DB 데이터베이스 - Buffer Management 버퍼 관리, 버퍼 교체 정책

데이터베이스 파일은 블록이라고 불리는 고정 길이의 저장 단위로 나누어진다. 블록은 저장 공간 할당과 데이터 전송의 단위로 사용된다. 데이터베이스 시스템은 디스크와 메모리 사이의 블록 전송 횟수를 최소화하려 한다. 이를 위해 메모리 내에 버퍼라는 영역이 마련되어 있으며, 이 버퍼는 디스크 블록의 복사본을 저장하는 데 사용된다.

버퍼 관리 시스템
버퍼
메인 메모리의 일부로, 디스크 블록의 복사본을 저장하기 위해 사용된다.

버퍼 매니저(관리자)
메인 메모리 내의 버퍼 공간을 할당하는 역할을 하는 하위 시스템이다.

특정 블록을 요청 시, 버퍼 매니저 동작 과정
해당 블록이 버퍼에 이미 존재하면, 그 블록의 메인 메모리 주소를 반환한다.
해당 블록이 버퍼에 없으면, 버퍼에서 그 블록을 위한 공간을 할당한다.
필요하다면 다른 블록을 제거(교체)하여 새 블록을 위한 공간을 확보한다.
제거된 블록은 수정된 경우에만 디스크로 다시 쓰여진다.
버퍼 매니저는 디스크에서 블록을 읽어 버퍼로 가져온 후, 요청자에게 그 블록의 메모리 주소를 반환한다.

 

주요 고려사항
블록 교체 전략: 버퍼에서 공간을 확보하기 위해 어떤 블록을 교체할지 결정하는 전략은 시스템의 성능에 큰 영향을 미친다. 

ex)  LRU(Least Recently Used) : 가장 최근에 사용되지 않은 블록을 교체하는 전략
데이터의 일관성: 수정된 블록을 디스크에 다시 쓸 때는 데이터의 일관성을 유지하기 위해 주의가 필요

 

 

주요 버퍼 교체 정책

1) LRU 교체

과거 참조 패턴 활용: LRU 전략은 과거의 블록 참조 패턴을 사용하여 미래의 참조를 예측한다. 데이터베이스에서 데이터 블록이 얼마나 자주 액세스되는지를 기반으로 가장 오랫동안 참조되지 않은 블록을 교체 대상으로 선택한다.
쿼리와 LRU 전략
정의된 액세스 패턴: 쿼리는 종종 잘 정의된 액세스 패턴(예: 순차 스캔)을 가진다. 데이터베이스 시스템은 사용자의 쿼리에 포함된 정보를 사용하여 미래의 참조를 예측할 수 있다.
LRU의 한계: 특정 액세스 패턴, 특히 데이터의 반복적인 스캔을 포함하는 경우 LRU 전략이 비효율적일 수 있다. 예를 들어, 두 관계(r과 s)의 블록 중첩 루프 조인(block nested-loop join)을 수행할 때 각 r의 튜플 tr에 대해 s의 모든 튜플 ts를 반복적으로 검사하면, LRU 전략은 자주 사용되는 블록을 교체해 버릴 수 있어 비효율적일 수 있다.
혼합 전략
데이터베이스 시스템에서는 쿼리 최적화기(query optimizer)가 제공하는 힌트를 사용하여 교체 전략을 결정하는 혼합 전략을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합 전략은 LRU와 같은 정적인 방법보다 더 유연하게 데이터 액세스 패턴에 대응할 수 있으며, 효율적인 버퍼 관리를 가능하게 한다.

 

2) 고정된 블록(Pinned Block)
메모리 블록 중 일부는 '고정' 상태가 되어 디스크로 다시 쓰여지지 않도록 설정될 수 있다. 해당 블록이 현재 활발히 사용 중이거나, 특정 작업을 위해 메모리에 유지되어야 할 때 사용된다.
3) 즉시 버리기 전략(Toss-Immediate Strategy)
이 전략은 블록의 마지막 튜플이 처리되는 즉시 그 블록이 차지하는 공간을 해제한다. 데이터를 빠르게 순환시켜야 하는 상황에서 유용할 수 있다.
4) 가장 최근 사용 전략(Most Recently Used, MRU)
MRU 전략은 가장 최근에 사용된 블록을 교체 대상으로 선택한다. 반복적인 스캔과 같은 특정 케이스에서 유리할 수 있다.
5) 통계 정보 활용
버퍼 매니저는 특정 관계에 대한 참조 확률에 관한 통계 정보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 데이터 사전(data dictionary)은 자주 접근되므로, 휴리스틱(heuristic) 방식으로 데이터 사전 블록을 주 메모리 버퍼에 유지할 수 있다.

6) 강제 출력(Forced Output)
복구 목적을 위해 버퍼 매니저는 블록의 강제 출력을 지원할 수도 있다. 시스템이 안정적인 상태를 유지하고 데이터 손실을 방지하기 위해 필요한 경우가 있다.