MySQL 아키텍처

MySQL 아키텍처

MySQL 서버는 사람의 머리 역할을 담당하는 MySQL 엔진과 손발 역할을 담당하는 스토리지 엔진으로 구분할 수 있다. 그리고 스토리지 엔진은 핸들러 API를 만족하면 누구든 스토리지 엔진을 구현해서 MySQL 서버에 추가해서 사용할 수 있다. 즉, MySQL 서버에서 MySQL 엔진은 하나지만 스토리지 엔진은 여러 개를 동시에 사용할 수 있다.

 

MySQL 엔진

MySQL엔진은 클라이언트로부터의 접속 및 쿼리 요청을 처리하는 커넥션 핸들러와 SQL 파서 및 전처리기, 쿼리의 최적화된 실행을 위한 옵티마이저가 중심을 이룬다. 또한 MySQL은 표준 SQL(ANSI SQL) 문법을 지원하기 때문에 표준 문법에 따라 작성된 쿼리는 타 DBMS와 호환되어 실행될 수 있다.

MySQL 엔진은 요청된 SQL 문장을 분석하거나 최적화하는 등 DBMS의 두뇌에 해당하는 처리를 수행한다고 할 수 있다.

 

스토리지 엔진

스토리지 엔진은 실제 데이터를 디스크 스토리지에 저장하거나 디스크 스토리지로부터 데이터를 읽어오는 역할을 수행한다.

 

CREATE TABLE test_table (fd1 INT, fd2 INT) ENGINE=INNODB;

위처럼 test_table은 InnoDB 스토리지 엔진을 사용하도록 정의했다. 그러면 test_table에 대해 INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT, ... 등의 작업이 발생하면 InnoDB 스토리지 엔진이 그러한 처리를 담당한다. 그리고 각 스토리지 엔진은 성능 향상을 위해 키 캐시(MyISAM 스토리지 엔진)나 InnoDB 버퍼 풀(InnoDB 스토리지 엔진)과 같은 기능을 내장하고 있다.

 

핸들러 API

MySQL 엔진의 쿼리 실행기에서 데이터를 쓰거나 읽어야 할 때는 각 스토리지 엔진에 쓰기 또는 읽기를 요청하는데, 이러한 요청을 핸들러(Handler) 요청이라 하고, 여기서 사용되는 API를 핸들러 API라고 한다. InnoDB 스토리지 엔진 또한 이 핸들러 API를 이용해 MySQL 엔진과 데이터를 주고받는다. 이 핸들러 API를 통해 얼마나 많은 데이터(레코드) 작업이 있었는지는 SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Handler%'; 명령을 통해 확인할 수 있다.

 

MySQL 스레딩 구조

MySQL 서버는 프로세스 기반이 아닌 스레드 기반으로 작동하며, 크게 포그라운드(Foreground) 스레드와 백그라운드(Background) 스레드로 구분할 수 있다. 

 

SELECT thread_id, name, type, processlist_user, processlist_host FROM performance_schema.threads ORDER BY type, thread_id;

MySQL 서버에서 실행 중인 스레드의 목록은 위처럼 performance_schema 데이터베이스의 threads 테이블을 통해 확인할 수 있다. 백그라운드 스레드의 개수는 MySQL 서버의 설정에 따라 가변적일 수 있고, 동일한 이름의 스레드가 2개 이상씩 보이는 경우는 MySQL 서버의 설정 내용에 따라 여러 스레드가 동일 작업을 병렬로 처리하기 때문이다.

 

그리고 thread/sql/one_connection 스레드만 실제 사용자의 요청을 처리하는 포그라운드 스레드이다. 전통적인 스레드 모델은 커넥션 별로 포그라운드 스레드가 하나씩 생성되고 할당된다. 하지만 MySQL 엔터프라이즈 에디션과 Percona MySQL 서버에서의 스레드 풀 모델은 커넥션과 포그라운드 스레드가 1:1관계가 아니라 하나의 스레드가 여러 개의 커넥션 요청을 전담한다.

