数据库系统概念 - 恢复技术

本节内容

数据库的恢复技术

事务

事务：访问并可能更新各种数据项的一个程序执行单元。

事务的ACID特性：

• 原子性（Atomicity）
• 一致性（Consistency）
• 隔离性（Isolation）
• 持续性（Durability ）

数据库的故障

数据库恢复：把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。

事务故障

事务在运行至正常终止点前被终止。分为预期、非预期。

恢复：撤销事务（UNDO）

系统故障

称为软故障，是指造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。

• 整个系统的正常运行突然被破坏
• 所有正在运行的事务都非正常终止
• 不破坏数据库
• 内存中数据库缓冲区的信息全部丢失

常见原因：系统断电、硬件错误

恢复：

• 事务未提交：强行撤销（UNDO）所有未完成的事务
• 事务已提交，但缓冲区中的信息尚未完全写回到磁盘上：重做（REDO）所有已提交的事务

介质故障

称为硬故障，指外存故障。

恢复：装入故障前的某时刻的数据副本，重做此时刻到当前所有成功的事务，将这些事务已提交的结果重新记入数据库。

各类故障对数据库的影响：数据库本身被破坏；或数据库没有被破坏，但数据可能不正确。

数据库恢复的实现技术

基本原理：冗余

• 数据转储（备份，backup）
• 登记日志文件（logging）

数据转储（备份）

转储（备份）：DBA将整个数据库复制到磁带或另一个磁盘上保存起来的过程。

• 静态转储：系统无运行事务时进行的转储操作。转储开始时数据库处于一致性状态，转储期间不允许数据库的存取、修改。
• 动态转储：允许与用户事务并发进行。优点是不需等待正在运行的用户事务结束，不影响新事务的运行；缺点是不能保证一致性。需要将动态转储期间的活动记录记录下来，建立日志文件。
• 海量转储（全量备份）：每次转储全部数据库。
• 增量转储：只转储上次转储后更新的数据。

登记日志文件

日志文件：记录事务对数据库的更新操作的文件。

格式：以记录为单位的日志文件日志；以数据块为单位的日志文件。

以记录为单位的日志文件内容：

• 各个事务的开始标志 BEGIN TRANSACTION
• 各个事务的结束标记 COMMIT 或 ROLLBACK
• 各个日志的所有更新操作

以记录为单位的日志文件，每条日志记录内容包括：

• 事务标识
• 操作类型（更、删、改）
• 操作对象（记录内部标识）
• 更新前的数据的旧值（插入时为空值）
• 更新后的数据的新值（删除时为空值）

日志记录基本原则：

• 登记次序严格按照事务执行时间次序
• 先写日志，再写数据库（原因：两个操作是不同的操作，且之间可能会发生故障）

上图中：

• 系统在Ta时刻停止运行事务，进行数据库转储
• 在Tb时刻转储完毕，得到Tb时刻的数据库一致性副本
• 系统运行到Tf时刻发生故障
• 为恢复数据库，首先由DBA重装数据库后备副本，将数据库恢复至Tb时刻的状态
• 重新运行自Tb～Tf时刻的所有更新事务，把数据库恢复到故障发生前的一致状态

数据库恢复的步骤

1 进行事务故障恢复

方法：撤销（UNDO）事务对数据库的修改。

时机：由系统自动完成，对用户透明，无需用户干预。

流程：反向扫描日志文件，查找事务的更新操作，对更新操作执行逆操作，直至回到事务开始的状态。

2 进行系统故障恢复

原因：未完成的事务对数据库的更新已经写入数据库（缓冲区满）；已提交的事务对数据库更新还留在缓冲区，没来的及写入数据库。

方法：UNDO——故障发生时没完成的事务，REDO——已完成的事务（不论是否写入）。

时机：在系统重启时自动完成，不需用户干预。

流程：正向扫描日志文件，建立UNDO队列（故障发生时没完成的事务）和REDO队列（已完成的事务），UNDO队列事务反向扫描log，执行逆操作，REDO队列事务正向扫描log，重新执行操作。

3 协助后备副本进行介质故障恢复

方法：装入备份文件，装入日志文件副本。

时机：需要DBA的介入。

流程：装入最新的后备数据库副本，使数据库恢复到最近一次的备份；装载转储结束时的日志文件，重做已完成的事务。

具有检查点的恢复技术

目的：减少搜索整个日志文件的代价

检查点技术

检查点记录的内容：

1. 建立检查点的时刻所有正在执行的事务清单
2. 这些事务最近一个日志记录的地址

“重新开始文件”：§记录各个检查点记录在日志文件中的地址

动态维护日志文件的方法：周期性地建立检查点、保存数据库状态。
当前日志缓冲区写磁盘，新建检查点记录，数据缓冲区写磁盘，检查点记录在日志文件中的地址写入重新开始文件。

改善效率：若事务在检查点前提交，其修改一定会写入数据库。恢复处理时不需要处理该事务。

系统出现故障时，恢复子系统将根据事务的不同状态采取不同的恢复策略：

恢复策略

UNDO队列和REDO队列

新开始的UNDO，已提交的REDO

数据库镜像

DBMS自动把整个数据库或其中的关键数据复制到另一个磁盘上，提高数据库的可用性。

出现介质故障时，可由镜像磁盘继续提供使用。同时DBMS自动利用镜像磁盘数据进行数据库的恢复，不需要关闭系统和重装数据库副本。