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1、数据库系统概论数据库系统概论An Introduction to Database System第六章第六章 数据库恢复技术数据库恢复技术An Introduction to Database System第六章第六章 数据库恢复技术数据库恢复技术6.1 事务的基本概念事务的基本概念6.2 数据库恢复概述数据库恢复概述6.3 故障的种类故障的种类6.4 恢复的实现技术恢复的实现技术6.5 恢复策略恢复策略6.6 具有检查点的恢复技术具有检查点的恢复技术6.7 数据库镜像数据库镜像6.8 小结小结An Introduction to Database System6.1 事务的基本概念事务的基本
2、概念一、事务定义 二、事务的特性An Introduction to Database System一、事务一、事务(Transaction)v定义一个数据库操作序列一个不可分割的工作单位恢复和并发控制的基本单位v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An Introduction to Database System定义事务定义事务v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 ROLLBACKv
3、隐式方式当用户没有显式地定义事务时，DBMS按缺省规定自动划分事务An Introduction to Database System二、事务的特性二、事务的特性(ACID特性特性)事务的ACID特性：v原子性（Atomicity）v一致性（Consistency）v隔离性（Isolation）v持续性（Durability）An Introduction to Database System6.2 数据库恢复概述数据库恢复概述v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。v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)
4、An Introduction to Database System故障的种类故障的种类v事务内部的故障v系统故障v介质故障v计算机病毒An Introduction to Database System一、事务内部的故障一、事务内部的故障v事务内部的故障n 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)n 有的是非预期的An Introduction to Database System事务内部的故障（续）事务内部的故障（续）v例如，银行转账事务，这个事务把一笔金额从一个账户甲转给另一个账户乙。BEGIN TRANSACTION 读账户甲的余额BALANCE；BALANCE=BA
5、LANCE-AMOUNT；(AMOUNT 为转账金额)写回BALANCE；IF(BALANCE 0)THEN 打印金额不足，不能转账；ROLLBACK；(撤销刚才的修改，恢复事务)ELSE 读账户乙的余额BALANCE1；BALANCE1=BALANCE1+AMOUNT；写回BALANCE1；COMMIT；An Introduction to Database System事务内部的故障（续）事务内部的故障（续）v这个例子所包括的两个更新操作要么全部完成要么全部不做。否则就会使数据库处于不一致状态，例如只把账户甲的余额减少了而没有把账户乙的余额增加。v在这段程序中若产生账户甲余额不足的情况，应
6、用程序可以发现并让事务滚回，撤销已作的修改，恢复数据库到正确状态。An Introduction to Database System事务内部的故障（续）事务内部的故障（续）v事务内部更多的故障是非预期的，是不能由应用程序处理的。n运算溢出n并发事务发生死锁而被选中撤销该事务n违反了某些完整性限制等 以后，事务故障仅指这类非预期的故障v事务故障的恢复：撤消事务（UNDO）An Introduction to Database System二、系统故障二、系统故障v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。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
7、破坏数据库内存中数据库缓冲区的信息全部丢失An Introduction to Database System系统故障的常见原因系统故障的常见原因v特定类型的硬件错误（如CPU故障）v操作系统故障vDBMS代码错误v系统断电An Introduction to Database System系统故障的恢复系统故障的恢复v发生系统故障时，事务未提交恢复策略：强行撤消（恢复策略：强行撤消（UNDO）所有未完成事务）所有未完成事务v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（恢复策略：重做（REDO）所有已提交的事务）所有已提交的事务An Introductio
8、n to Database System三、介质故障三、介质故障v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An Introduction to Database System介质故障的恢复介质故障的恢复v装入数据库发生介质故障前某个时刻的数据副本v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An Introduction to Database System四、计算机病毒四、计算机病毒v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v危害破坏、盗窃系统中的数据破坏系统文件An Introductio
9、n to Database System故障小结故障小结v各类故障，对数据库的影响有两种可能性n一是数据库本身被破坏n二是数据库没有被破坏，但数据可能不正确，这是由于事务的运行被非正常终止造成的。An Introduction to Database System6.4 恢复的实现技术恢复的实现技术v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v恢复机制涉及的关键问题1.如何建立冗余数据n数据转储（backup）n登录日志文件（logging）2.如何利用这些冗余数据实施数据库恢复An Introduction to Database Sy
10、stem6.4.1 数据转储数据转储一、什么是数据转储二、转储方法An Introduction to Database System一、什么是数据转储一、什么是数据转储v转储是指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v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An Introduction to Database System二、转储方法二、转储方法1静态转储与动态转储2海量转储与增量转储3转储方法小结An Introduction to Database System静态转储静态转储v在系统中
11、无运行事务时进行的转储操作v转储开始时数据库处于一致性状态v转储期间不允许对数据库的任何存取、修改活动v得到的一定是一个数据一致性的副本 v优点：实现简单v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An Introduction to Database System动态转储动态转储v转储操作与用户事务并发进行v转储期间允许对数据库进行存取或修改v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v动态转储的缺点不能保证副本中的数据正确有效例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
