数据库原理 — — 数据库恢复

事务的基本概念

什么是事务？

事务：是用户定义的一个数据库操作序列，这些操作要么全做，要么全不做，是一个不可分割的工作单位

事务和程序是两个概念

在关系数据库中，一个事务可以是一条SQL语句，一组SQL语句或整个程序
一个应用程序通常包含多个事务

事务是恢复和并发控制的基本单位

如何定义事务

显式定义方式

BEGIN TRANSACTION
SQL 语句1
SQL 语句2
...
COMMIT

BEGIN TRANSACTION
SQL 语句1
SQL 语句2
...
ROLLBACK

隐式方式

当用户没有显式地定义事务时，DBMS按缺省规定自动划分事务

事务结束

COMMIT

事务正常结束
提交事务的所有操作
事务中所有对数据库的更新永久生效

ROLLBACK

事务异常终止
事务运行过程中发生了规则，不能继续执行
回滚事务的所有更新操作
事务回滚到开始时的状态

事务的特性 ACID特性

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

原子性

事务是数据库的逻辑工作单位

事务中包括的诸操作要么都做，要么都不做
保证原子性是数据库系统本身的职责，由DBMS的事务管理子系统来实现

一致性

事务执行的结果必须是使数据库从一个一致性状态变到另一个一致性状态

一致性状态
- 数据库中只包含事务提交后的结果
不一致状态
- 数据库中包含失败事务的结果

隔离性

对并发执行而言

一个事务的执行不能被其他事务干扰
一个事务内部的操作以及使用的数据对其他并发事务是隔离的
并发执行的各个事务之间不能互相干扰

隔离性由DBMS的并发控制子系统实现

持续性

持续性也称永久性

一个事务一旦提交，它对数据库中数据的改变就应该是永久性的
接下来的其他操作或故障不应该对其执行结果有任何影响
事务的持久性由DBMS 的恢复管理子系统实现

事务的特性

保证事务ACID 特性是事务处理的任务
破坏事务ACID特性的因素
- 多个事务并行运行时，不同事务的操作交叉执行（DBMS必须保证多个事务的交叉运行不影响这些事务的原子性）
- 事务在运行过程中被强行停止（DBMS必须保证被强行终止的事务对数据库和其他事务没有任何影响）

数据库恢复概述

故障是不可避免的
- 计算机硬件故障
- 系统软件和应用软件的错误
- 操作员的失误
- 恶意的破坏
故障的影响
- 运行事务非正常中断
- 破坏数据库

数据库管理系统对故障的对称

DBMS提供恢复子系统
保证故障发生后，能把数据库中的数据从错误状态恢复到某个已知的正确状态
保证事务 ACID

恢复技术是衡量系统优劣的重要指标

故障种类

事务故障
系统故障
介质故障
计算机病毒

事务故障

什么是事务故障

某个事务在运行过程中由于种种原因未运行至正常终止点就夭折了

事务故障的常见原因

输入数据有误
运算溢出
违反了某些完整性现在
某些应用程序出错
并行事务发生死锁
...

事务故障的恢复

发生事务故障时，夭折的事务可能已把对数据库的部分修改写回磁盘
事务故障的恢复：撤销事务 UNDO
强行回滚 ROLLBACK 该事务
清除该事务对数据库的所有修改，使得这个事务像根本没有启动过一样

系统故障

什么是系统故障

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
内存中数据库缓冲区的信息全部丢失
外部存储设备上的数据未受影响

系统故障的常见原因

操作系统或DBMS代码错误
操作员操作失误
特定类型的硬件错误（如CPU故障）
突然停电

系统故障的恢复

清除尚未完成的事务对数据库的所有修改
- 系统重新启动时，恢复程序要强行撤销 UNDO 所有未完成事务
将缓冲区中已完成事务提交写入数据库
- 系统重新启动时，恢复程序需要重做 REDO 所有已提交的事务

