數(shù)據(jù)庫原理第10章

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論AnIntroductiontoDatabaseSystem第十章

數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)2/5/20231xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8小結(jié)2/5/20232xuyuezhu@10.1事務(wù)的基本概念一、什么是事務(wù)二、如何定義事務(wù)三、事務(wù)的特性2/5/20233xuyuezhu@一、什么是事務(wù)事務(wù)(Transaction)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(wù)和程序是兩個概念在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，一個事務(wù)可以是一條SQL語句，一組SQL語句或整個程序一個應(yīng)用程序通常包含多個事務(wù)事務(wù)是恢復和并發(fā)控制的基本單位2/5/20234xuyuezhu@二、如何定義事務(wù)顯式定義方式

BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONSQL語句1SQL語句1

SQL語句2SQL語句2。。。。。。。。。。COMMITROLLBACK隱式方式當用戶沒有顯式地定義事務(wù)時，DBMS按缺省規(guī)定自動劃分事務(wù)2/5/20235xuyuezhu@事務(wù)結(jié)束COMMIT事務(wù)正常結(jié)束提交事務(wù)的所有操作（讀+更新）事務(wù)中所有對數(shù)據(jù)庫的更新永久生效ROLLBACK事務(wù)異常終止事務(wù)運行的過程中發(fā)生了故障，不能繼續(xù)執(zhí)行回滾事務(wù)的所有更新操作事務(wù)滾回到開始時的狀態(tài)2/5/20236xuyuezhu@三、事務(wù)的特性(ACID特性)事務(wù)的ACID特性：原子性（Atomicity）一致性（Consistency）隔離性（Isolation）持續(xù)性（Durability）2/5/20237xuyuezhu@1.原子性事務(wù)是數(shù)據(jù)庫的邏輯工作單位事務(wù)中包括的諸操作要么都做，要么都不做2/5/20238xuyuezhu@2.一致性事務(wù)執(zhí)行的結(jié)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)一致性狀態(tài)：數(shù)據(jù)庫中只包含成功事務(wù)提交的結(jié)果不一致狀態(tài)：數(shù)據(jù)庫中包含失敗事務(wù)的結(jié)果2/5/20239xuyuezhu@3.隔離性對并發(fā)執(zhí)行而言一個事務(wù)的執(zhí)行不能被其他事務(wù)干擾一個事務(wù)內(nèi)部的操作及使用的數(shù)據(jù)對其他并發(fā)事務(wù)是隔離的并發(fā)執(zhí)行的各個事務(wù)之間不能互相干擾2/5/202310xuyuezhu@4.持續(xù)性持續(xù)性也稱永久性（Permanence）一個事務(wù)一旦提交，它對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的改變就應(yīng)該是永久性的。接下來的其他操作或故障不應(yīng)該對其執(zhí)行結(jié)果有任何影響。2/5/202311xuyuezhu@事務(wù)的特性保證事務(wù)ACID特性是事務(wù)處理的任務(wù)破壞事務(wù)ACID特性的因素多個事務(wù)并行運行時，不同事務(wù)的操作交叉執(zhí)行事務(wù)在運行過程中被強行停止2/5/202312xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8Oracle的恢復技術(shù)10.9小結(jié)2/5/202313xuyuezhu@10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述故障是不可避免的計算機硬件故障系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的錯誤操作員的失誤惡意的破壞故障的影響運行事務(wù)非正常中斷破壞數(shù)據(jù)庫2/5/202314xuyuezhu@數(shù)據(jù)庫恢復概述（續(xù)）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對故障的對策DBMS提供恢復子系統(tǒng)保證故障發(fā)生后，能把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)從錯誤狀態(tài)恢復到某種邏輯一致的狀態(tài)保證事務(wù)ACID恢復技術(shù)是衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標2/5/202315xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8小結(jié)2/5/202316xuyuezhu@一、事務(wù)故障什么是事務(wù)故障某個事務(wù)在運行過程中由于種種原因未運行至正常終止點就夭折了事務(wù)故障的常見原因輸入數(shù)據(jù)有誤運算溢出違反了某些完整性限制某些應(yīng)用程序出錯并行事務(wù)發(fā)生死鎖。。。。2/5/202317xuyuezhu@事務(wù)故障的恢復發(fā)生事務(wù)故障時，夭折的事務(wù)可能已把對數(shù)據(jù)庫的部分修改寫回磁盤事務(wù)故障的恢復：撤消事務(wù)（UNDO）強行回滾（ROLLBACK）該事務(wù)清除該事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的所有修改，使得這個事務(wù)象根本沒有啟動過一樣2/5/202318xuyuezhu@二、系統(tǒng)故障什么是系統(tǒng)故障整個系統(tǒng)的正常運行突然被破壞所有正在運行的事務(wù)都非正常終止內(nèi)存中數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)的信息全部丟失外部存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)未受影響2/5/202319xuyuezhu@系統(tǒng)故障的常見原因操作系統(tǒng)或DBMS代碼錯誤操作員操作失誤特定類型的硬件錯誤（如CPU故障）突然停電2/5/202320xuyuezhu@10.3故障的種類事務(wù)故障系統(tǒng)故障介質(zhì)故障2/5/202321xuyuezhu@三、介質(zhì)故障硬件故障使存儲在外存中的數(shù)據(jù)部分丟失或全部丟失介質(zhì)故障比前兩類故障的可能性小得多，但破壞性大得多2/5/202322xuyuezhu@介質(zhì)故障的常見原因硬件故障磁盤損壞磁頭碰撞操作系統(tǒng)的某種潛在錯誤瞬時強磁場干擾2/5/202323xuyuezhu@介質(zhì)故障的恢復裝入數(shù)據(jù)庫發(fā)生介質(zhì)故障前某個時刻的數(shù)據(jù)副本重做自此時始的所有成功事務(wù)，將這些事務(wù)已提交的結(jié)果重新記入數(shù)據(jù)庫2/5/202324xuyuezhu@恢復操作的基本原理恢復操作的基本原理：冗余利用存儲在系統(tǒng)其它地方的冗余數(shù)據(jù)來重建數(shù)據(jù)庫中已被破壞或不正確的那部分數(shù)據(jù)恢復的實現(xiàn)技術(shù)：復雜一個大型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，恢復子系統(tǒng)的代碼要占全部代碼的10%以上2/5/202325xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8小結(jié)2/5/202326xuyuezhu@10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)恢復機制涉及的關(guān)鍵問題1.如何建立冗余數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲（backup）登錄日志文件（logging）2.如何利用這些冗余數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)庫恢復

