MySQL - InnoDB Auto Increment 성능 최적화

MySQL에서 벌크 인서트를 실행할때 내부 동작을 찾아보다 보니, 어찌어찌 MySQL InnoDB 스토리지 엔진 내부에서 AUTO_INCREMENT(오토인크리먼트)를 어떤식으로 핸들링하고 있는지가 더 궁금해져서 MySQL 레퍼런스 문서(MySQL 5.7 기준)를 읽으면서 아래 내용을 요약해보았다.

이제까지 AUTO_INCREMENT 컬럼에 대해서 아무 고민없이 값이 자동으로 잘 증가하겠거니 하고 사용해 왔을텐데, 내부적인 동작 방식을 정확히 이해해서 concurrency를 높여서 성능을 향상시킬 수 있는 튜닝 포인트를 확인해 보자.

인서트의 종류 구분

설명에 들어가기에 앞서 다양한 상황을 좀더 쉽게 설명하기 위해 인서트 구문의 종류를 구분해보면 다음과 같다.

"INSERT-like" statements
- 새로운 row를 생성하는 모든 구문
  - INSERT
  - INSERT ... SELECT
  - REPLACE
  - REPLACE ... SELECT
  - LOAD DATA
- 아래 명시된 모든 insert 종류들을 포함한다.
"Simple inserts"
- 몇줄이 insert될 지 실행전에 미리 알 수 있는 구문
- 여러 줄을 한번에 insert 하더라도 미리 몇줄이 insert될지 알 수 있다면 bulk insert가 아닌 simple insert임에 주의
- nested subquery가 없는 INSERT, REPLACE
- INSERT ... ON DUPLICATE KEY UPDATE 는 포함되지 않는다.
"Bulk inserts"
- 몇줄이 insert될지 미리 알 수 없는 구문
  - INSERT ... SELECT
  - REPLACE ... SELECT
  - LOAD DATA
- InnoDB가 한줄이 프로세싱될 때마다 AUTO_INCREMENT 컬럼의 값을 증가시켜줌
"Mixed-mode inserts"
- "simple insert"이긴 하지만 insert구문 내에 AUTO_INCREMENT 컬럼의 값을 일부만 명시적으로 지정해준 경우. (전체를 명시적으로 지정했다면 "simple insert"라고 볼 수 있음)
- 예: INSERT INTO t1 (c1,c2) VALUES (1,'a'), (NULL,'b'), (5,'c'), (NULL,'d');
- INSERT ... ON DUPLICATE KEY UPDATE
  - 상황에따라 AUTO_INCREMENT 컬럼에 할당된 값이 사용될 수도, 되지 않을 수도 있는 최악의 케이스

문제 상황

Tx1: INSERT INTO t1 (c2) SELECT 1000 rows from another table ...
Tx2: INSERT INTO t1 (c2) VALUES ('xxx');

위처럼 두개의 트랜잭션이 같은 테이블에 동시에 insert를 할때 AUTO_INCREMENT 컬럼의 값은 어떻게 증가되어야 하는가?

테이블 레벨의 lock이 걸리는경우 Tx1이 끝날때까지 Tx2는 실행이 되지 않기때문에 동일 결과가 보장됨
- concurrency가 없기때문에 성능이 좋지 않다.
테이블 레벨 lock이 아닌경우 Tx1의 insert가 진행중일때 Tx2가 같이 insert한다면?
- 실행되는 상황에따라서 AUTO_INCREMENT 값이 매번 달라질 가능성이 존재한다.
- 이러한 상황이 문제가 되지 않는 경우를 잘 정의하면 좀더 concurrency를 높여서 성능을 좋게 할 수 있다.

위의 trade-off 관계를 정확히 이해하여 최고의 성능을 이끌어내기 위해 InnoDB에서 지원하는 innodb_autoinc_lock_mode 가 어떤 설정 값들을 지원하는지 아래에서 더 자세히 살펴보도록 하자.

InnoDB가 제공하는 Lock Modes

traditional lock mode
- innodb_autoinc_lock_mode = 0
- 모든 "INSERT-like" 구문에 대해서 table-level AUTO-INC lock을 적용
- 트랜잭션이 끝날때까지 적용되는 lock이 아닌 해당 구문의 실행시까지만 유지되는 lock
consecutive lock mode (기본 설정값)
- innodb_autoinc_lock_mode = 1
- "simple insert" 구문에 대해서는 table-level AUTO-INC locks을 회피할 수 있다.
- AUTO_INCREMENT values의 할당 과정에서만 mutex를 이용해서 동시 접근을 제어하기 때문에concurrency를 높일 수 있다 (구문이 실행이 끝날때까지 table-level lock을 적용하는 것 보다 훨씬 효율적임)
- insert시 생성되는 AUTO_INCREMENT 값들은 아래의 한가지 예외 경우를 제외하고는 traditional lock mode를 사용했을때와 결과값이 항상 동일하다.
- 예외: "mixed-mode insert" 인 경우에 InnoDB는 실제 인서트 되어야 하는 rows 수 보다 더 큰 AUTO_INCREMENT 값을 할당한다. 지정된 값을 제외하고, 자동으로 할당된 값의 순차적인 증가는 보장된다.