介质故障

硬件故障使存储在外存中的数据部分丢失或全部丢失
介质故障比前两类故障的可能性小得多，但破坏性大的多

硬件故障

磁盘损坏
磁头碰撞
操作系统的某种潜在错误
瞬时强磁场干扰

介质故障的恢复

装入数据库发生介质故障前某个时刻的数据副本
重做自此时开始的所有成功事务（因为有可能数据还未及时写回到磁盘上），将这些事务已提交的结果重新记入数据库

计算机病毒

计算机病毒是一种人为的故障或破坏，是一些恶作剧研制的一种计算机程序

繁殖性和传播性强，危害极大

事务故障、系统故障和介质故障影响事务的正常执行；介质故障和计算机病毒破坏数据库中的数据

恢复操作的基本原理

冗余
- 利用存储在系统其它地方的 冗余数据 来重建数据库中已被破坏或不正确的那部分数据
恢复的实现技术（复杂

恢复的实现技术和策略

恢复机制涉及的关键问题

如何建立冗余数据
- 数据转储
- 登录日志文件
如何利用这些冗余数据实施数据库恢复

数据转储

什么是转储

转储是指 DBA将整个数据库复制到磁带或另一个磁盘保存起来的过程

这些备用的数据文本称为后备副本或后援副本

转储的用途

转储方法

静态转储与动态转储
海量转储与增量转储

静态转储

在系统中无运行事务时进行转储
转储开始时数据库处于一致性状态
转储期间不允许对数据库的任何存取、修改活动

优点：实现简单

缺点：降低了数据库的可用性

转储必须等用户事务结束
新的事务必须等转储结束

动态转储

转储操作与用户事务并发进行
转储期间允许对数据库进行存取和修改
优点
- 不用等待正在运行的用户事务结束
- 不会影响新事务的运行
动态转储的缺点
- 不能保证副本中的数据正确有效

利用动态转储得到的副本进行故障恢复

需要把动态转储期间各事务对数据库的修改活动登记下来，建立日志文件
后备副本加上日志文件才能把数据库恢复到某一时刻的正确状态

海量转储：每次转储全部数据库

增量转储：只转储上次转储后更新过的数据

海量转储与增量转储比较

从恢复角度看，使用海量转储得到的后备副本进行恢复更方便
但如果数据库很大，事务处理又十分繁杂，则增量转储方式更实用更有效

静态转储与动态转储从转储状态角度

海量转储与增量转储从转储方式角度

转储策略

定期进行数据转储，制作后备副本
转储耗费时间和资源，不能频繁进行
DBA应根据数据库使用情况确定适当的转储周期和转储方法

如
- 每天晚上进行动态增量转储
- 每周进行一次动态海量转储
- 每月进行一次静态海量转储

登记日志文件

日志文件的内容

什么是日志文件

日志文件log是用来记录事务对数据库的更新操作的文件

日志文件的格式

以记录为单位的日志文件
以数据块为单位的日志文件

日志文件的内容

各个事务的开始标记 BEGIN TRANSACTION
各个事务的结束标记 COMMIT ROLLBACK
各个事务的所有更新操作
与事务有关的内部更新操作

日志文件中的一个日志记录

每条日志记录的内容

事务标识
操作类型插入修改删除
操作对象
更新前数据的旧值对插入操作而言此项为空值
更新后数据的新值对删除操作而言此项为空值

基于数据块的日志文件

事务标识
操作类型插入修改删除
操作对象
更新前所在的整个数据块的旧值对插入操作而言此项为空值
更新后整个数据块的新值对删除操作而言此项为空值

日志文件的用途

进行事务故障恢复
进行系统故障恢复
协助后备副本进行介质故障恢复

与静态转储后备副本配合进行介质故障恢复

静态转储数据已是一致性的数据
静态转储完成后，仍能定期转储日志文件，则在出现介质故障重装数据副本后，可以利用这些日志文件副本对已完成的事务进行重做处理
不必重新运行那些已完成的事务程序就可以把数据库恢复到故障前某一时刻的正确状态

登记日志文件的原则

为什么要先写日志文件

写数据库和写日志文件是两个不同的操作
在这两个操作直接可能发生故障
如果先写了数据库修改，而在日志文件中没有登记下这个修改，则以后就无法修改这个修改了
如果先写日志，但没有修改数据库，按日志文件恢复时只不过是多执行一次不必要的UNDO操作，并不会影响数据库的正确性