2/5/202327xuyuezhu@10.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲一、什么是轉(zhuǎn)儲二、轉(zhuǎn)儲的用途三、轉(zhuǎn)儲方法2/5/202328xuyuezhu@一、什么是轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲是指DBA將整個數(shù)據(jù)庫復制到磁帶或另一個磁盤上保存起來的過程。這些備用的數(shù)據(jù)文本稱為后備副本或后援副本。2/5/202329xuyuezhu@轉(zhuǎn)儲

故障發(fā)生點

轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────TaTbTf

重裝后備副本

重新運行事務(wù)恢復

─┼───────┴－－－－－－－－－－－－→2/5/202330xuyuezhu@三、轉(zhuǎn)儲方法1．靜態(tài)轉(zhuǎn)儲與動態(tài)轉(zhuǎn)儲2．海量轉(zhuǎn)儲與增量轉(zhuǎn)儲3．轉(zhuǎn)儲方法小結(jié)2/5/202331xuyuezhu@1．靜態(tài)轉(zhuǎn)儲在系統(tǒng)中無運行事務(wù)時進行轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲開始時數(shù)據(jù)庫處于一致性狀態(tài)轉(zhuǎn)儲期間不允許對數(shù)據(jù)庫的任何存取、修改活動優(yōu)點：實現(xiàn)簡單缺點：降低了數(shù)據(jù)庫的可用性轉(zhuǎn)儲必須等用戶事務(wù)結(jié)束新的事務(wù)必須等轉(zhuǎn)儲結(jié)束2/5/202332xuyuezhu@利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進行恢復

