MVCC — xmin, xmax, ctid로 이해하는 다중 버전 동시성

지난 글에서 테이블 상속 구조를 살펴봤다. 이번에는 PostgreSQL의 동시성 제어의 심장부인 **MVCC(Multi-Version Concurrency Control)**를 xmin, xmax, ctid라는 시스템 컬럼으로 분해해 이해한다.

MVCC의 핵심 아이디어

PostgreSQL은 UPDATE와 DELETE 시 기존 튜플을 즉시 지우지 않는다. 대신 새 버전의 튜플을 추가하고, 어떤 트랜잭션이 어느 버전을 볼 수 있는지를 트랜잭션 ID(XID)로 판단한다.

이 방식의 장점:

• 읽기가 쓰기를 차단하지 않음: SELECT가 UPDATE를 기다리지 않는다.
• 쓰기가 읽기를 차단하지 않음: UPDATE가 SELECT를 기다리지 않는다.
• 과거 버전 조회 가능: 스냅샷 격리에서 트랜잭션 시작 시점의 데이터를 본다.

튜플 시스템 컬럼

각 튜플(행)은 사용자 컬럼 외에 숨겨진 시스템 컬럼을 가진다.

컬럼	의미
xmin	이 버전을 삽입한 트랜잭션 ID
xmax	이 버전을 삭제/업데이트한 트랜잭션 ID (0=없음)
ctid	튜플의 물리적 위치 (페이지번호, 슬롯번호)
cmin	같은 트랜잭션 내 INSERT의 명령 순번
cmax	같은 트랜잭션 내 DELETE의 명령 순번

-- 시스템 컬럼 직접 조회
SELECT xmin, xmax, ctid, id, name, age
FROM person
WHERE id = 1;
--  xmin | xmax | ctid  | id | name  | age
-- ------+------+-------+----+-------+-----
--   102 |    0 | (0,3) |  1 | Alice |  32

버전 체인 예시

-- Txn 100: INSERT
BEGIN;  -- xid = 100
INSERT INTO person (id, name, age) VALUES (1, 'Alice', 30);
COMMIT;
-- 튜플 (0,1): xmin=100, xmax=0

-- Txn 101: UPDATE
BEGIN;  -- xid = 101
UPDATE person SET age = 31 WHERE id = 1;
COMMIT;
-- 튜플 (0,1): xmin=100, xmax=101  ← Dead
-- 튜플 (0,2): xmin=101, xmax=0    ← Live

-- Txn 102: UPDATE again
BEGIN;  -- xid = 102
UPDATE person SET age = 32 WHERE id = 1;
COMMIT;
-- 튜플 (0,2): xmin=101, xmax=102  ← Dead
-- 튜플 (0,3): xmin=102, xmax=0    ← Live

ctid가 (페이지, 슬롯) 형태로 변경되는 것이 버전 체인을 나타낸다. Live 튜플의 ctid는 자기 자신을 가리키고, Dead 튜플의 ctid는 다음 버전을 가리킨다.

스냅샷과 가시성 판단

트랜잭션이 시작되면 스냅샷을 획득한다. 스냅샷은 세 값으로 표현된다.

xmin : xmax : xip_list
100  : 103  : 101,102

• xmin: 이 값보다 작은 XID는 모두 커밋됨 (볼 수 있음)
• xmax: 이 값 이상의 XID는 모두 미시작 (볼 수 없음)
• xip_list: 그 사이에서 아직 진행 중인 트랜잭션 목록

-- 현재 스냅샷 조회
SELECT pg_current_snapshot();
-- 100:103:101,102

-- 특정 XID가 내 스냅샷 기준 커밋됐는지
SELECT pg_snapshot_xmin(pg_current_snapshot());  -- 100
SELECT pg_snapshot_xmax(pg_current_snapshot());  -- 103

가시성 알고리즘

튜플이 보이려면 두 조건을 모두 만족해야 한다.

1. xmin이 커밋됨: xmin < 스냅샷 xmin, 또는 xmin이 xip에 없고 xmin < 스냅샷 xmax
2. xmax가 미커밋(또는 0): xmax = 0, 또는 xmax > 스냅샷 xmax, 또는 xmax가 xip에 있음

-- 가시성 확인 유틸리티 (pageinspect 확장)
CREATE EXTENSION pageinspect;

SELECT lp, t_xmin, t_xmax, t_ctid, t_infomask
FROM heap_page_items(get_raw_page('person', 0));

t_infomask의 비트 플래그로 xmin 커밋 여부, xmax 커밋 여부를 확인할 수 있다.

UPDATE는 DELETE + INSERT

PostgreSQL의 UPDATE는 내부적으로 기존 튜플을 Dead로 표시 + 새 튜플 삽입이다.

-- UPDATE 전
SELECT ctid, xmin, xmax, age FROM person WHERE id = 1;
-- (0,3) | 102 | 0 | 32

-- UPDATE 실행
UPDATE person SET age = 33 WHERE id = 1;

-- UPDATE 후
SELECT ctid, xmin, xmax, age FROM person WHERE id = 1;
-- (0,4) | 103 | 0 | 33

-- 이전 위치 (Dead 튜플, VACUUM 전까지 남음)
-- (0,3): xmin=102, xmax=103

이 때문에 UPDATE가 많으면 Dead 튜플이 쌓이고, VACUUM이 이를 회수한다.

HOT Update — 같은 페이지면 ctid 체인

같은 힙 페이지 내에 업데이트가 가능하면 인덱스를 수정하지 않고 ctid 체인만 연결한다. 이를 HOT(Heap Only Tuple) Update라 한다.

-- HOT 통계 확인
SELECT n_tup_upd, n_tup_hot_upd,
       round(n_tup_hot_upd::numeric / NULLIF(n_tup_upd, 0) * 100, 1) AS hot_pct
FROM pg_stat_user_tables
WHERE relname = 'person';

hot_pct가 높을수록 인덱스 업데이트 비용이 절감된다. 빈번하게 UPDATE하는 컬럼에 인덱스를 많이 걸면 HOT이 불가능해져 성능이 저하된다.

트랜잭션 ID 래핑 (XID Wraparound)

XID는 32비트 정수다. 약 21억 건을 넘으면 래핑(Wraparound) 위험이 발생한다. 오래된 트랜잭션이 “미래”로 보여 가시성 오류가 생긴다.

-- 가장 오래된 XID 확인
SELECT datname,
       age(datfrozenxid) AS xid_age,
       datfrozenxid
FROM pg_database
ORDER BY age(datfrozenxid) DESC;

age(datfrozenxid)가 2억을 넘으면 경고, 20억이면 강제 종료. VACUUM FREEZE로 오래된 튜플의 xmin을 FrozenXID로 교체해 예방한다.

-- 강제 freeze
VACUUM FREEZE VERBOSE person;

정리

PostgreSQL MVCC는 “잠금 없는 읽기”를 위해 모든 변경을 새 버전 튜플로 추가하는 방식으로 동작한다. xmin은 이 버전을 만든 트랜잭션, xmax는 이 버전을 폐기한 트랜잭션, ctid는 현재 버전의 물리 주소다. 스냅샷 기준으로 xmin이 커밋됐고 xmax가 미커밋이면 그 튜플이 보인다. Dead 튜플은 VACUUM이 회수한다 — 이것이 다음 글의 주제다.

---

지난 글: 테이블 상속 — INHERITS와 파티셔닝의 뿌리

다음 글: VACUUM과 Dead 튜플 — 더티 공간 회수의 원리

읽어주셔서 감사합니다. 😊