MySQL은 어떻게 ID 값을 순차적으로 넣어주는 것일까? (Feat. Auto Increment Lock)

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MySQL은 어떻게 ID 값을 순차적으로 넣어주는 것일까? (Feat. Auto Increment Lock)

간단한 URL 단축기 설계 프로젝트를 진행하던 중 아래와 같은 궁금증이 생기게 되었다.

MySQL에서 ID 값을 AUTO INCREMENT 로 했을 때 동시성 문제는 없나?
여러 트랜잭션에서 INSERT를 진행할 때 어떻게 ID 값을 순차적으로 주는 것일까?
JPA를 통해 SAVE 후 ID 값은 어떻게 받아오는 것일까?

단순히 '데이터베이스에서 해주더라' 보다는 내부적으로 어떻게 동작을 하는지 궁금해졌다.

전체적인 흐름

결론부터 말하자면,

MySQL 내부에서 Auto Increment Lock을 통해 동시성을 제어한다.
Hiberante는 JDBC의 Statement.getGeneratedKeys() 를 통해 필요한 데이터들을 함께 가져온다.

이러한 방식을 통해 JPA를 사용할 때 ID 값을 Auto Increment로 사용하게 될 경우 데이터베이스가 ID를 관리하기 때문에 별도의 처리가 필요없는 것이다.

중요한 점은, AUTO_INCREMENT Lock은 트랜잭션 유무와 관계없이 Statement가 종료되면 락이 해제된다.

처음부터 하나씩 살펴보자.

Entity (JPA)

@Entity
@Table(name = "url")
@Getter
@NoArgsConstructor(access = AccessLevel.PROTECTED)
public class Url {

    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;

    private String shortUrl;

    private String originalUrl;
    
    // ...
}

위와 같은 엔티티가 존재하며 INSERT (JPA에서 SAVE) 작업이 일어날 때 어떻게 아이디 값을 순차적으로 넣어주는 것일까?

데이터 삽입 테스트

동시성 문제가 없는지 한 번 테스트 해보자.

A Transaction

START TRANSACTION;

INSERT INTO url(originalUrl, shortUrl) 
VALUES('http://test.com/1234', '1234');

B Transaction

START TRANSACTION;

INSERT INTO url(originalUrl, shortUrl)
VALUES('http://test.com/5678', '5678');

A, B 트랜잭션 모두 커밋을 하지 않은 상태이다. 각각의 트랜잭션에서 조회를 한다면 ID 값이 어떻게 나오게 될까? (기존에 1개의 데이터가 있는 상태)

A 트랜잭션이 먼저 수행이 되었으므로, ID = 2
B 트랜잭션은 이후에 수행되었으므로, ID = 3

여기서 궁금했던 점은 별도의 트랜잭션을 통해서 진행했는데 어떻게, 어디에서 다음 ID 값을 가져오는 것인지 궁금해졌다.

참고로 이 때, 롤백이 일어나게 된다고 하더라도, 다음 INSERT 발생시 마지막에 넣었던 ID + 1 값으로 넣어진다.

어떻게 MySQL은 ID 값을 순차적으로 올리는 걸까?

innodb_autoinc_lock_mod

InnoDB를 기본으로 사용하고 있는 MySQL에서는 innodb_autoinc_lock_mode 시스템 변수를 통해서 어떤 락 기법을 사용할 것인지 지정할 수 있다.

아래에서 설명될 INSERT 방식은 아래와 같이 분류한다.

