数据库概论 （七）恢复技术

数据库恢复技术

保证数据库数据的可靠性。

一个简单的例子：

• 从A账户向B账户转账1000元人民币
• 读取A账户的余额
• 余额足够，扣除一千元
• 读取B账户的余额
• 将余额加上1000元

在扣除余额到余额增加的步骤之间，如果出现了系统性的故障，硬件故障，导致整个流程没有顺利完成，就会导致错账。

简单分析可知出错是因为整个流程并不是原子性的，或者说，想要完成原子性，但是没有对中间错误发生的预案。

事务

事务的基本特性有四个特性，ACID，保证了事务的原子性，一致性，永久性，隔离性。

1. 原子性（Atomicity）

事务被视为不可分割的最小单元，事务的所有操作要么全部提交成功，要么全部失败回滚。

回滚可以用回滚日志（Undo Log）来实现，回滚日志记录着事务所执行的修改操作，在回滚时反向执行这些修改操作即可。

2. 一致性（Consistency）

数据库在事务执行前后都保持一致性状态。在一致性状态下，所有事务对同一个数据的读取结果都是相同的。如果出问题可能会导致不可重复读，幻影读等问题。

3. 隔离性（Isolation）

一个事务所做的修改在最终提交以前，对其它事务是不可见的。在并发的时候使用锁机制来保证隔离性。

4. 持久性（Durability）

一旦事务提交，则其所做的修改将会永远保存到数据库中。即使系统发生崩溃，事务执行的结果也不能丢失。

系统发生崩溃可以用重做日志（Redo Log）进行恢复，从而实现持久性。与回滚日志记录数据的逻辑修改不同，重做日志记录的是数据页的物理修改。

事务的目的是保障在任何情况下，不管是正常运行还是发生了系统故障，无论是单用户，串行执行还是多用户并发执行都要保证事务的执行。

关于锁和并发的问题放在下一章讲 [锁与并发](./数据库概论 （八）)

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日志系统

日志文件是用来记录事务对数据库的更新操作的文件，日志往往以记录为最小单位，或者以数据库定义的数据块为最小单位。

以记录为单位的日志文件的内容

• 各个事务的开始标记(BEGIN TRANSACTION)
• 各个事务的结束标记(COMMIT或ROLLBACK)
• 各个事务的所有更新操作
• 事务标识（标明是哪个事务）
• 操作类型（插入、删除或修改）
• 操作对象（记录内部标识）
• 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）

重点是为了记录：哪个事务改变了哪个数据块。

登记日志文件的基本原则

1. 登记的次序严格按照事务执行的时间次序登记
2. 必须先写日志文件，再写数据库

并不是所有的操作都要写日志文件，只有在要把数据写到数据库中的时候才需要先写日志文件，再写数据库

因为可以通过日志文件恢复UNDO失败的数据库操作，如果先写数据库那么如果出现了错误就没有机会恢复刚刚的修改了。

恢复策略

事务运行过程中发生了故障

由恢复子系统利用日志文件撤销刚刚发生的对数据库的修改。此处的恢复操作是对用户透明的，用户不需要干预此处的修复。

1. 从日志文件的末尾开始反向扫描日志文件，找到故障事务的数据库修改操作
2. 执行修改操作的逆操作
3. 继续反向扫描，遇到修改操作则执行2，直到抵达故障事务的开始语句。

系统故障导致的数据库状态不一致

造成不一致的原因

• 未完成的事务的数据已经写入到数据库中
• 已经提交的事务对数据库的修改还在缓冲区中，还没有执行修改

恢复的方法

• Undo 针对未完成的，已经修改的操作
  • 反向扫描日志文件，对修改数据库的操作执行逆操作
  • 将更新前的值写入到数据库，覆盖数据
• Redo 针对缓冲区中的操作
  • 正向扫描日志文件，找到每一个要执行数据库修改的操作
  • 将数据重新写入数据库

介质故障

首先要转入最新的，正常的数据库备份副本，使之恢复到最近的正常状态。

• 对于静态存储的数据库副本，装入之后就已经处于一致性状态。
• 对于动态存储的数据库副本，还要装入转储时刻的日志文件副本，使用Undo和Redo机制恢复到一致性状态。

然后对于备份之后的数据，我们要通过存储的日志文件来恢复，重做所有已经完成的事务。

• 扫描日志文件，找出故障发生时已经提交的事务的标志，然后将其记入Redo队列，等待Redo
• 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，然后写入数据库

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