.pg_locks blockingl ON(
( (blockingl.transactionid=blockedl.transactionid) OR
(blockingl.relation=blockedl.relation AND blockingl.locktype=blockedl.locktype)
) AND blockedl.pid != blockingl.pid)
JOIN pg_stat_activity blockinga ON blockingl.pid = blockinga.pid
AND blockinga.datid = blockeda.datid
WHERE NOT blockedl.granted
AND blockinga.datname = current_database()
);

아래 포스팅의 구성을 참고하여 글을 작성하였습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사하고 Lock을 이해하는데 도움이 되었으면 좋겠습니다.

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