INSERT-like
- 새로운 행(row)를 생성하는 모든 구문
- 아래의 3가지 단순, 벌크, 복합-모드 모두 포함
단순 INSERT
- INSERT 수를 사전에 예측할 수 있는 문장을 말함.
- 단일 행(single-row), 복수 행(multiple-row)의 INSERT, REPLACE가 해당된다.
벌크 INSERT
- INSERT 수를 사전에 알 수 없는 문장을 말함.
- InnoDB는 각 행이 처리될 때 AUTO_INCREMENT 컬럼의 새로운 값을 하나씩 할당
복합-모드 INSERT
- 단순 INSERT 문장에 AUTO_INCREMENT 값을 지정하는 경우를 말함

innodb_autoinc_lock_mode 종류

0: traditional lock mode
1: consecutive lock mode ( ~ 5.7 Deafult)
2: interleaved lock mode (8.0 Default)

Traditional Lock Mode (0)

테이블 수준의 락을 사용
INSERT 문이 완료될 때까지 잠금을 유지
동시성이 낮지만, 안전한 방법

Consecutive Lock Mode (1)

'단순 INSERT'의 경우 테이블 잠금 대신 Mutex 사용
- 필요한 수의 AUTO INCREMENT 값을 획득하여 할당할 때 까지만 Lock
'대량 INSERT'의 경우에만 테이블 잠금을 사용
- 삽입해야할 데이터가 많은 경우 경쟁이 심해질 수 있음
'복합-모드 INSERT'의 경우 사용자가 값을 명시함
MySQL 5.7까지 기본 값

Interleaved Lock Mode (2)

테이블 수준의 잠금은 사용하지 않음, Mutex만 사용
가장 빠르고 확장성이 좋음
동시 처리 성능이 가장 높지만, STATEMENT 기반 복제시 안전하지 않음
AUTO INCREMENT 값에 차이가 생길 수 있다.
MySQL 8.0부터 기본 값

기존: 벌크 INSERT로 인한 테이블 락으로 인해 CPU 사용률이 100%에 도달하여 타임아웃 발생
이후: 1초에 수천 개의 참여 요청에도 CPU 사용률 10~20% 사이를 유지하며 안정적으로 처리

그렇다면, 어떻게 자동으로 다음 ID 값을 할당해줄까?

InnoDB의 AUTO_INCREMENT 동작 방식을 보자면:

초기화 방식
1. 기본적으로 .cfg 메타데이터 파일에서 AUTO_INCREMENT 값을 읽는다.
2. 만약, .cfg 파일이 없는 경우 SELECT MAX(ai_col) 쿼리로 초기화를 한다.
값 변경과 유지
1. ALTER TABLE로 AUTO_INCREMENT 값을 변경할 때는 현재 최대값을 확인한다.
2. 현재 최대값보다 작은 값으로는 설정할 수 없다.
3. 서버가 재시작되어도 설정된 AUTO_INCREMENT 값은 유지된다.

.cfg 파일은 InnoDB 테이블의 메타데이터 정보를 포함하고 있으며, AUTO_INCREMENT 카운터의 현재 최대값도 저장하고 있다.

위와 같은 방식을 통해서 MySQL에서 처리를 한다고 한다.

Spring Data JPA - Auto Increment

조금 더 나아가서, 스프링에서는 ID 값을 지정해주지 않고 저장을 하는데, 어떻게 다시 값을 가져올 수 있을까? 간단하게 코드를 참고해서 확인해보자.

UrlService.java

@Service
@RequiredArgsConstructor
public class UrlService {
    
    private final Base62Conversion conversion;
    private final UrlRepository urlRepository;
    
    
    @Transactional
    public ShortenResponse shortenUrl(ShortenRequest request) {
        String originalUrl = request.getOriginalUrl();
        
        // DB 조회 후 존재하면 가져오기
        // ...
        
        Url url = Url.builder()
                    .originalUrl(originalUrl)
                    .build();
                    
        // 새로운 ID를 할당받는 과정
        Url savedUrl = urlRepository.save(url); 
        log.info("url ID = {}", savedUrl.getId()); 
        
        // ...
    }
}

Url 엔티티의 ID는 @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY) 상태입니다.

Hibernate 내부적으로 Statement의 getGeneratedKeys() 메서드를 통해 자동으로 생성된 ID 값 뿐만 아니라 필요한 정보들을 획득해오는 방식을 사용한다.