第10章 數(shù)據(jù)庫恢復技術——復習筆記

　　第10章 數(shù)據(jù)庫恢復技術復習筆記01一、事務的基本概念01事務

　　事務是用戶定義的一個數(shù)據(jù)庫操作序列，這些操作要么全做，要么全不做，是一個不可分割的工作單位。

　　事務和程序是兩個概念。一般地講，一個程序中包含多個事務。

　　事務的開始與結束可以由用戶顯式控制。如果用戶沒有顯式地定義事務，則由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)按默認規(guī)定自動劃分事務。在SOL中，定義事務的語句一般有三條：

　　BEGIN TRANSACTION;

　　COMMIT;

　　ROLLBACK;

　　02事務的ACID特性

　　（1）原子性

　　事務是數(shù)據(jù)庫的邏輯工作單位，事務中包括的諸操作要么都做，要么都不做。

　　（2）一致性

　　事務執(zhí)行的結果必須是使數(shù)據(jù)庫從一個一致性狀態(tài)變到另一個一致性狀態(tài)。

　　（3）隔離性

　　一個事務的執(zhí)行不能被其他事務干擾。即一個事務的內部操作及使用的數(shù)據(jù)對其他并發(fā)事務是隔離的，并發(fā)執(zhí)行的各個事務之間不能互相干擾。

　　（4）持續(xù)性

　　持續(xù)性也稱永久性（Permanence），指一個事務一旦提交，它對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的改變就應該是永久性的。接下來的其他操作或故障不應該對其執(zhí)行結果有任何影響。

　　03影響ACID特性的因素

　　（1）多個事務并行運行時，不同事務的操作交叉執(zhí)行。

　　（2）事務在運行過程中被強行停止。

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　　二、數(shù)據(jù)庫恢復概述

　　計算機系統(tǒng)中硬件的故障、軟件的錯誤、操作員的失誤以及惡意的破壞仍是不可避免的，這些故障輕則造成運行事務非正常中斷，影響數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，重則破壞數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫中全部或部分數(shù)據(jù)丟失。因此數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須具有把數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復到某一已知的正確狀態(tài)（亦稱為一致狀態(tài)或完整狀態(tài)）的功能，這就是數(shù)據(jù)庫的恢復。

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　　三、故障的種類

　　01事務內部的故障

　　事務內部的故障有的是可以通過事務程序本身發(fā)現(xiàn)的，有的是非預期的，不能由事務程序處理。

　　事務故障意味著事務沒有達到預期的終點（COMMIT或者顯式的ROLLBACK），因此，數(shù)據(jù)庫可能處于不正確狀態(tài)。恢復程序要在不影響其他事務運行的情況下，強行回滾該事務，即撤銷該事務已經作出的任何對數(shù)據(jù)庫的修改，使得該事務好像根本沒有啟動一樣。這類恢復操作稱為事務撤銷（UNDO）。

　　02系統(tǒng)故障

　　系統(tǒng)故障是指造成系統(tǒng)停止運轉的任何事件，使得系統(tǒng)要重新啟動。發(fā)生系統(tǒng)故障時，一些尚未完成的事務的結果可能已送入物理數(shù)據(jù)庫，從而造成數(shù)據(jù)庫可能處于不正確的狀態(tài)。為保證數(shù)據(jù)一致性，需要清除這些事務對數(shù)據(jù)庫的所有修改。

　　03介質故障

　　系統(tǒng)故障常稱為軟故障（soft crash），介質故障稱為硬故障（hard crash）。硬故障指外存故障，如磁盤損壞、磁頭碰撞，瞬時強磁場干擾等。這類故障將破壞數(shù)據(jù)庫或部分數(shù)據(jù)庫，并影響正在存取這部分數(shù)據(jù)的所有事務。這類故障比前兩類故障發(fā)生的可能性小得多，但破壞性最大。

　　04計算機病毒

　　計算機病毒是一種人為的故障或破壞，是一些惡作劇者研制的一種計算機程序。這種程序與其他程序不同，它像微生物學所稱的病毒一樣可以繁殖和傳播，并造成對計算機系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫的危害。

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　　四、恢復的實現(xiàn)技術

　　01概述

　　恢復機制涉及的兩個關鍵問題是：

　　（1）如何建立冗余數(shù)據(jù)；

　　（2）如何利用這些冗余數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)庫恢復。

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　　數(shù)據(jù)轉儲

　　（1）定義

　　轉儲即數(shù)據(jù)庫管理員定期地將整個數(shù)據(jù)庫復制到磁帶、磁盤或其他存儲介質上保存起來的過程。這些備用的數(shù)據(jù)稱為后備副本（backup）或后援副本。