 

포그라운드 스레드(클라이언트 스레드)

포그라운드 스레드는 최소한 MySQL 서버에 접속된 클라이언트의 수만큼 존재하며, 주로 각 클라이언트 사용자가 요청하는 쿼리 문장을 처리한다. 클라이언트 사용자가 작업을 마치고 커넥션을 종료하면 해당 커넥션을 담당하던 스레드는 다시 스레드 캐시(Thread cache)로 되돌아간다. 이 때, 이미 일종의 connection / Thread pool 역할을 하는 스레드 캐시에 일정 개수 이상의 대기 중인 스레드가 있으면 스레드 캐시에 넣지 않고 스레드를 종료시켜 스레드 캐시에 일정 개수의 스레드만 존재할 수 있도록 유지한다. 스레드 캐시를 유지하는 최대 스레드 개수는 thread_cache_size 시스템 변수로 설정한다.

 

포그라운드 스레드는 데이터를 MySQL의 데이터 버퍼나 캐시로부터 가져오며, 버퍼나 캐시에 없는 경우에는 직접 디스크의 데이터나 인덱스 파일로부터 데이터를 읽어와 작업을 처리한다. MyISAM 테이블은 디스크 쓰기 작업까지 포그라운드 스레드가 처리하지만 InnoDB 테이블은 데이터 버퍼나 캐시까지만 포그라운드 스레드가 처리하고, 나머지 버퍼로부터 디스크까지 기록하는 작업은 백그라운드 스레드가 처리한다.

 

백그라운드 스레드

MyISAM의 경우에는 별로 해당 사항이 없는 부분이지만 InnoDB는 다음과 같이 여러 가지 작ㅇ버이 백그라운들로 처리된다.

• 인서트 버퍼(Insert Buffer)를 병합하는 스레드
• 로그를 디스크로 기록하는 스레드
• InnoDB 버퍼 풀의 데이터를 디스크에 기록하는 스레드
• 데이터를 버퍼로 읽어 오는 스레드
• 잠금이나 데드락을 모니터링하는 스레드

모두 중요한 역할이지만 그 중에서도 가장 중요한 것은 로그 스레드(Log thread)와 버퍼의 데이터를 디스크로 내려쓰는 작업을 처리하는 쓰기 스레드(Write thread)이다.

 

MySQL 5.5 버전부터 데이터 쓰기 스레드와 데이터 읽기 스레드의 개수를 2개 이상 지정할 수 있게 됐으며, innodb_write_io_threads와 innodb_read_io_threads 시스템 변수로 스레드의 개수를 설정할 수 있다. InnoDB에서도 데이터를 읽는 작업은 주로 클라이언트 스레드에서 처리되기 때문에 읽기 스레드는 많이 설정할 필요가 없지만 쓰기 스레드는 아주 많은 작업을 백그라운드로 처리하기 때문에 일반적인 내장 디스크를 사용할 때는 2~4 정도로 설정하는 것이 좋다.

 

InnoDB에서는 INSERT, UPDATE, DELETE 쿼리로 데이터가 변경되는 경우 데이터가 디스크의 데이터 파일로 완전히 저장될 때까지 기다리지 않아도 된다. 따라서 일반적인 상용 DBMS에는 대부분 쓰기 작업을 버퍼링해서 일괄 처리하는 기능이 탑재돼 있으며, InnoDB 또한 이러한 방식으로 처리한다. 하지만 MyISAM은 그렇지 않고 사용자 스레드가 쓰기 작업까지 함께 처리하도록 설계되어 있다.

 

메모리 할당 및 사용 구조

MySQL에서 사용되는 메모리 공간은 크게 글로벌 메모리 영역과 로컬 메모리 영역으로 구분할 수 있다. 글로벌 메모리 영역의 모든 메모리 공간은 MySQL 서버가 시작되면서 운영체제로부터 할당된다. 즉, MySQL의 시스템 변수로 설정해 둔 만큼 운영체제로부터 메모리를 할당받는다고 생각하면 좋다.

글로벌 메모리 영역과 로컬 메모리 영역은 MySQL 서버 내에 존재하는 많은 스레드가 공유해서 사용하는 공간인지 여부에 따라 구분되며, 각각 다음과 같은 특성이 있다.

 

글로벌 메모리 영역

일반적으로 클라이언트 스레드의 수와 무관하게 하나의 메모리 공간만 할당된다. 단, 필요에 따라 2개 이상의 메모리 공간을 할당받을 수 있지만 클라이언트의 스레드 수와는 무관하며, 생성된 글로벌 영역이 N개라 하더라도 모든 스레드에 의해 공유된다. 대표적인 글로벌 메모리 영역은 다음과 같다.