12、，后备副本上的A已是过时的数据了An Introduction to Database System动态转储动态转储v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An Introduction to Database System2海量转储与增量转储海量转储与增量转储v海量转储:每次转储全部数据库v增量转储:只转储上次转储后更新过的数据v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An
13、Introduction to Database System3转储方法小结转储方法小结v转储方法分类转储状态转储状态动态转储动态转储静态转储静态转储转储转储方式方式海量转储海量转储动态海量转储动态海量转储静态海量转储静态海量转储增量转储增量转储动态增量转储动态增量转储静态增量转储静态增量转储An Introduction to Database System6.4 恢复的实现技术恢复的实现技术6.4.1 数据转储6.4.2 登记日志文件An Introduction to Database System6.4.2 登记日志文件登记日志文件一、日志文件的格式和内容二、日志文件的作用三、登记日志
14、文件An Introduction to Database System一、日志文件的格式和内容一、日志文件的格式和内容v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v日志文件的格式n以记录为单位的日志文件n以数据块为单位的日志文件An Introduction to Database System日志文件的格式和内容（续）日志文件的格式和内容（续）v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 以上均作为日志文件中的一个日志记录(log record)An
15、 Introduction to Database System日志文件的格式和内容（续）日志文件的格式和内容（续）v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）An Introduction to Database System日志文件的格式和内容（续）日志文件的格式和内容（续）v以数据块为单位的日志文件，每条日志记录的内容事务标识（标明是那个事务）被更新的数据块An Introduction to Database Syst
16、em二、日志文件的作用二、日志文件的作用v进行事务故障恢复v进行系统故障恢复v协助后备副本进行介质故障恢复An Introduction to Database System利用静态转储副本和日志文件进行利用静态转储副本和日志文件进行恢复恢复 静态静态转储转储 运行事务运行事务 正常运行正常运行 Ta Ta Tb Tb TfTf 重装后备副本重装后备副本 利用日志文件恢复利用日志文件恢复 继续运行继续运行恢复恢复 登记日志文件登记日志文件An Introduction to Database System利用静态转储副本和日志文件进行恢复利用静态转储副本和日志文件进行恢复（续）（续）上图中：v
17、系统在Ta时刻停止运行事务，进行数据库转储v在Tb时刻转储完毕，得到Tb时刻的数据库一致性副本v系统运行到Tf时刻发生故障v为恢复数据库，首先由DBA重装数据库后备副本，将数据库恢复至Tb时刻的状态v重新运行自TbTf时刻的所有更新事务，把数据库恢复到故障发生前的一致状态An Introduction to Database System三、登记日志文件三、登记日志文件v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 写到日志文件写数据库操作：把对数据的修改写到数据库中An Introduction to Database S
18、ystem登记日志文件（续）登记日志文件（续）v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An Introduction to Database System6.5 恢复策略恢复策略6.5.1 事务故障的恢复事务故障的恢复6.5.2 系统故障的恢复系统故障的恢复6.5.3 介质故障的恢复介质故障的恢复An Introduction to Database Sys
19、tem6.5.1 事务故障的恢复事务故障的恢复v事务故障：事务在运行至正常终止点前被终止v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v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An Introduction to Database System事务故障的恢复步骤事务故障的恢复步骤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
20、改前值代替修改后值 An Introduction to Database System事务故障的恢复步骤事务故障的恢复步骤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。An Introduction to Database System6.5 恢复策略恢复策略6.5.1 事务故障的恢复事务故障的恢复6.5.2 系统故障的恢复系统故障的恢复6.5.3 介质故障的恢复介质故障的恢复An Introduction to Database System6.5.2 系统故障的恢复系统故障的恢复v系统故障造成数据库不一
21、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v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v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An Introduction to Database System系统故障的恢复系统故障的恢复步骤步骤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
22、相应的COMMIT记录An Introduction to Database System系统故障的恢复步骤系统故障的恢复步骤2.对撤销(Undo)队列事务进行撤销(UNDO)处理n反向扫描日志文件，对每个UNDO事务的更新操作执行逆操作n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n正向扫描日志文件，对每个REDO事务重新执行登记的操作n即将日志记录中“更新后的值”写入数据库 An Introduction to Database System6.5 恢复策略恢复策略6.5.1 事务故障的恢复事务故障的恢复6.5.2 系统故障的恢复系统故障的
23、恢复6.5.3 介质故障的恢复介质故障的恢复An Introduction to Database System6.5.3 介质故障的恢复介质故障的恢复1.重装数据库2.重做已完成的事务An Introduction to Database System介质故障的恢复（续）介质故障的恢复（续）v恢复步骤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。n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n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，利用与恢复系统故障的方法（即REDO+UNDO），才能将数据库恢复到一致
