테이블 스캔 방식에 따른 DB Block IO 전략 (Single vs Multi)

Database가 쿼리에서 요구하는 데이터를 검색하기 위해 테이블에 접근하는 방식에는 다양한 종류가 있다. 

크게는 인덱스의 활용 여부에 따라 갈리고, 인덱스를 어떤 방식으로 스캔할지에 대해서도 종류가 나뉜다. 이렇게 나뉜 테이블 스캔 방식은 대략 아래와 같이 나타낼 수 있다.

• Table Full Scan(Sequential Scan)
• Index Range Scan
• Index Full Scan
• Index Unique Scan
• Index Skip Scan
• Index Fast Full Scan

이 때 각 스캔 방식들은 내부적인 작동 방식에 따라 서로 다른 Block IO 전략을 갖게 되는데, 이러한 내부 작동의 차이를 이해하면 왜 DB가 해당 방식을 사용했는지에 대한 이해도를 높일 수 있다.

따라서 해당 글에서는 이에 대해 다뤄보려고 한다.

 

Block IO란?

본문으로 들어가기 전에 Block IO에 대한 개념을 먼저 다루려고 한다.

Database는 기본적으로 데이터들을 Disk에 저장하고, 읽어 올 땐 내부 버퍼 캐시에 데이터가 없는 경우 Disk IO를 발생시켜 데이터를 읽어온 뒤 이를 DB 내부 버퍼 캐시에 적재하여 다양한 처리를 진행한다. 이 때 Disk IO의 최소 단위가 되는 것이 바로 Block이다. 테이블 내 데이터나 인덱스가 이에 저장된다. 일반적으로 하나의 Block의 크기는 8KB를 갖는다. (Mysql의 경우엔 16KB가 기본 설정)

즉, 디스크에서 Block 단위로 데이터를 읽어와서 버퍼 캐시에 적재하는 과정을 Block IO라고 칭한다.

 

Single Block IO vs Multi Block IO

Block IO가 무엇인지 설명했기 때문에, Single과 Multi의 차이를 이해하는 것은 간단하다.

말그대로 Single일 경우엔 한번의 시스템 콜에서 하나의 Block만을 읽는 것을 의미하고, Multi의 경우엔 한번의 시스템 콜에서 여러 Block을 읽는 것을 의미한다.

시스템콜이 발생할 때마다 프로그램은 운영체제에 CPU 제어권을 넘겨주고 사실상 멈춰있어야 하기 때문에(wait) 한번에 여러 블록을 읽어오는 Multi Block IO가 무조건 좋은 것 아닌가라고 생각할 수 있다.

왜 Single Block IO 방식이 따로 존재하는지 이해하기 위해 어떤 스캔 방식이 Single Block IO를 사용하는지 알 필요가 있다.

 

Single Block IO를 사용하는 스캔 방식

서론에서 언급한 스캔 방식들 중, Single Block IO를 사용하는 스캔 방식은 아래와 같다.

이들 스캔 방식에는 어떤 공통점이 있을까?

• Index Range Scan
• Index Full Scan(단, 인덱스를 통해 추가적인 테이블 스캔 소요가 있는 경우에 한함)
• Index Unique Scan
• Index Skip Scan

바로 인덱스의 논리적 구조에 의존한 채 정렬된 인덱스를 순차적으로 탐색하는 스캔 방식이라는 점이다.

인덱스는 항상 정렬된 상태를 유지하는 자료구조를 갖는데, 여기에서 나타나는 정렬의 개념이 특정 블록 레벨(물리적 개념)에서는 무의미해진다. (논리적 정렬 구조 != 물리적 구조)

즉, 하나의 인덱스 구조에 대한 요소들은 여러 Block에 나뉘어 저장되고 이는 인덱스가 논리적으로 정렬된 순서와 상관이 없다는 의미이다.

따라서 논리적으로 정렬된 인덱스 구조를 따라 탐색을 진행하려면 한번에 하나의 Block 만을 읽어가며 확인을 해야한다.

 

Single Block IO로 인한 한계

만약 Single Block IO 방식을 통해 읽어내야할 데이터의 수가 많다면, 시스템 콜 건당 비효율이 누적된다. 따라서 읽어내야할 데이터가 전체 데이터에 비해 꽤 많다면 해당 방식을 사용하는 것이 오히려 더 느릴 수 있다. 

인덱스를 이용한 스캔이 모든 경우에 대해 더 빠른 선택지가 아닌 이유가 바로 이 것이다.

이런 경우엔 Multi Block IO를 통해 시스템  콜 호출 횟수를 줄이는 것이 더 빠른 선택지가 된다.

인덱스가 활용할 수 있는 경우임에도 종종 DB가 전체 테이블을 읽는 이유도, DB 내부의 옵티마이저가 위 논리에 따라 판단했기 때문이다.

 

Index Fast Full Scan

인덱스를 활용하면서도 Multi Block I/O 방식을 사용하는 경우도 있는데, 바로 Index Fast Full Scan 방식이다.

이 방식은 인덱스의 논리적 정렬 구조를 완전히 무시한 채, 여러 Block을 한번에 버퍼에 가져와 읽어내는 방식이다.

정렬 구조를 무시하기 때문에 버퍼에 읽어왔을 땐 정렬 상태가 유지되지 않는다는 단점이 있다.

정렬이 유지되지 않는 인덱스 스캔이라면 무슨 의미가 있을까 싶을 수 있지만,

쿼리에 포함된 모든 칼럼이 인덱스에 존재하는 경우에 이를 Multi Block IO 방식으로 읽어올 수 있기 때문에 활용되는 방식이다.