• 테입즐 캐시
• InnoDB 버퍼 풀
• InnoDB 어댑티브 해시 인덱스
• InnoDB 리두 로그 버퍼

 

로컬 메모리 영역

• 정렬 버퍼(Sort buffer)
• 조인 버퍼
• 바이너리 로그 캐시
• 네트워크 버퍼

세션 메모리 영역이라고 표현하며, MySQL 서버상에 존재하는 클라이언트 스레드가 쿼리를 처리하는 데 사용하는 메모리 영역이다. 일반적으로 클라이언트가 MySQL 서버에 접속하면 요청을 처리하기 위해 하나의 커넥션을 생성하고 하나의 스레드를 할당된다. 이 클라이언트 스레드가 사용하는 메모리 공간을 클라이언트 메모리 영역이라고도 하고, 클라이언트와 MySQL 서버와의 커넥션을 세션이라고 하기 때문에 로컬 메모리 영역을 세션 메모리 영역이라고도 표현한다.

 

로컬 메모리는 각 클라이언트 스레드별로 독립적으로 할당되며 절대 공유되어 사용되지 않는다는 특징이 있다. 그리고 소트 버퍼나 조인 버퍼와 같은 공간은 각 쿼리의 용도별로 필요할 때만 공간이 할당되고 필요하지 않은 경우에는 MySQL이 메모리 공간을 할당조차도 하지 않을 수도 있다. 즉, 로컬 메모리 공간은 커넥션이 열려 있는 동안 계속 할당된 상태로 남아 있는 공간(커넥션 버퍼나 결과 버퍼)도 있고, 쿼리를 실행하는 순간에만 할당했다가 다시 해제하는 공간(소트 버퍼나 조인 버퍼)도 있다.

 

플러그인 스토리지 엔진

MySQL의 독특한 구조 중 대표적인 것이 바로 플러그인 모델이다. 플러그인해서 사용할 수 있는 것이 스토리지 엔진만 있는 것은 아니다. 전문 검색 엔진을 위한 검색어 파서(인덱싱할 키워드를 분리해내는 작업)도 플러그인 형태로 개발해서 사용할 수 있으며, 사용자의 인증을 위한 Native Authentication과 Caching SHA-2 Authentication 등도 모두 플러그인으로 구현되어 제공된다. 

 

MySQL 엔진과 스토리지 엔진의 처리 영역

MySQL에서 쿼리를 실행하는 과정은 위 그림과 같다. 거의 대부분의 작업이 MySQL 엔진에서 처리되고, 마지막 '데이터 읽기/쓰기' 작업만 스토리지 엔진에 의해 처리된다. 여기서 주의해야 할 점은 MySQL 엔진이 각 스토리지 엔진에게 데이터를 읽어오거나 저장하도록 명령하기 위해서는 반드시 핸들러를 통해야 한다는 것이다. 즉, MySQL에서 MyISAM이나 InnoDB와 같이 다른 스토리지 엔진을 사용하더라도 MySQL의 처리 내용은 대부분 동일하며, 단순히 위 과정 중 '데이터 읽기/쓰기' 영역의 처리만 차이가 있다.

 

컴포넌트

MySQL 8.0부터는 기존의 플러그인 아키텍처를 대체하기 위해 컴포넌트 아키텍처가 지원된다. MySQL 서버의 플러그인은 다음과 같은 단점이 있어 컴포넌트는 이러한 단점들을 보완해서 구현됐다.

• 플러그인은 오직 MySQL 서버와 인터페이스할 수 있고, 플러그인끼리는 통신할 수 없음
• 플러그인은 MySQL 서버의 변수나 함수를 직접 호출하기 때문에 안전하지 않음(캡슐화 안 됨)
• 플러그인은 상호 의존 관계를 설정할 수 없어서 초기화가 어려움

MySQL 5.7 버전까지는 비밀번호 검증 기능이 플러그인 형태로 제공됐지만 MySQL 8.0의 비밀번호 검증 기능은 컴포넌트로 개선되었다.