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────TaTbTf

重裝后備副本

恢復

─┼───────┥2/5/202333xuyuezhu@動態(tài)轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲操作與用戶事務(wù)并發(fā)進行轉(zhuǎn)儲期間允許對數(shù)據(jù)庫進行存取或修改優(yōu)點不用等待正在運行的用戶事務(wù)結(jié)束不會影響新事務(wù)的運行動態(tài)轉(zhuǎn)儲的缺點不能保證副本中的數(shù)據(jù)正確有效2/5/202334xuyuezhu@動態(tài)轉(zhuǎn)儲利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲得到的副本進行故障恢復需要把動態(tài)轉(zhuǎn)儲期間各事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的修改活動登記下來，建立日志文件后備副本加上日志文件才能把數(shù)據(jù)庫恢復到某一時刻的正確狀態(tài)2/5/202335xuyuezhu@利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進行恢復

運行事務(wù)

故障發(fā)生點

動態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────TaTbTf重裝后備副本

利用日志文件恢復恢復

━━━━━━╋━━━┥2/5/202336xuyuezhu@利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進行恢復

TaTbTf

動態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

故障發(fā)生點正常運行─┼───────┼─────────────登記日志文件登記新日志文件─────────┼─────────────

轉(zhuǎn)儲日志文件

重裝后備副本，然后利用轉(zhuǎn)儲的日志文件恢復恢復到一

━━━━━━┥致性狀態(tài)2/5/202337xuyuezhu@2．海量轉(zhuǎn)儲與增量轉(zhuǎn)儲海量轉(zhuǎn)儲:每次轉(zhuǎn)儲全部數(shù)據(jù)庫增量轉(zhuǎn)儲:只轉(zhuǎn)儲上次轉(zhuǎn)儲后更新過的數(shù)據(jù)海量轉(zhuǎn)儲與增量轉(zhuǎn)儲比較從恢復角度看，使用海量轉(zhuǎn)儲得到的后備副本進行恢復往往更方便但如果數(shù)據(jù)庫很大，事務(wù)處理又十分頻繁，則增量轉(zhuǎn)儲方式更實用更有效2/5/202338xuyuezhu@3．轉(zhuǎn)儲方法小結(jié)轉(zhuǎn)儲方法分類

轉(zhuǎn)儲狀態(tài)動態(tài)轉(zhuǎn)儲靜態(tài)轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲方式海量轉(zhuǎn)儲動態(tài)海量轉(zhuǎn)儲靜態(tài)海量轉(zhuǎn)儲增量轉(zhuǎn)儲動態(tài)增量轉(zhuǎn)儲靜態(tài)增量轉(zhuǎn)儲2/5/202339xuyuezhu@轉(zhuǎn)儲策略應(yīng)定期進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，制作后備副本。但轉(zhuǎn)儲又是十分耗費時間和資源的，不能頻繁進行。DBA應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)庫使用情況確定適當?shù)霓D(zhuǎn)儲周期和轉(zhuǎn)儲方法。例：每天晚上進行動態(tài)增量轉(zhuǎn)儲每周進行一次動態(tài)海量轉(zhuǎn)儲每月進行一次靜態(tài)海量轉(zhuǎn)儲2/5/202340xuyuezhu@10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲10.4.2登記日志文件2/5/202341xuyuezhu@10.4.2登記日志文件一、日志文件的內(nèi)容二、日志文件的用途三、登記日志文件的原則2/5/202342xuyuezhu@一、日志文件的內(nèi)容1.什么是日志文件日志文件(log)是用來記錄事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新操作的文件2.日志文件的格式以記錄為單位的日志文件以數(shù)據(jù)塊為單位的日志文件2/5/202343xuyuezhu@日志文件的內(nèi)容（續(xù)）3.日志文件內(nèi)容各個事務(wù)的開始標記(BEGINTRANSACTION)各個事務(wù)的結(jié)束標記(COMMIT或ROLLBACK)各個事務(wù)的所有更新操作與事務(wù)有關(guān)的內(nèi)部更新操作日志文件中的一個日志記錄(logrecord)2/5/202344xuyuezhu@4.基于記錄的日志文件每條日志記錄的內(nèi)容事務(wù)標識操作類型（插入、刪除或修改）操作對象（記錄ID、BlockNO.）更新前數(shù)據(jù)的舊值（對插入操作而言，此項為空值）更新后數(shù)據(jù)的新值（對刪除操作而言,此項為空值）2/5/202345xuyuezhu@二、日志文件的用途1．用途進行事務(wù)故障恢復進行系統(tǒng)故障恢復協(xié)助后備副本進行介質(zhì)故障恢復2/5/202346xuyuezhu@日志文件的用途（續(xù)）2．與靜態(tài)轉(zhuǎn)儲后備副本配合進行介質(zhì)故障恢復靜態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)已是一致性的數(shù)據(jù)如果靜態(tài)轉(zhuǎn)儲完成后，仍能定期轉(zhuǎn)儲日志文件，則在出現(xiàn)介質(zhì)故障重裝數(shù)據(jù)副本后，可以利用這些日志文件副本對已完成的事務(wù)進行重做處理這樣不必重新運行那些已完成的事務(wù)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)2/5/202347xuyuezhu@日志文件的用途（續(xù)）