恢复策略

事务故障的恢复

事务在运行至正常终点前被中止

恢复方法

由恢复子系统利用日志文件撤销UNDO 此事务已对数据库进行的修改

事务故障的恢复是由系统自动完成，不需要用户干预

事务故障的恢复步骤

反向扫描文件日志，（从后向前扫描日志文件），查找该事务的更新操作
对该事务的更新操作执行 逆操作。即将日志记录中 更新前的值 写入数据库
- 插入操作：更新前的值为空，相当于做删除操作
- 删除操作：更新后的值为空，则相当于做插入操作
- 若是修改操作，则用 BI 代替 AI （After Image)
继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样处理
如此处理下去，直至读到此事务的开始标记，事务故障恢复就完成了

系统故障的恢复

系统故障造成数据库不一致状态的原因

一些未完成事务对数据库的更新写入数据库
一些已经提交的事务对数据库的更新还留在缓冲区没来得及写入数据库

恢复方法

UNDO 故障时未完成的事务
REDO 已完成的事务

系统故障的恢复由系统在重新启动时自动完成，不需要用户干预

系统故障的恢复步骤

正向扫描日志文件
- Redo 队列：在故障发生前已经提交的事务 T1 T3 T8
- Undo 队列：故障发生时尚未完成的事务 T2 T4 T5 T6 T7 T9
对Undo队列事务进行Undo处理
- 反向扫描日志文件，对每一个UNDO事务的更新操作执行逆操作 T2 T4 T5 T6 T9 ...
对Redo队列事务进行REDO处理
- 正向扫描日志文件，对每个REDO事务重新执行登记的操作 T1 T3 T8

介质故障的恢复

重装数据库，使数据库恢复到一致性专题
重做已完成的事务

恢复步骤

装入最新的后备数据库副本，使数据库恢复到最近一次转储时的一致性状态
- 对于静态转储的数据库副本，装入后数据库即处于一致性状态
- 对于动态转储的数据库副本，还须同时装入转储时刻的日志文件副本，利用与恢复系统故障相同的方法，才能将数据库恢复到一致性状态
装入有关的日志文件副本，重做已完成的事务
- 首先扫描日志文件，找出故障发生时已提交的事务的标识，将其记入重做队列
- 然后正向扫描日志文件，对重做队列中的所有事务进行重做处理，即将日志记录中 更新后的值 写入数据库

介质故障的恢复需要DBA介入

DBA的工作
- 重装最近转储的数据库副本，和有关的各日志文件副本
- 执行系统提供的恢复命令
具体的恢复操作仍由DBMS完成

具有检查点的恢复技术和数据库镜像

问题的提出

两个问题

搜索整个日志将耗费大量时间
REDO处理：重新执行，浪费大量时间

解决的方案

具有检查点的恢复技术

在日志文件中增加检查点记录
增加重新开始文件
恢复子系统在登录日志文件期间动态地维护日志

检查点技术

检查点记录的内容

建立检查点时刻所有正在执行的事务清单
这些事务最近一个日志记录的地址

重新开始文件的内容

记录各个检查点记录在日志文件中的地址

在检查点维护日志文件

将当前日志缓冲区中的所有日志记录写入日志文件上
在日志文件中写入一个检查点记录
将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中
把检查点记录在日志文件中的地址写入一个重新开始文件

建立检查点

定期：按照一定的时间间隔

不定期：按照某种规则，如日志文件已写满一半建立一个检查点

利用检查点的恢复策略

当事务T在一个检查点之前提交

T对数据库所做的修改已写入数据库

在进行恢复处理时，没有必要对事务T执行REDO操作

利用检查点的恢复步骤

从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址
由该地址在日志文件中找到最后一个检查点记录
由该检查点记录得到检查点建立时刻所有正在执行的事务清单ACTIVE-LIST
- 建立两个事务队列
  - UNDO-LIST
  - REDO-LIST
- 把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列，REDO队列暂时为空
从检查点开始正向扫描日志文件，直到日志文件结束
- 如有新开始的事务Ti 把Ti暂时放入到UNDO-LIST队列
- 如有提交的事务Tj，把Tj从UNDO-LIST队列移到REDO-LIST队列
对UNDO-LIST中的每个事务执行UNDO操作，对REDO-LIST中的每个事务执行REDO操作