第十章——数据库恢复技术文章目录第十章——数据库恢复技术一、事务基本概念(一)基本概念)二)特性二、数据库恢复概述三、故障类型四、恢复实现技术——冗馀数据构建方法(一)数据转储(二)日志文件
一、事务基本概念(一)基本概念
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，事务可以是一个SQL语句、一组SQL语句或整个程序。 程序通常包含多个事务。 事务的开始可以在结束时由用户进行显示控制。 如果未明确定义，数据库管理系统将根据默认规定自动拆分事务。 在SQL中，事务通常以BEGIN TRANSACTION开始，以COMMIT或ROLLBACK结束。 COMMIT :提交事务的所有操作，事务成功结束； ROLLBACK :如果在回滚(即事务处理)期间发生了某些故障，事务处理无法继续，则事务处理中数据库的所有已完成操作都将车削，事务处理将启动事务是恢复和并发控制的基本单位(二)特性事务的ACID特性：
原子性（Atomicity）
事务是数据库的逻辑工作单位，是执行还是不执行所有操作
一致性（Consistency）
如果事务部分成功，部分失败，这就是“不一致”的状态，要么完成了失败，要么取消了成功
隔离性（Isolation）
一个事务的执行不应受到其他事务的干扰。 即同时事务之间隔离，互不干扰；
持续性（Durability ）/永久性（Permanence）
提交事务后，数据库中的数据更改必须是永久的。
保证事务ACID特性是事务处理的任务
损害事务ACID特性的因素：
(1)多个事务并行执行时，不同事务的操作交叉执行
——数据库管理系统必须确保多个事务的互操作不会影响这些事务的独立性
)2)事务在执行过程中被强制停止
——数据库管理系统必须确保被强制终止的事务不会影响数据库和其他事务
这就是数据库管理系统中恢复机制和并发控制机制的责任。
二、数据库恢复概述故障不可避免
计算机故障、软件错误、操作员错误、恶意破坏
故障的影响
事务未成功中断，影响了数据库中数据的准确性，破坏了数据库，丢失了数据库的全部或部分恢复
数据库管理系统必须具有将数据库从错误状态恢复到某个已知的正确状态(也称为匹配状态或完全状态)的功能，这是针对数据库恢复管理系统故障的对策
恢复子系统是数据库管理系统的重要组成部分
恢复技术是衡量系统优劣的重要指标
三.由于故障类型为http://www.Sina.com/http://www.Sina.com /，数据库可能处于不准确状态。 恢复程序必须强制撤消对事务的已完成修改，而不影响其他事务的执行。 将此类回复操作发送到事物故障
有些可以在事务程序本身中发现，有些则是意外的。 此外，一些事务程序无法处理，如运算溢出、事务并发、光线事务选择和违反一致性限制。
即事务没有达到预期的终点（COMMIT或显示的ROLLBACK）
因停电、异常关机等故障导致系统停止时，请重新启动。
这种障碍会影响正在执行的事务。 也就是说，有些事务已完成，有些事务尚未完成，数据库处于不正确状态。 恢复程序必须在系统重新启动后回滚所有异常的事务，**撤消(UNDO ) *强制执行所有未完成的事务。 此故障还会影响数据库缓冲区。 数据库缓冲区包含正在执行的事务和已经在执行的事务。 由于某些事务仍保留在尚未将缓冲区写入磁盘的物理数据库中，因此恢复程序必须重新执行所有* *重做* *提交的事务，使数据库恢复到真正一致的状态事务撤销（UNDO）
磁盘损坏、磁头碰撞、瞬时强磁场干扰等会破坏数据库或部分数据库，并影响访问该数据的所有事务。
系统故障（软故障）
这是一个被人为破坏的计算机程序。
各种故障，对数据库的影响有两种可能。 一个是数据库本身已被破坏，另一个是数据库未被破坏，但数据可能不正确。 这是因为事务的执行异常结束。
使用介质故障（硬故障）(即存储在系统另一个位置的冗馀数据)重建数据库中的部分损坏或非法数据。
四、恢复实现技术——如何建立冗馀数据转储、日志文件注册(logging )
> （一）数据转储转储是数据库回复中采用的基本技术，即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。这些备用的数据文本称为后备副本(backup) 或 后援副本。
数据库遭到破坏后可以将后备副本重新装入，但是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。同时，转储是十分耗费时间和资源的，不能频繁进行。
转储可分为静态转出和动态转储：
静态转储：即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。
优点是实现简单，但缺点是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，而且新的事务必须等转储结束。动态转储
即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。
优点是不用等待正在运行的用户事务结束，也不会影响新事务的运行，但缺点是不能保证副本中的数据正确有效。
可以看到，动态转储必须与日志文件（log file）相配合，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
数据库转储还分为海量转储和增量转储：
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。
因此数据转储分为：
日志文件是用来记录事务对数据库的更新操作的文件。不同数据库系统采用的日志文件格式并不完全一样。
日志文件的格式和内容：
日志文件主要有两种格式：以记录为单位的日志文件和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，每条日志记录的内容只有事务标识和被更新的数据块，即把更新后的整个块放入日志文件，操作类型和操作对象就不必放入日志记录中了。
