개요

평소 Spring 프로젝트를 개발하며 1:N 관계를 갖는 엔티티 클래스를 작성할때 아무런 의심없이 JPA를 쉽게 사용했습니다.
그러던 중, 스프링 스터디에서 N+1 쿼리 문제에 대한 이야기가 나왔고 개인 프로젝트에서 확인해 봤더니

1:N 관계를 갖는 엔티티의 하위 엔티티를 조회할 때마다 엄청난 쿼리가 발생하고 있었습니다

이번 포스팅에서는 Spring JPA를 사용하다보면 쉽게 마주할 수 있는 N+1 쿼리에 대해 원인과 해결 방법에 대해서 알아보고
N+1 쿼리 문제의 원인에 대해서 설명하면서 JPA의 글로벌 패치 전략인 LAZY 방식과 EAGER 방식이 어떻게 다르게 동작하는지도 함께 알아보겠습니다.

N+1 쿼리 문제의 원인 ?

Spring Data JPA에서 제공하는 Repository의 ‘findAll()’, ‘findById()’ 등과 같은 메소드를 사용하면 바로 DB에 SQL 쿼리를 날리는 것이 아닙니다.

참조 : findAll() vs findById() 내부 동작 차이

JPQL이라는 객체지향 쿼리 언어를 생성, 실행시킨 후 JPA는 이것을 분석해서 SQL을 생성, 실행하는 동작에서 N+1 쿼리 문제가 발생합니다.

JPQL 입장에서는 LAZY 로딩, EAGER 로딩과 같은 글로벌 패치 전략을 신경쓰지 않고 JPQL만 사용해서 SQL을 생성합니다.

N+1 쿼리 문제는 언제 발생할까 ?

발생하는 경우는 다음과 같은 2가지 경우가 있습니다.

두 개의 엔티티가 1:N 관계를 가지며 JPQL로 객체를 조회할 때

1. EAGER 전략으로 데이터를 가져오는 경우
2. LAZY 전략으로 데이터를 가져온 이후에 가져온 데이터에서 하위 엔티티를 다시 조회하는 경우

예제를 통해 살펴봅시다 !

엔티티 모델링

1:N 관계를 만들기 위해 하나의 앨범(Album)이 많은 노래(Song)를 가질 수 있도록 엔티티를 생성하고 관계를 연결시키겠습니다.

Album Model

@Entity
public class Album {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private long id;

    @Column(nullable = false)
    private String albumTitle;

    @Column(nullable = false)
    private String locales;

    // @OneToMany(mappedBy = "album", cascade = CascadeType.ALL, fetch = FetchType.EAGER) // 2번 상황
    @OneToMany(mappedBy = "album", cascade = CascadeType.ALL, fetch = FetchType.LAZY) // 1번 상황
    private List<Song> songs = new ArrayList<>();
}

Song Model

@Entity
public class Song {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private long id;

    @Column(nullable = false)
    private String title;

    @Column(nullable = false)
    private int track;

    @Column(nullable = false)
    private int length;

    @ManyToOne(fetch = FetchType.LAZY)
    @JoinColumn(name = "album_id")
    private Album album;
}

Database Diagram

1. 하위 엔티티를 조회하지 않는 경우

Album의 Song에 접근하지 않은 경우

@Test
public void N1_쿼리테스트_1() throws Exception{
    List<Album> albums = albumRepository.findAll();
}

LAZY 방식 결과

하위 엔티티에 접근하지 않았기 때문에 Album만 가져오는 것을 볼 수 있습니다.

EAGER 방식 결과

N+1 발생 !

JPQL에서 동작한 쿼리를 통해서 Album 데이터를 조회합니다.
그 이후 JPA에서는 글로벌 패치 전략(EAGER 로딩)을 보고 Album의 Song 대해서 추가적인 로딩 작업을 진행해 N+1 문제를 발생시킵니다.

2. 하위 엔티티를 조회하는 경우

LAZY 로딩을 하기 위해서는 해당 Entity가 영속 상태여야 합니다.
보통 Repository에서 리스트로 가져오면 영속이 끊긴 상태로 가져오기 때문에 LAZY 전략 테스팅 시 @Transactional를 꼭 사용해야합니다 !

@Transactional을 사용하지 않으면 다음과 같은 에러가 발생합니다.

Album의 Song에 접근하는 경우

@Test
@Transactional // 테스팅에서 LAZY 전략시 필수
public void N1_쿼리테스트_2() throws Exception{
    List<Album> albums = albumRepository.findAll();
    for (Album album : albums) {
        System.out.println(album.getSongs().size()); // Song에 접근 !
    }
}

LAZY 방식 결과

N+1 발생 !

처음엔 Album 리스트만 조회했지만 Album 엔티티에서 하위 엔티티인 Song 엔티티로 접근했기 때문에 LAZY 로딩이 일어나면서 N+1 문제 발생

EAGER 방식 결과

N+1 발생 !

‘하위 엔티티를 조회하지 않는 경우’의 EAGER 방식 결과와 동일하게 N+1 문제가 발생하는 것을 볼 수 있습니다.

N+1 문제 해결 방법

1. 패치 조인(Fetch Join)

미리 쿼리로 테이블을 조인해서 가져오기 때문에 LAZY, EAGER 두개의 전략에 해당되는 해결법입니다.

@Query("select DISTINCT a from Album a join fetch a.songs")
List<Album> findAllJoinFetch();

@Test
@Transactional // 테스팅에서 LAZY 전략시 사용해야 동작
public void FetchJoin_테스트() throws Exception{
    List<Album> albums = albumRepository.findAllJoinFetch();
    for (Album album : albums) {
        System.out.println(album.getSongs().size()); // Song에 접근 !
    }
}

결과를 보면 쿼리는 1번 발생했고 미리 Album과 Song을 조인해서 가져오는 것을 확인 할 수 있습니다.

하지만, 패치 조인에는 단점 2가지가 있습니다.

1. JPA가 제공하는 Pagable 기능 사용 불가 (페이징 API)

2. 1:N 관계가 2개인 엔티티를 패치 조인 사용 불가

   임시 해결법은 List -> Set으로 자료구조를 변경하는 것

2. Batch Size 조절

설정한 Size만큼 데이터를 미리 로딩합니다. (where in을 사용하여)
JPA의 페이징 API 기능처럼 개수가 고정된 데이터를 가져올 때 함께 사용할 때 유용하게 사용 가능할 듯합니다.

@BatchSize(size = 5)
@OneToMany(mappedBy = "album", cascade = CascadeType.ALL, fetch = FetchType.EAGER)
private List<Song> songs = new ArrayList<>();

또 다른 방식의 해결 방법?

@EntityGraph 를 사용해 N+1 문제를 해결하는 방식도 존재합니다만 이번 포스팅에서는 다루지 않습니다 !

Reference

Vlad Mihalcea - N+1 query problem with JPA and Hibernate
Stack Overflow - What is the solution for the N+1 issue in JPA and Hibernate?
Yun - JPA N+1 발생원인과 해결 방법
kapentaz - @ManyToOne의 N+1 문제 원인 및 해결

마무리

Spring JPA의 N+1 문제에 대해 알아보고, 발생하는 경우와 해결 방법에 대해서 알아보았습니다.

긴글 봐주셔서 감사합니다. 🙇🏻‍♂️