《数据库系统概论》(王珊 萨师煊)复习笔记（七）

第十章 数据库恢复技术

1 事务的基本概念

  • 定义
    • 一个数据库操作序列
    • 一个不可分割的工作单位（要么全做，要么不做）
    • 恢复和并发控制的基本单位
  • 事务和程序比较
    • 在关系数据库中，一个事务可以是一条或多条SQL语句,也可以包含一个或多个程序。
    • 一个程序通常包含多个事务
  • 事务的特性
    • 原子性（Atomicity）
      事务中的所有操作要么全部执行，要么都不执行。
    • 一致性（Consistency）
      如果在执行事务之前数据库是一致的，那么在执行事务之后数据库也还应该是一致的。
    • 隔离性（Isolation）
      即使多个事务并发执行，每个事务都感觉不到系统中有其他事务在执行，以保证数据库的一致性。
    • 持续性（Durability ）
      事务成功执行后它对数据库的修改是永久的，即使系统出现故障。

2 数据库恢复概述

  • 故障是不可避免的

    • 系统故障：计算机软、硬件故障
    • 人为故障：操作员的失误、恶意的破坏等。

  • 数据库的恢复

    * 把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态(亦称为**一致状态或完整状态**)
    • 恢复子系统是DBMS的一个重要组成部分，而且相当庞大

3 故障的种类

  • 事务内部的故障
    • 事务内部更多的故障是非预期的，不能由应用程序处理
      • 运算溢出
      • 并发事务发生死锁
      • 违反了某些完整性限制等
      • 事务故障仅指这类非预期的故障
    • 事务故障的恢复：撤消事务（UNDO）
  • 系统故障
    • 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。 如：
      • 特定类型的硬件错误（如CPU故障）
      • 操作系统故障
      • DBMS代码错误
      • 系统断电
    • 后果
      • 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
      • 不破坏数据库
    • 发生系统故障时，事务未提交
      恢复策略：强行撤消（UNDO）所有未完成事务
    • 发生系统故障时，事务已提交，但缓冲区中的信息尚未完全写回到磁盘上。
      恢复策略：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
      • 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
      • 重做自此时始的所有成功事务，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
      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
    • 危害
      破坏、盗窃系统中的数据
      破坏系统文件

4 恢复的实现技术

  • 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

  • 恢复机制涉及的关键问题

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

  • 转储

    • 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，备用的数据称为后备副本或后援副本。
    • 如何使用
      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
    • 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
      • 优点
        • 实现简单
        • 得到的一定是一个数据一致性的副本
      • 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
    • 动态存储
      • 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
      • 动态转储的缺点
        • 不能保证副本中的数据正确有效
        • 例如：在转储期间的某个时刻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。转储结束后，后备副本上的A已是过时的数据了
      • 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才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（完全转储）: 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
        • 但如果数据库很大，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

    • 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
        • 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
      • 以数据块为单位的日志文件
        • 事务标识（标明是那个事务）
        • 被更新的数据块

    • 作用

      • 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

    • 基本原则

      登记的次序严格按并行事务执行的时间次序
      必须先写日志文件，后写数据库

5 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
      由恢复子系统应利用日志文件撤消（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
  • 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已写入数据库
      已提交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
      1. Undo 故障发生时未完成的事务
    • 恢复方法
      1. Undo 故障发生时未完成的事务
      2. 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
  • 介质故障的恢复
    • 重装数据库
    • 重做已完成的事务

6 具有检查点的恢复技术

  • 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

7 数据库镜像

  • 数据库镜像

    • DBMS自动把整个a数据库或其中的关键数据复制到另一个磁盘上
    • DBMS自动保证镜像数据与主数据库的一致性
    • 每当主数据库更新时，DBMS自动把更新后的数据复制过去

  • 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

  • 没有出现故障时

    • 可用于并发操作
    • 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

  • 频繁地复制数据自然会降低系统运行效率

    • 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