interleaved lock mode
- innodb_autoinc_lock_mode = 2
- "INSERT-like" 구문에 대해서 table-level AUTO-INC lock을 사용하지 않는다.
- concurrency가 가장 높지만 복구/복제용으로 SQL 바이너리 로그 replay를 사용하지 않고있는 경우에만 사용 가능
- AUTO_INCREMENT 값의 의 유니크성, 단조 증가성(monotonic increase)은 보장되지만 동일한 쿼리를 실행하더라도 실행 순서에 따라 매번 rows들이 가지는 AUTO_INCREMENT 값들은 달라질 수 있다. (할당된 AUTO_INCREMENT 값이 구문들 간에 interleaved 될 수 있다.)
- AUTO_INCREMENT 값의 Gap 존재
  - "simple inserts"가 수행될때는 할당된 AUTO_INCREMENT 값들에 gap이 존재하지 않는다.
  - "bulk inserts"가 수행될때는 gap이 존재 할 수있다.

InnoDB의 AUTO_INCREMENT Counter 초기화 방식

InnoDB 테이블에 AUTO_INCREMENT 필드를 추가하면, InnoDB의 테이블 정보 저장 공간에 AUTO_INCREMENT counter를 보관한다.

특이하게도 이 counter는 디스크가 아닌 메모리 상에만 보관된다.
MySQL서버가 기동되고난 후 첫번째 insert구문 실행되는 시점에 InnoDB는 아래와 같은 구문을 먼저 실행해서 구한 값에서 1만큼 증가시킨 값을 counter를 메모리상에 로드한다. (auto_increment_increment이 따로 설정된 경우 해당 값 만큼 증가)
```
  SELECT MAX(ai_col) FROM table_name FOR UPDATE;
```

아래 구문을 실행 할 때도 모든 테이블의 AUTO_INCREMENT 값들을 조회해 오게 되는데, 이 경우에는 각 테이블별로 현재 최대 값을 로드만 하고, 증가시키진 않는다.

SHOW TABLE STATUS

이 상태에서 수동으로 AUTO_INCREMENT counter의 값을 수정하는 것도 가능하다. 수동으로 수정된 값이더라도, 서버가 재시작하면 다시 초기화 됨에 유의하자.

AUTO_INCREMENT 카운터의 초기화가 끝난 후 INSERT시 동작

AUTO_INCREMENT 컬럼에 값이 명시되지 않은 insert를 실행한 경우: counter를 1 증가
AUTO_INCREMENT 컬럼에 값이 명시된 insert를 실행한 경우: 해당 값이 현재 counter 값보다 크다면 counter를 해당 값으로 업데이트

트랜잭션 상황에서 AUTO_INCREMENT 카운터 증가 실험

위에서 InnoDB가 제공하는 각각의 AUTO_INCREMENT lock 모드에 대해 concurrent한 다양한 insert들이 일어날때에 대해서 어떻게 AUTO_INCREMENT 값이 변화하는지는 자세히 정리해 보았다. 혹시나 transaction이 걸린 상태에서는 AUTO_INCREMENT 값의 변화가 달라지는지 확인을 해보기 위해서 아래와 같이 추가 실험을 해보았다.

실험 테이블 정의

CREATE TABLE test (
id int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
PRIMARY KEY (id)
) ENGINE=InnoDB

상황 가정

실행 전 AUTO_INCREMENT = 1
Transaction isolation level = REPEATABLE READ
Transaction A, B는 동시에 진행 (각각 교차해서 statement를 실행)

Transaction A	Transaction B	쿼리 실행 후 AUTO_INCREMENT 값
start transaction;	-	-
-	start transaction;	-
INSERT INTO test VALUES ();	-	2
INSERT INTO test VALUES ();	-	3
-	INSERT INTO test VALUES ();	4
-	INSERT INTO test VALUES ();	5
INSERT INTO test VALUES ();	-	6
commit or rollback	commit or rollback	-

결과 분석

traditional, consecutive, interleaved 각 모드에 대해서 모두 동일한 결과를 얻음(AUTO_INCREMENT를 위해서 statement 단위 lock이 적용되기 때문인 듯)
트랜잭션 A, B가 동시에 진행중일때 트랜잭션 내의 쿼리 실행 순서에 따라 AUTO_INCREMENT count가 각각 증가.
트랜잭션 마지막에 rollback을 하던 commit을 하던 동일하게 증가된 AUTO_INCREMENT count는 그대로 남아있음 (5 row를 insert 하고난 후에 rollback을 하더라도 AUTO_INCREMENT count는 5가 증가한 상태 그대로)

INSERT 구문이 트랜잭션으로 묶여있는경우, 먼저 시작한 transaction의 INSERT가 완료 될 때 까지 늦게 시작한 트랜잭션의 AUTO_INCREMENT 값이 제대로 반영되지 않을거라는 걱정이 있었지만, AUTO_INCREMENT는 트랜잭션과는 완전 별개로 INSERT구문이 실행될 때마다 각각 증가함을 확인 할 수 있었다.

참고

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-auto-increment-handling.html