日志文件的作用：
进行事务故障恢复，系统故障恢复，必须用日志文件协助后备副本进行介质故障恢复在动态转储方式中必须建立日志文件，后备副本和日志文件结合起来才能有效地恢复数据库。在静态转储方式中，也可以建立日志文件。当数据库毁坏后可重新装入后援副本把数据库恢复到转储结束时刻的正确状态，利用日志文件，把已完成的事务进行重做处理，对故障发生时尚未完成的事务进行撤销处理，就不必重新运行那些已完成的事务程序就可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：
为保证数据库是可恢复的，登记日志文件必须遵循两条原则：
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
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，在这两个操作之间可能发生故障，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，则以后就无法恢复这个修改了，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。 五、恢复策略——如何利用冗余数据进行恢复事务故障（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，不需要用户干预恢复步骤： 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。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（事务未完成，有些事务在缓冲区）
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，不需要用户干预恢复步骤： 正向扫描日志文件（即从头扫描日志文件），得到重做队列和撤销队列重做(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
介质故障（物理数据和日志文件被破坏）
恢复方法：重装数据库，然后重做已完成的事务介质故障的恢复需要数据库管理员介入，数据库管理员重装最近转储的数据库副本和有关的各日志文件副本，然后执行系统提供的恢复命令，具体的恢复操作仍由数据库管理系统完成。恢复步骤： 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。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。这里要首先扫描日志文件，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。 六、具有检查点的恢复技术在上述恢复技术中，搜索整个日志将耗费大量的时间，而且许多重做处理实际上是已经完成了的，要重新执行，也浪费了大量时间。因此产生具有检查点（checkpoint）的恢复技术，在日志文件的内容中增加检查点记录（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。
检查点记录内容：（在日志文件的内容中增加检查点记录）
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
使用检查点方法可以改善恢复效率，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，并且写入时间是在这个检查点建立之前或在这个检查点建立之时，这样在进行恢复处理时，没有必要对事务T执行重做操作。
如上图：
系统使用检查点方法进行恢复的步骤是：
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。然后建立两个事务队列UNDO-LIST和REDO-LIST，把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列，REDO队列暂为空。从检查点开始正向扫描日志文件（检查点以前的不用扫描了），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（开始一个就放到撤销里面），如有提交的事务Tj，把Tj从UNDO-LIST队列移到REDO- LIST队列（若完成了，说明是系统故障前完成的，应该重做而不是撤销）;直到日志文件结束对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 七、数据库镜像介质故障是对系统影响最为严重的一种故障，严重影响数据库的可用性，而且介质故障恢复比较费时，为预防介质故障，数据库管理员必须周期性地转储数据库。
提高数据库可用性的解决方案——数据库镜像（Mirror）：
即数据库管理系统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，且数据库管理系统自动保证镜像数据与主数据的一致性，每当主数据库更新时，数据库管理系统自动把更新后的数据复制过去。
当出现介质故障时，可由镜像磁盘继续提供使用，同时数据库管理系统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。
而没有出现故障时，也可用于并发操作，比如一个用户对数据加排他锁修改数据，其他用户可以读镜像数据库上的数据，而不必等待该用户释放锁。
当然，频繁地复制数据自然会降低系统运行效率，所以在实际应用中用户往往只选择对关键数据和日志文件镜像，而不是对整个数据库进行镜像。