[WealthTracker] Named Lock을 활용한 동시성 문제 해결

1.배경

WealthTracker에서는 사용자가 지출 내역을 입력할 때 카테고리를 선택하게 된다. 기본 카테고리는 납부, 식비, 교통, 오락, 쇼핑, 기타 등이며, ENUM으로 관리하고 있다.

문제는 사용자가 새로운 카테고리를 추가할 때 발생했다. 기존 ENUM에 해당하지 않으면 customCategoryName이라는 컬럼에 값을 넣어 새로 등록하도록 구현했는데, 여러 사용자가 동시에 같은 이름의 새로운 카테고리를 등록하는 상황에서 동시성 이슈가 발생했다.

테스트 코드를 통해 확인된 동시성 문제

ExecutorService를 이용하여 100개의 쓰레드를 동시에 실행해보았고 모든 스레드는 "test"라는 새로운 카테고리명을 등록하도록 설정했다. 테스팅 결과 10개의 카테고리 객체가 생성되는 현상이 발생했고, 이는 Race Condition으로 DB에 insert요청이 중복 처리되어 발생한 문제였다.

    /**
     * 시나리오
     * 동시에 같은 카테고리 지출 생성 요청 -> 여러 요청이 모두 카테고리가 존재하지 않는다고 판단하여 중복하여 생성 가능성.
     */

    @Test
    @DisplayName("동시에 100개의 같은 카테고리를 가진 지출을 저장한다.")
    void saveExpend_100_request() throws InterruptedException {
        //given
        final int threadCount=10;
        final ExecutorService executorService= Executors.newFixedThreadPool(32);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(threadCount);

        //when
        for(int i=0;i<threadCount;i++){
            executorService.submit(()->{
                try {
                    ExpendRequestDTO expendRequestDTO=createMockExpendRequestDTO();
                    Long savedExpendId=expendService.writeExpend(expendRequestDTO,mockToken);

                }finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();

        //then
        //실제 생성된 카테고리
        List<CategoryExpend> allCategory=expendCategoryRepository.findAll();
        long count=allCategory.stream()
                .filter(c->c.getCustomCategoryName()!=null)
                        .filter(c->c.getCustomCategoryName().equalsIgnoreCase("TEST"))
                                .count();

        assertThat(count)
                .isEqualTo(1);
    }

    /**
     * ExpendRequestDTO 생성
     */
    private ExpendRequestDTO createMockExpendRequestDTO(){
        return ExpendRequestDTO
                .builder()
                .asset("현금")
                .category("test")
                .expendDate("2022-12-22")
                .cost(100000L)
                .expendName("테스트를 위한 지출 이름")
                .build();
    }

Race Condition이란?

경쟁 상태(race condition)이란 공유 자원에 대해 여러 개의 프로세스가 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태.
(위키 백과)

여기서 내 테스트 상황에 적용하면 공유 자원은 같은 카테고리명인 "test"에 100개의 프로세스가 동시에 insert를 시도할 때 같은 이름의 카테고리명으로 여러 개가 저장되는 것이다.

2.해결 과정

다양한 방법의 분산락 구현을 통해 동시성 제어를 해결할 수 있다.

Zookeeper ❌
Redis ❌
java Synchronized ❌
MySQL ✅

이 중 1번과 2번 방식은 인프라 구축에 대한 비용의 발생과 함께 유지보수에 대한 비용도 발생한다. 3번 synchronized는 큰 단점이 존재하는데 데이터에 하나의 스레드만 접근이 가능하다는 조건이 하나의 프로세스에서만 보장된다는 점이다. 즉, 서버가 여러 대가 존재한다면 동시성이 보장되지 않는다는 단점이다. 따라서 현재 프로젝트에서 RDBMS로 사용중인 MySQL를 통해 분산락을 구현하고자 하였다.

MySQL에서의 분산 Lock

Pessimistic Lock - 비관적 락 ❌
Optimistic Lock - 낙관적 락 ❌
Named Lock - 네임드 락 ✅

Pessimistic Lock는 특정 컬럼이나 테이블을 단위로 Lock를 걸어야하는데 지출 서비스단 코드를 보면 지출 등록 및 수정을 제외한 모든 서비스 코드는 조회만을 수행하므로 과한 제약이라고 판단했다.

Optimistic Lock는 일반적으로 수정(update) 작업에 적합하며 현재 문제 상황처럼 동일한 이름의 카테고리를 중복 삽입하는 것을 막는 것에는 적용이 어렵다고 판단했다.

Named Lock는 지출을 등록하는 ExpendServiceImpl의 writeExpend 메서드에서 새로운 카테고리명을 기반으로 insert 작업만을 락을 걸 수 있어 선택했다.

Named Lock에 대해 알아보자

GET_LOCK(String,time)

입력받은 String으로 time(단위 : 초) 동안 잠금을 획득한다.
한 세션에서 잠금을 유지하고 있는 동안에는 다른 세션에서 동일 이름의 잠금을 획득 불가하다.
GET_LOCK 결과
- 1 : 잠금 획득 성공
- 0 : 잠금 획득 실패
- null : 잠금 획득 중 에러 발생

RELEASE_LOCK(String,time)

입력받은 String으로 잠금 해제
RELEASE_LOCK 결과
- 1 : 잠금 해제 성공
- 0 : 잠금 해제 실패
- null : 잠금이 존재하지 않음.

3.구현

나중에 다른 Lock 사용을 위해 global 폴더에 lock폴더를 만들어 LockRepository를 구성하였다.

10초동안 잠금을 획득하는 것으로 구성하였다.

@Repository
public interface LockRepository extends JpaRepository<CategoryExpend,Long> {
    @Query(value = "select get_lock(:key,10)",nativeQuery = true)
    Integer getLock(@Param("key") String key);

    @Query(value = "select release_lock(:key)",nativeQuery = true)
    void releaseLock(@Param("key") String key);
}

ExpendCategoryNamedLockFacade 인터페이스와 구현체를 구현하였다. 사용자가 직접 입력하는 카테고리명에 대해서만 NAMED_LOCK를 수행하도록 한다. 잠금 획득을 실패했을 때는 RuntimeException과 log를 통해 실패 지점을 확인한다.

@Component
@RequiredArgsConstructor
@Slf4j
public class ExpendCategoryNamedLockFacadeImpl implements ExpendCategoryNamedLockFacade{
    private final LockRepository lockRepository;
    private final ExpendCategoryRepository expendCategoryRepository;

    @Transactional
    public CategoryExpend getOrCreateCustomCategoryExpend(String category) {
        Integer lockResult=lockRepository.getLock(category);
        //get_lock 실패시
        if(lockResult==null || lockResult!=1){
            log.error("GET_LOCK FAILED");
            throw new RuntimeException("GET_LOCK FAILED");
        }

        try {
            return expendCategoryRepository.findByCustomCategoryName(category)
                    .orElseGet(()->{
                       CategoryExpend newCategory=CategoryExpend.createCustomCategory(category);
                       return expendCategoryRepository.save(newCategory);
                    });
        } finally {
            lockRepository.releaseLock(category);
        }
    }

}

ExpendServiceImpl 클래스에서는 아래와 같이 코드를 변경하였다.

변경한 코드를 다시 테스트 코드를 실행한 결과 생성된 새로운 카테고리가 1개임을 확인할 수 있다!