　　（2）方法

　　當數(shù)據(jù)庫遭到破壞后可以將后備副本重新裝入，但重裝后備副本只能將數(shù)據(jù)庫恢復到轉儲時的狀態(tài)，要想恢復到故障發(fā)生時的狀態(tài)，必須重新運行自轉儲以后的所有更新事務。

　　轉儲是十分耗費時間和資源的，不能頻繁進行。數(shù)據(jù)庫管理員應該根據(jù)數(shù)據(jù)庫使用情況確定一個適當?shù)霓D儲周期。

　　（3）分類

　　轉儲按狀態(tài)可分為靜態(tài)轉儲和動態(tài)轉儲，按方式可分為海量轉儲和增量轉儲，數(shù)據(jù)分類方式如表10-1所示。

　　表10-1 數(shù)據(jù)轉儲分類

　　轉儲方式

　　轉儲狀態(tài)

　　動態(tài)轉儲

　　靜態(tài)轉儲

　　海量轉儲

　　動態(tài)海量轉儲

　　靜態(tài)海量轉儲

　　增量轉儲

　　動態(tài)增量轉儲

　　靜態(tài)增量轉儲

　　①靜態(tài)轉儲

　　靜態(tài)轉儲是在系統(tǒng)中無運行事務時進行的轉儲操作。靜態(tài)轉儲簡單，通過靜態(tài)轉儲得到的一定是一個數(shù)據(jù)一致性的副本。但轉儲必須等待正運行的用戶事務結束才能進行，新的事務必須等待轉儲結束才能執(zhí)行，這會降低數(shù)據(jù)庫的可用性。

　　②動態(tài)轉儲

　　動態(tài)轉儲是指轉儲期間允許對數(shù)據(jù)庫進行存取或修改，即轉儲和用戶事務可以并發(fā)執(zhí)行。動態(tài)轉儲可以克服靜態(tài)轉儲的缺點，它不用等待正在運行的用戶事務結束，也不會影響新事務的運行。但轉儲結束時后援副本上的數(shù)據(jù)并不能保證正確有效。必須把轉儲期間各事務對數(shù)據(jù)庫的修改活動登記下來，建立日志文件（log file）。

　　③海量轉儲

　　海量轉儲是指每次轉儲全部數(shù)據(jù)庫。

　　④增量轉儲

　　增量轉儲指每次只轉儲上一次轉儲后更新過的數(shù)據(jù)。

　　從恢復角度看，使用海量轉儲得到的后備副本進行恢復更方便些；但如果數(shù)據(jù)庫很大，事務處理又十分頻繁，而增量轉儲方式更實用更有效。

　　03登記日志文件

　　（1）日志文件的格式和內容

　　日志文件是用來記錄事務對數(shù)據(jù)庫的更新操作的文件。日志文件主要有以下兩種格式：

　　①以記錄為單位的日志文件

　　對于以記錄為單位的日志文件，日志文件中需要登記的內容包括：各個事務的開始標記；各個事務的結束標記；各個事務的所有更新操作。

　　每個日志記錄的內容主要包括：事務標識；操作的類型；操作對象；更新前數(shù)據(jù)的舊值；更新后數(shù)據(jù)的新值。

　　②以數(shù)據(jù)塊為單位的日志文件

　　日志記錄的內容包括事務標識和被更新的數(shù)據(jù)塊。

　　（2）日志文件的作用

　　①事務故障恢復和系統(tǒng)故障恢復必須用日志文件。

　　②在動態(tài)轉儲方式中必須建立日志文件，后備副本和日志文件結合起來才能有效地恢復發(fā)生故障時的數(shù)據(jù)庫。

　　③在靜態(tài)轉儲方式中，也可以建立日志文件。當數(shù)據(jù)庫毀壞后可重新裝入后提副本把數(shù)據(jù)庫恢復到轉儲結束時刻的正確狀態(tài)，然后利用日志文件，把已完成的事務進行重做處理，對故障發(fā)生時尚未完成的事務進行撤銷處理。這樣不必重新運行那些已完成的事務程序就可把數(shù)據(jù)庫恢復到故障前某一時刻的正確狀態(tài)。

　　（3）登記日志文件

　　為保證數(shù)據(jù)庫是可恢復的，登記日志文件時必須遵循兩條原則：

　　①登記的次序嚴格按并發(fā)事務執(zhí)行的時間次序。

　　②必須先寫日志文件，后寫數(shù)據(jù)庫。

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　　五、恢復策略

　　01事務故障的恢復

　　事務故障是指事務在運行至正常終止點前被終止，這時恢復子系統(tǒng)應利用日志文件撤銷（UNDO）此事務已對數(shù)據(jù)庫進行的修改。系統(tǒng)的恢復步驟是：

