数据库系统---数据库恢复技术
本节重点：ACID，数据转储方式，检查点的恢复技术（undo，redo）
事务
事务(Transaction)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
显式定义方式
BEGIN TRANSACTION BEGIN TRANSACTION
SQL 语句1 SQL 语句1
SQL 语句2 SQL 语句2
。。。。。 。。。。。
COMMIT ROLLBACK
COMMIT：
事务正常结束
提交事务的所有操作（读+更新）
事务中所有对数据库的更新写回到磁盘上的物理数据库中
ROLLBACK（回滚）：
事务异常终止
事务运行的过程中发生了故障，不能继续执行
系统将事务中对数据库的所有已完成的操作全部撤销
事务滚回到开始时的状态
隐式定义方式
当用户没有显式地定义事务时，数据库管理系统按缺省规定自动划分事务。
ACID
原子性（Atomicity）
事务中包括的诸操作要么都做，要么都不做
一致性（Consistency）
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
数据库中只包含成功事务提交的结果
不一致状态
数据库系统运行中发生故障，有些事务尚未完成就被迫中断；这些未完成事务对数据库所做的修改有一部分已写入物理数据库，这时数据库就处于一种不正确的状态
隔离性（Isolation）
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
持续性（Durability ）
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
故障的种类
事务内部的故障
有的是可以通过事务程序本身发现的(见下面转账事务的例子)（ROLLBACK）
有的是非预期的，不能由事务程序处理的
运算溢出
并发事务发生死锁而被选中撤销该事务
违反了某些完整性限制而被终止等
事务撤消（UNDO）
强行回滚（ROLLBACK）该事务
撤销该事务已经作出的任何对数据库的修改，使得该事务象根本没有启动一样
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。
种类：
特定类型的硬件错误（如CPU故障）
操作系统故障
数据库管理系统代码错误
系统断电
影响：
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
介质故障
称为硬故障，指外存故障
磁盘损坏
磁头碰撞
瞬时强磁场干扰
计算机病毒
一种人为的故障或破坏，是一些恶作剧者研制的一种计算机程序
可以繁殖和传播，造成对计算机系统包括数据库的危害
恢复的实现技术
如何建立冗余数据？
数据转储（backup）
登记日志文件（logging）
如何利用这些冗余数据实施数据库恢复？
数据转储（backup）
转储是指数据库管理员定期地将整个数据库复制到磁带、磁盘或其他存储介质上保存起来的过程
备用的数据文本称为后备副本(backup)或后援副本（备份）
数据库遭到破坏后可以将后备副本重新装入
重装后备副本只能将数据库恢复到转储时的状态
要想恢复到故障发生时的状态，必须重新运行自转储以后的所有更新事务
静态转储
在系统中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
转储期间不允许对数据库的任何存取、修改活动
得到的一定是一个数据一致性的副本
优点：实现简单
缺点：降低了数据库的可用性
转储必须等待正运行的用户事务结束
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或修改
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
缺点
不能保证副本中的数据正确有效
例在转储期间的某时刻Tc，系统把数据A=100转储到磁带上，而在下一时刻Td，某一事务将A改为200。后备副本上的A过时了
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就能把数据库恢复到某一时刻的正确状态
海量转储与增量转储
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往往更方便
如果数据库很大，事务处理又十分频繁，则增量转储方式更实用更有效
登记日志文件（logging）
什么是日志文件？
日志文件(log file)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
以记录为单位的日志文件
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
以上均作为日志文件中的一个日志记录 (log record)
以记录为单位的日志文件，每条日志记录的内容
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ID、Block NO.）
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）
以数据块为单位的日志文件
事务标识
被更新的数据块
为保证数据库是可恢复的，登记日志文件时必须遵循两条原则
登记的次序严格按并发事务执行的时间次序
必须先写日志文件，后写数据库
写日志文件操作：把表示这个修改的日志记录写到日志文件中
写数据库操作：把对数据的修改写到数据库中
恢复策略
事务故障的恢复
事务故障：事务在运行至正常终止点前被终止
恢复方法
由恢复子系统利用日志文件撤消（UNDO）此事务已对数据库进行的修改
事务故障的恢复由系统自动完成，对用户是透明的，不需要用户干预
具体步骤：
（1） 反向扫描文件日志（即从最后向前扫描日志文件），查找该事务的更新操作。
（2） 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，则相当于做删除操作
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，则相当于用修改前值代替修改后值
（3） 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。
（4） 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
未完成事务对数据库的更新可能已写入数据库
已提交事务对数据库的更新可能还留在缓冲区没来得及写入数据库
恢复方法
Undo 故障发生时未完成的事务
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
具体步骤：
（1）正向扫描日志文件（即从头扫描日志文件）
重做(REDO)队列: 在故障发生前已经提交的事务
这些事务既有BEGIN TRANSACTION记录，也有COMMIT记录
撤销(UNDO)队列:故障发生时尚未完成的事务
这些事务只有BEGIN TRANSACTION记录，无相应的COMMIT记录
（2） 对撤销(UNDO)队列事务进行撤销(UNDO)处理
反向扫描日志文件，对每个撤销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
（3）对重做(REDO)队列事务进行重做(REDO)处理
正向扫描日志文件，对每个重做事务重新执行登记的操作
即将日志记录中“更新后的值”写入数据库
介质故障的恢复
1.重装数据库
2.重做已完成的事务
具体步骤：
（1） 装入最新的后备数据库副本(离故障发生时刻最近的转储副本) ，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，利用恢复系统故障的方法（即REDO+UNDO），才能将数据库恢复到一致性状态。
（2） 装入有关的日志文件副本(转储结束时刻的日志文件副本) ，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数据库管理员介入
具有检查点的恢复技术
问题的提出
两个问题
搜索整个日志将耗费大量的时间
重做处理：重新执行，浪费了大量时间
具有检查点（checkpoint）的恢复技术：
在日志文件中增加检查点记录（checkpoint）
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
动态维护日志文件的方法
周期性地执行如下操作：建立检查点，保存数据库状态。
具体步骤是：
（1）将当前日志缓冲区中的所有日志记录写入磁盘的日志文件上
（2）在日志文件中写入一个检查点记录
（3）将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中
（4）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
恢复子系统可以定期或不定期地建立检查点,保存数据库状态
定期：
按照预定的一个时间间隔，如每隔一小时建立一个检查点
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
T1：在检查点之前提交
T2：在检查点之前开始执行，在检查点之后故障点之前提交
T3：在检查点之前开始执行，在故障点时还未完成
T4：在检查点之后开始执行，在故障点之前提交
T5：在检查点之后开始执行，在故障点时还未完成
恢复策略：
T3和T5在故障发生时还未完成，所以予以撤销
T2和T4在检查点之后才提交，它们对数据库所做的修改在故障发生时可能还在缓冲区中，尚未写入数据库，所以要重做
T1在检查点之前已提交，所以不必执行重做操作
恢复步骤：
（1）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
（2）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队列暂为空。
（3）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;直到日志文件结束
（4）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