24、性状态。An Introduction to Database System介质故障的恢复（续）介质故障的恢复（续）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。An Introduction to Database System介质故障的恢复（续）介质故障的恢复（续）介质故障的恢复需要DBA介入vDBA的工作重装最近转储的数据库副本和有关的各日志文件副本执行系统提供的恢复命令v具体的恢复操作仍由D
25、BMS完成An Introduction to Database System6.6 具有检查点的恢复技术具有检查点的恢复技术一、问题的提出二、检查点技术三、利用检查点的恢复策略An Introduction to Database System一、问题的提出一、问题的提出v两个问题搜索整个日志将耗费大量的时间REDO处理：重新执行，浪费了大量时间An Introduction to Database System解决方案解决方案v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An Int
26、roduction to Database System二、检查点技术二、检查点技术v检查点记录的内容1.建立检查点时刻所有正在执行的事务清单2.这些事务最近一个日志记录的地址v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An Introduction to Database System检查点技术（续）检查点技术（续）具有检查点的日志文件和重新开始文件 An Introduction to Database System动态维护日志文件的方法动态维护日志文件的方法v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：n1.将当前日志缓冲区中的所有日志
27、记录写入磁盘的日志文件上n2.在日志文件中写入一个检查点记录n3.将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中n4.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An Introduction to Database System建立检查点建立检查点v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 n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 n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An Introduction to Database System三、利用检查点的恢复策略三、利用检查点的恢复策略v使用检查点方法可以改善恢复效率n当事务T在一个检查点
28、之前提交 T对数据库所做的修改已写入数据库n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 n在进行恢复处理时，没有必要对事务T执行REDO操作An Introduction to Database System利用检查点的恢复策略（续）利用检查点的恢复策略（续）Tc(检查点检查点)Tf(系统故障系统故障)REDOUNDOUNDO REDOT2T3T4T5不要不要REDOT1系统出现故障时，恢复子系统将根据事务的不同状态采取不同的恢复策略 An Introduction to Database System利用检查点的恢复策略（续）利用检查点的恢复策略（续）nT1：在检查点之前提交nT2
29、：在检查点之前开始执行，在检查点之后故障点之前提交nT3：在检查点之前开始执行，在故障点时还未完成nT4：在检查点之后开始执行，在故障点之前提交nT5：在检查点之后开始执行，在故障点时还未完成恢复策略：nT3和T5在故障发生时还未完成，所以予以撤销nT2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REDOnT1在检查点之前已提交，所以不必执行REDO操作An Introduction to Database System利用检查点的恢复步骤利用检查点的恢复步骤 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
30、件中找到最后一个检查点记录An Introduction to Database System利用检查点的恢复策略（续）利用检查点的恢复策略（续）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。An Introduction to Database System利用检查点的恢复策略（续）利用检查点的恢复策略（续）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
31、Tj，把Tj从UNDO-LIST队列移到REDO-LIST队列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An Introduction to Database System6.7 数据库镜像数据库镜像v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介质故障恢复比较费时为预防介质故障，DBA必须周期性地转储数据库v提高数据库可用性的解决方案数据库镜像（Mirror）An Introduction to Database System数据库镜像（续）数据库镜像（续）v数据库镜像DBMS自动把整个数据库或其中的关键数据复制到
32、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（如下图所示）An Introduction to Database System数据库镜像（续）数据库镜像（续）An Introduction to Database System数据库镜像的用途数据库镜像的用途v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(如下图所示)An Introduction to Database System数据库镜像（续）数据库镜像（续）v没有出现故障时n可用于并发操作n一个用户
33、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 An Introduction to Database System数据库镜像（续）数据库镜像（续）v频繁地复制数据自然会降低系统运行效率n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An Introduction to Database System6.8 小结小结v如果数据库只包含成功事务提交的结果，就说数据库处于一致性状态。保证数据一致性是对数据库的最基本的要求。v事务是数据库的逻辑工作单位DBMS保证系统中一切事务的原子性、一致性、隔离性和持续性An Introducti
34、on to Database System小结（续）小结（续）vDBMS必须对事务故障、系统故障和介质故障进行恢复v恢复中最经常使用的技术：数据库转储和登记日志文件v恢复的基本原理：利用存储在后备副本、日志文件和数据库镜像中的冗余数据来重建数据库An Introduction to Database System小结（续）小结（续）v常用恢复技术事务故障的恢复UNDO系统故障的恢复UNDO+REDO介质故障的恢复重装备份并恢复到一致性状态+REDOAn Introduction to Database System小结（续）小结（续）v提高恢复效率的技术检查点技术可以提高系统故障的恢复效率可以在一定程度上提高利用动态转储备份进行介质故障恢复的效率镜像技术镜像技术可以改善介质故障的恢复效率An Introduction to Database System