　　（1）反向掃描日志文件（即從最后向前掃描日志文件），查找該事務的更新操作；

　　（2）對該事務的更新操作執(zhí)行逆操作，即將日志記錄中“更新前的值”寫入數(shù)據(jù)庫；

　　（3）繼續(xù)反向掃描日志文件，查找該事務的其他更新操作，并做同樣處理；

　　（4）如此處理下去，直至讀到此事務的開始標記，事務故障恢復就完成了。

　　02系統(tǒng)故障的恢復

　　系統(tǒng)故障的恢復是由系統(tǒng)在重新啟動時自動完成的，不需要用戶干預。系統(tǒng)的恢復步驟是：

　　（1）正向掃描日志文件（即從頭掃描日志文件），找出在故障發(fā)生前已經提交的事務，將其事務標識記入重做隊列（REDO_LIST）。同時找出故障發(fā)生時尚未完成的事務，將其事務標識記入撤銷隊列（UNDO_LIST）；

　　（2）對撤銷隊列中的各個事務進行撤銷（UNDO）處理；

　　（3）對重做隊列中的各個事務進行重做處理。

　　03介質故障的恢復

　　發(fā)生介質故障后，磁盤上的物理數(shù)據(jù)和日志文件被破壞，恢復方法是重裝數(shù)據(jù)庫，然后重做已完成的事務。

　　（1）裝入最新的數(shù)據(jù)庫后備副本（離故障發(fā)生時刻最近的轉儲副本），使數(shù)據(jù)庫恢復到最近一次轉儲時的一致性狀態(tài)；

　　（2）裝入相應的日志文件副本（轉儲結束時刻的日志文件副本），重做已完成的事務。

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　　六、具有檢查點的恢復技術

　　具有檢查點的恢復技術在日志文件中增加一類新的記錄——檢查點（check point）記錄，增加一個重新開始文件，并讓恢復子系統(tǒng)在登錄日志文件期間動態(tài)地維護日志。

　　01檢查點記錄的內容

　　（1）建立檢查點時刻所有正在執(zhí)行的事務清單；

　　（2）這些事務最近一個日志記錄的地址。

　　重新開始文件用來記錄各個檢查點記錄在日志文件中的地址。

　　02動態(tài)維護日志文件的方法

　　動態(tài)維護日志文件的方法是，周期性地執(zhí)行如下操作：建立檢查點，保存數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。具體步驟是：

　　（1）將當前日志緩沖區(qū)中的所有日志記錄寫入磁盤的日志文件上；

　　（2）在日志文件中寫入一個檢查點記錄；

　　（3）將當前數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)記錄寫入磁盤的數(shù)據(jù)庫中；

　　（4）把檢查點記錄在日志文件中的地址寫入一個重新開始文件。

　　恢復子系統(tǒng)可以定期或不定期地建立檢查點保存數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。檢查點可以按照預定的一個時間間隔建立，也可以按照某種規(guī)則建立檢查點。

　　03恢復步驟

　　系統(tǒng)使用檢查點方法進行恢復的步驟是：

　　（1）從重新開始文件中找到最后一個檢查點記錄在日志文件中的地址，由該地址在日志文件中找到最后一個檢查點記錄；

　　（2）由該檢查點記錄得到檢查點建立時刻所有正在執(zhí)行的事務清單；

　　（3）從檢查點開始正向掃描日志文件；

　　（4）對UNDO_LIST中的每個事務執(zhí)行UNDO操作，對REDO_LIST中的每個事務執(zhí)行REDO操作。

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　　七、數(shù)據(jù)庫鏡像

　　01定義

　　數(shù)據(jù)庫鏡像是指根據(jù)DBA的要求，自動把整個數(shù)據(jù)庫或其中的關鍵數(shù)據(jù)復制到另一個磁盤上。每當主數(shù)據(jù)庫更新時，DBMS自動把更新后的數(shù)據(jù)復制過去，即DBMS自動保證鏡像數(shù)據(jù)與主數(shù)據(jù)庫的一致性。

　　02用處

　　（1）用于數(shù)據(jù)庫恢復

　　當出現(xiàn)介質故障時，可由鏡像磁盤繼續(xù)提供使用，同時 DBMS 自動利用鏡像磁盤數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫的恢復，不需要關閉系統(tǒng)和重裝數(shù)據(jù)庫副本。

　　（2）提高數(shù)據(jù)庫的可用性

　　在沒有出現(xiàn)故障時，當一個用戶對某個數(shù)據(jù)加排它鎖進行修改時，其他用戶可以讀鏡像數(shù)據(jù)庫上的數(shù)據(jù)，而不必等待該用戶釋放鎖。