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲運行事務(wù)↓正常運行─┼──────┼──────────┼──TaTbTf

登記日志文件└───────────┴──

重裝后備副本利用日志文件恢復事務(wù)繼續(xù)運行介質(zhì)故障恢復─────────┴－－－－－─－－－－－－－┴──────

登記日志文件└──────2/5/202348xuyuezhu@日志文件的用途（續(xù)）3．介質(zhì)故障恢復：LOGFILE+動態(tài)轉(zhuǎn)儲后備副本動態(tài)轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)庫：同時轉(zhuǎn)儲同一時點的日志文件后備副本與該日志文件結(jié)合起來才能將數(shù)據(jù)庫恢復到一致性狀態(tài)。利用這些日志文件副本進一步恢復事務(wù)，避免重新運行事務(wù)程序。2/5/202349xuyuezhu@三、登記日志文件的原則為保證數(shù)據(jù)庫是可恢復的，登記日志文件時必須遵循兩條原則登記的次序嚴格按并行事務(wù)執(zhí)行的時間次序必須先寫日志文件，后寫數(shù)據(jù)庫寫日志文件操作：把表示這個修改的日志記錄寫到日志文件寫數(shù)據(jù)庫操作：把對數(shù)據(jù)的修改寫到數(shù)據(jù)庫中2/5/202350xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8小結(jié)2/5/202351xuyuezhu@10.5恢復策略10.5.1事務(wù)故障的恢復10.5.2系統(tǒng)故障的恢復10.5.3介質(zhì)故障的恢復2/5/202352xuyuezhu@10.5.1事務(wù)故障的恢復事務(wù)故障：事務(wù)在運行至正常終止點前被中止恢復方法由恢復子系統(tǒng)應(yīng)利用日志文件撤消（UNDO）此事務(wù)已對數(shù)據(jù)庫進行的修改事務(wù)故障的恢復由系統(tǒng)自動完成，不需要用戶干預2/5/202353xuyuezhu@事務(wù)故障的恢復步驟1.反向掃描文件日志（即從最后向前掃描日志文件），查找該事務(wù)的更新操作。2.對該事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作。即將日志記錄中“更新前的值”（BeforImage,BI）寫入數(shù)據(jù)庫。插入操作，“更新前的值”為空，則相當于做刪除操作刪除操作，“更新后的值”為空，則相當于做插入操作若是修改操作，則用BI代替AI（AfterImage）2/5/202354xuyuezhu@事務(wù)故障的恢復步驟3.繼續(xù)反向掃描日志文件，查找該事務(wù)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(wù)的開始標記，事務(wù)故障恢復就完成了。2/5/202355xuyuezhu@10.5.2系統(tǒng)故障的恢復系統(tǒng)故障造成數(shù)據(jù)庫不一致狀態(tài)的原因一些未完成事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新已寫入數(shù)據(jù)庫一些已提交事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新還留在緩沖區(qū)沒來得及寫入數(shù)據(jù)庫恢復方法1.Undo故障發(fā)生時未完成的事務(wù)2.Redo已完成的事務(wù)系統(tǒng)故障的恢復由系統(tǒng)在重新啟動時自動完成，不需要用戶干預2/5/202356xuyuezhu@10.5.3介質(zhì)故障的恢復1.