Redis에서 동시성과 원자적 연산: 트랜잭션과 Lua 스크립트

Redis는 고성능의 인메모리 데이터 저장소로, 많은 애플리케이션에서 실시간 데이터 처리를 위해 사용된다. 하지만 Redis는 싱글 스레드로 동작하기 때문에 동시성 문제와 원자적 연산에 대한 이해가 필요할 것 같다. 특히 Redis 클러스터 환경에서는 이러한 이해가 더욱 중요하다. Redis에서 동시성 문제를 어떻게 해결할 수 있는지, 트랜잭션과 Lua 스크립트를 사용한 원자적 연산에 대해 이야기 해보자.

 

 

Redis의 싱글 스레드 아키텍처

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Redis는 싱글 스레드로 동작한다. 이는 Redis가 한 번에 하나의 명령만 처리한다는 것을 의미한다. 이러한 특성 덕분에 Redis는 매우 빠른 성능을 제공할 수 있다. 그러나 여러 클라이언트가 동시에 명령을 보낼 때 명령의 순서와 원자성을 보장하는 것은 별도의 이야기이며 결론적으로 보장이 안된다. 예를 들어, 여러 스레드가 동일한 키에 대해 동시에 명령을 보내면 예상치 못한 동작이 발생할 수 있다.

 

 

동시성 문제와 원자적 연산

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동시성 문제는 여러 스레드가 동일한 리소스에 접근할 때 발생한다. Redis에서는 주로 다음과 같은 상황에서 동시성 문제가 발생할 수 있다:

1. Race Condition: 여러 스레드가 동일한 키에 대해 동시에 작업할 때 발생하는 문제이다. 예를 들어, 한 스레드가 ZRANGE로 데이터를 읽고 있는 동안 다른 스레드가 ZADD로 데이터를 추가하면, 읽은 데이터는 최신 상태가 아닐 수 있다.
2. 복합 연산의 원자성 부족: 여러 명령을 하나의 연산으로 묶지 않으면, 각 명령 사이에 다른 명령이 끼어들 수 있다. 이는 데이터의 일관성을 깨뜨릴 수 있다.

 

 

트랜잭션 (MULTI/EXEC)

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Redis는 MULTI와 EXEC 명령을 사용하여 트랜잭션을 지원한다. 트랜잭션 내의 모든 명령은 EXEC 명령이 호출될 때까지 대기하고, 한 번에 실행된다. 그러나 Redis 클러스터에서는 트랜잭션 사용에 제한이 있다. 트랜잭션 내의 모든 키가 동일한 슬롯에 속해야 하기 때문이다. Redis 클러스터는 데이터를 여러 노드에 분산시키므로, 여러 슬롯에 걸친 트랜잭션은 지원되지 않는다.

 

 

Lua 스크립트의 장점

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Lua 스크립트는 Redis에서 여러 명령을 하나의 원자적 연산으로 묶어 실행할 수 있는 강력한 도구이다. Lua 스크립트는 Redis 서버에서 실행되며, 실행 중에는 다른 명령이 끼어들 수 없다. 이는 모든 명령이 중단 없이 순차적으로 실행됨을 보장한다. 따라서 Lua 스크립트를 사용하면 동시성 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

String luaScript = "..." // 위 Lua 스크립트 내용
redisTemplate.execute((RedisCallback<Object>) connection -> {
    connection.eval(
        luaScript.getBytes(),
        ReturnType.INTEGER,
        1,
        new byte[][] {
            ...
        }
    );
    return null;
});

 

Redisson 사용 예

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    public void processWithLock(String key, Runnable task) {
        RLock lock = redissonClient.getLock(key);
        lock.lock();
        try {
            task.run();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

 

Redisson은 Redis 클라이언트를 위한 고수준의 라이브러리로, 동시성 제어 및 분산 잠금 기능을 제공한다. Redisson을 사용하면 Redis 클러스터 환경에서도 안전하게 동시성 문제를 해결할 수 있다. 다음의 예는 processWithLock 메서드를 호출할 때마다 해당 키에 대해 분산 잠금이 적용되어, 동시성 문제를 방지할 수 있다.

 

Lua 스크립트

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1. 원자적 실행:
   • Lua 스크립트는 Redis 서버에서 단일 명령으로 실행된다. 이는 모든 명령이 하나의 원자적 연산으로 실행된다는 것을 의미한다. 중간에 다른 명령이 끼어들 수 없으므로, 여러 명령을 한 번에 처리할 때 매우 효율적이다.
2. 네트워크 오버헤드 감소:
   • Lua 스크립트를 사용하면 클라이언트와 서버 간의 왕복(RTT: Round Trip Time)이 줄어든다. 여러 개의 Redis 명령을 개별적으로 보내는 대신, 한 번의 스크립트 실행으로 모든 작업을 처리할 수 있다.
3. 서버 내에서 직접 실행:
   • Lua 스크립트는 Redis 서버 내에서 직접 실행되기 때문에, Redis의 인메모리 데이터 접근이 최적화된다. 이는 매우 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 보장한다.

Redisson

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1. 분산 잠금 오버헤드:
   • Redisson은 고수준의 분산 잠금 및 동시성 제어 기능을 제공합니다. 이는 분산 환경에서 동기화와 같은 추가적인 오버헤드가 발생할 수 있다.
2. 네트워크 트래픽 증가:
   • Redisson을 사용하여 여러 개의 Redis 명령을 실행할 때마다 각 명령은 개별적으로 서버에 전송되고 응답을 받는다. 이는 Lua 스크립트를 사용하는 것보다 더 많은 네트워크 트래픽과 왕복 시간이 발생한다.
3. Java와 Redis 간의 상호작용:
   • Redisson은 Java 클라이언트 라이브러리로, Redis 서버와의 통신을 위해 여러 계층을 거친다. 이는 성능 저하의 원인이 될 수 있다.

Lua 스크립트는 Redis 서버 내에서 원자적으로 실행되므로, 클라이언트-서버 간의 네트워크 왕복 시간을 줄이고, 여러 명령을 한 번에 처리하여 높은 QPS를 달성할 수 있다. 반면, Redisson은 분산 잠금 및 고수준의 동시성 제어 기능을 제공하지만, 이는 추가적인 오버헤드와 네트워크 트래픽을 발생시켜 성능에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 성능이 중요한 경우에는 Lua 스크립트를 사용하는 것이 좋고, 고수준의 동시성 제어와 분산 환경에서의 데이터 일관성이 중요한 경우에는 Redisson을 사용하는 것이 적합하다. 상황에 맞게 두 가지 접근 방식을 적절히 선택하여 사용하는 것이 중요하다.

 

 

결론

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Redis의 싱글 스레드 아키텍처 덕분에 개별 명령은 원자적으로 실행되지만, 여러 명령을 자바 코드에서 독립적으로 실행할 경우 동시성 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 Lua 스크립트 또는 Redisson을 사용하는 것이 좋다. Lua 스크립트는 여러 명령을 하나의 원자적 연산으로 묶어 실행할 수 있으며, Redisson은 고수준의 동시성 제어 및 분산 잠금 기능을 제공하여 안전하게 동시성 문제를 해결할 수 있다.