 

쿼리 실행 구조

 

쿼리 파서

쿼리 파서는 사용자 요청으로 들어온 쿼리 문장을 토큰(MySQL이 인식할 수 있는 최소 단위의 어휘나 기호)으로 분리해 트리 형태의 구조로 만들어 내는 작업을 의미한다. 쿼리 문장의 기본 문법 오류는 이 과정에서 발견되고 사용자에게 오류 메시지를 전달하게 된다.

 

전처리기

파서 과정에서 만들어진 파서 트리를 기반으로 쿼리 문장에 구조적 문제점이 있는지 확인한다. 각 토큰을 테이블 이름이나 컬럼 이름, 또는 내장 함수와 같은 개체를 매핑해 해당 객체의 존재 여부와 객체의 접근 권한 등을 확인하는 과정을 이 단계에서 수행하낟. 실제 존재하지 않거나 권한상 사용할 수 없는 개체의 토큰은 이 단계에서 걸러진다.

 

옵티마이저

옵티마이저란 사용자의 요청으로 들어온 쿼리 문장을 저렴한 비용으로 가장 빠르게 처리할지를 결정하는 역할을 담당하며, DBMS의 두뇌에 해당한다고 할 수 있다.

 

실행 엔진

옵티마이저가 두뇌라면 실행 엔진과 핸들러는 손과 발에 비유할 수 있다. 옵티마이저가 GROUP BY를 처리하기 위해 임시 테이블을 사용한다고 가정했을때 실행 엔진이 하는 일은 다음과 같다.

1. 실행 엔진이 핸들러에게 임시 테이블을 만들라고 요청
2. 다시 실행 엔진은 WHERE 절에서 일치하는 레코드를 읽어오라고 핸들러에게 요청
3. 읽어온 레코드들을 1번에서 준비한 임시 테이블로 저장하라고 다시 핸들러에게 요청
4. 데이터가 준비된 임시 테이블에서 필요한 방식으로 데이터를 읽어 오라고 핸들러에게 다시 요청
5. 최종적으로 실행 엔진은 결과를 사용자나 다른 모듈로 넘김

즉, 실행 엔진은 만들어진 계획대로 각 핸들러에게 요청해서 받은 결과를 또 다른 핸들러 요청의 입력으로 연결하는 역할을 수행한다.

 

핸들러(스토리지 엔진)

위에서 언급했지만 MySQL 서버의 가장 밑단에서 MySQL 실행 엔진의 요청에 따라 데이터를 디스크로 저장하고 디스크로부터 읽어 오는 역할을 담당한다. 핸들러는 결국 스토리지 엔진은 의미하며, MyISAM 테이블을 조작하는 경우에는 MyISAM 스토리지 엔진이 되고, InnoDB 테이블을 조작하는 경우에는 핸들러가 InnoDB 스토리지 엔진이 된다.

 

스레드 풀

MySQL 서버 엔터프라이즈 에디션은 스레드 풀(Thread Pool) 기능을 제공하지만 MySQL 커뮤니티 에디션은 스레드 풀 기능을 지원하지 않는다. 따라서 MySQL 커뮤니티 에디션에서도 스레드 풀 기능을 사용하고자 한다면 플러그인 형태의 스레드 풀 기능을 제공하는 Percona Server에서 스레드 풀 플러그인 라이브러리(thread_pool.so 파일)를 MySQL 커뮤니티 에디션 서버에 설치(INSTALL PLUGIN 명령)해서 사용하면 된다.

스레드 풀은 내부적으로 사용자의 요청을 처리하는 스레드 개수를 줄여서 동시 처리되는 요청이 많다하더라도 MySQL 서버의 CPU가 제한된 개수의 스레드 처리에만 집중할 수 있게 해서 서버의 자원 소모를 줄이는 것이 목적이다. 즉, 제한된 수의 스레드만으로 CPU가 처리하도록 적절히 유도한다면 CPU의 프로세서 친화도(Processor affinity)도 높이고 운영체제 입장에서는 불필요한 컨텍스트 스위치(Context switch)를 줄여서 오버헤드를 낮출 수 있다. 하지만 스케줄링 과정에서 CPU 시간을 제대로 확보하지 못하는 경우에는 쿼리 처리가 더 느려질 수도 있다.

 

출처

Real MySQL 8.0 1권 : 개발자와 DBA를 위한 MySQL 실전 가이드

MySQL의 스레드 풀(thread pool)