重裝數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫恢復到一致性狀態(tài)2.重做已完成的事務(wù)2/5/202357xuyuezhu@10.5.3介質(zhì)故障的恢復恢復步驟1.裝入最新的后備數(shù)據(jù)庫副本，使數(shù)據(jù)庫恢復到最近一次轉(zhuǎn)儲時的一致性狀態(tài)。對于靜態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本，裝入后數(shù)據(jù)庫即處于一致性狀態(tài)對于動態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本，還須同時裝入轉(zhuǎn)儲時刻的日志文件副本，利用與恢復系統(tǒng)故障相同的方法（即REDO+UNDO），才能將數(shù)據(jù)庫恢復到一致性狀態(tài)。2/5/202358xuyuezhu@介質(zhì)故障的恢復（續(xù)）2.裝入有關(guān)的日志文件副本，重做已完成的事務(wù)。首先掃描日志文件，找出故障發(fā)生時已提交的事務(wù)的標識，將其記入重做隊列。然后正向掃描日志文件，對重做隊列中的所有事務(wù)進行重做處理。即將日志記錄中“更新后的值”寫入數(shù)據(jù)庫。2/5/202359xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫鏡像10.8小結(jié)2/5/202360xuyuezhu@10.6具有檢查點的恢復技術(shù)一、問題的提出二、檢查點技術(shù)三、利用檢查點的恢復策略2/5/202361xuyuezhu@一、問題的提出兩個問題搜索整個日志將耗費大量的時間REDO處理：重新執(zhí)行，浪費了大量時間2/5/202362xuyuezhu@解決方案具有檢查點（checkpoint）的恢復技術(shù)在日志文件中增加檢查點記錄（checkpoint）增加重新開始文件恢復子系統(tǒng)在登錄日志文件期間動態(tài)地維護日志2/5/202363xuyuezhu@2/5/202364xuyuezhu@二、檢查點技術(shù)檢查點記錄的內(nèi)容1.建立檢查點時刻所有正在執(zhí)行的事務(wù)清單2.這些事務(wù)最近一個日志記錄的地址重新開始文件的內(nèi)容記錄各個檢查點記錄在日志文件中的地址2/5/202365xuyuezhu@2/5/202366xuyuezhu@在檢查點維護日志文件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。2/5/202367xuyuezhu@建立檢查點定期按照預定的一個時間間隔不定期按照某種規(guī)則，如日志文件已寫滿一半建立一個檢查點2/5/202368xuyuezhu@三、利用檢查點的恢復策略當事務(wù)T在一個檢查點之前提交T對數(shù)據(jù)庫所做的修改已寫入數(shù)據(jù)庫在進行恢復處理時，沒有必要對事務(wù)T執(zhí)行REDO操作2/5/202369xuyuezhu@利用檢查點的恢復策略（續(xù)）Tc(檢查點)Tf(系統(tǒng)故障)

REDOUNDOUNDO

REDOT2T3T4T5不要REDOT12/5/202370xuyuezhu@利用檢查點的恢復步驟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2由該地址在日志文件中找到最后一個檢查點記錄2/5/202371xuyuezhu@第十章數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù)10.1事務(wù)的基本概念10.2數(shù)據(jù)庫恢復概述10.3故障的種類10.4恢復的實現(xiàn)技術(shù)10.5恢復策略10.6具有檢查點的恢復技術(shù)10.7數(shù)據(jù)庫