數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用：第17章 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)

第十七章數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用PrincipleandApplicationofDatabasesystem數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是由DBMS統(tǒng)一管理和控制的，為了適應(yīng)數(shù)據(jù)共享的環(huán)境，DBMS必須提供數(shù)據(jù)保護能力，以保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全可靠和正確有效。安全性完整性數(shù)據(jù)庫恢復(fù)并發(fā)控制第十七章數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)17.1事務(wù)的基本概念17.2數(shù)據(jù)庫恢復(fù)概述17.3故障的種類17.4恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)17.5恢復(fù)策略17.6具有檢查點的恢復(fù)技術(shù)17.7數(shù)據(jù)庫鏡像17.1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(fù)和并發(fā)控制的基本單位二、如何定義事務(wù)顯式定義方式

BEGINTRANSACTIONCOMMITROLLBACK隱式方式當(dāng)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)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)回滾到開始時的狀態(tài)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）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2.一致性事務(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)果一致性與原子性銀行轉(zhuǎn)帳：從帳號A中取出一萬元，存入帳號B。定義一個事務(wù)，該事務(wù)包括兩個操作這兩個操作要么全做，要么全不做全做或者全不做，數(shù)據(jù)庫都處于一致性狀態(tài)。如果只做一個操作，數(shù)據(jù)庫就處于不一致性狀態(tài)。

B=B+1

A=A-1BA3.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T1的修改被T2覆蓋了！

讀A=16

A←A-3寫回A=13①讀A=16

②

③A←A-1

寫回A=15

④T2T14.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。事務(wù)的特性破壞事務(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17.2數(shù)據(jù)庫恢復(fù)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)庫數(shù)據(jù)庫恢復(fù)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(fù)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(fù)到某一正確狀態(tài)恢復(fù)技術(shù)是衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)17.3故障的種類一、事務(wù)故障二、系統(tǒng)故障三、介質(zhì)故障一、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終止點（COMMIT或ROLLBACK）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)生死鎖事務(wù)故障的恢復(fù)發(fā)生事務(wù)故障時，未完成的事務(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(fù)：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)象根本沒有運行過一樣二、系統(tǒng)故障什么是系統(tǒng)故障操作系統(tǒng)或DBMS代碼錯誤特定類型的硬件錯誤（如CPU故障）突然停電使得系統(tǒng)要重新啟動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)未受影響系統(tǒng)故障的恢復(fù)

清除尚未完成的事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的所有修改系統(tǒng)重新啟動時，恢復(fù)程序要強行撤消（UNDO）所有未完成事務(wù)將緩沖區(qū)中已完成事務(wù)提交的結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)重新啟動時，恢復(fù)程序需要重做（REDO）所有已提交的事務(wù)三、介質(zhì)故障磁盤損壞磁頭碰撞瞬時強磁場干擾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，但破壞性大得多介質(zhì)故障的恢復(fù)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)庫轉(zhuǎn)儲

故障發(fā)生點

轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

↓正常運行

─┼───────┼─────────────Ta

Tb

Tf

重裝后備副本

重新運行事務(wù)恢復(fù)

─┼───────┴－－－－－－－－－－－－→恢復(fù)操作的基本原理恢復(fù)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)17.4恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)恢復(fù)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)進行數(shù)據(jù)庫恢復(fù)

17.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲一、什么是轉(zhuǎn)儲二、轉(zhuǎn)儲方法一、什么是轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲是指DBA將整個數(shù)據(jù)庫復(fù)制到磁帶或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。二、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)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)束利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進行恢復(fù)

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

↓正常運行

─┼───────┼─────────────Ta

Tb

Tf

重裝后備副本

恢復(fù)

─┼───────┥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(fù)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(fù)到某一時刻的正確狀態(tài)利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進行恢復(fù)

Ta

Tb

Tf

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(fù)恢復(fù)到一

━━━━━━┥致性狀態(tài)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(fù)角度看，使用海量轉(zhuǎn)儲得到的后備副本進行恢復(fù)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(dāng)?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17.4恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)17.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲17.4.2登記日志文件17.4.2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內(nèi)容各個事務(wù)的開始標(biāo)記(BEGINTRANSACTION)各個事務(wù)的結(jié)束標(biāo)記(COMMIT或ROLLBACK)各個事務(wù)的所有更新操作每個事務(wù)開始的標(biāo)記、每個事務(wù)結(jié)束標(biāo)記和每個更新操作均作為日志文件的一個日志記錄(logrecord)3.基于記錄的日志文件3.基于記錄的日志文件更新操作的日志記錄的內(nèi)容事務(wù)標(biāo)識操作類型（插入、刪除或修改）操作對象更新前數(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）4.基于數(shù)據(jù)塊的日志文件每條日志記錄的內(nèi)容事務(wù)標(biāo)識（標(biāo)明是那個事務(wù)）更新前數(shù)據(jù)所在的整個數(shù)據(jù)塊更新后整個數(shù)據(jù)塊二、日志文件的用途1．用途進行事務(wù)故障恢復(fù)進行系統(tǒng)故障恢復(fù)協(xié)助后備副本進行介質(zhì)故障恢復(fù)日志文件的用途（續(xù)）與靜態(tài)轉(zhuǎn)儲后備副本配合進行介質(zhì)故障恢復(fù)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，又定期轉(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(fù)到故障前某一時刻的正確狀態(tài)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

─┼──────┼──────────┼──Ta

TbTf

登記日志文件

└───────────┴──

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

─────────┴－－－－－─－－－－－－－┴──────

登記日志文件

└──────日志文件的用途（續(xù)）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)儲同一時間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(fù)到一致性狀態(tài)。利用這些日志文件副本進一步恢復(fù)事務(wù)，避免重新運行事務(wù)程序。三、登記日志文件的原則為保證數(shù)據(jù)庫是可恢復(fù)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)庫中登記日志文件的原則（續(xù)）為什么要先寫日志文件寫數(shù)據(jù)庫和寫日志文件是兩個不同的操作在這兩個操作之間可能發(fā)生故障如果先寫了數(shù)據(jù)庫修改，而在日志文件中沒有登記下這個修改，則以后就無法恢復(fù)這個修改了如果先寫日志，但沒有修改數(shù)據(jù)庫，按日志文件恢復(fù)時只不過是多執(zhí)行一次不必要的UNDO操作，并不會影響數(shù)據(jù)庫的正確性17.5恢復(fù)策略17.5.1事務(wù)故障的恢復(fù)17.5.2系統(tǒng)故障的恢復(fù)17.5.3介質(zhì)故障的恢復(fù)17.5.1事務(wù)故障的恢復(fù)事務(wù)故障：事務(wù)在運行至正常終止點前被中止恢復(fù)方法由恢復(fù)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(fù)由系統(tǒng)自動完成，不需要用戶干預(yù)事務(wù)故障的恢復(fù)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”寫入數(shù)據(jù)庫。插入操作，“更新前的值”為空，則相當(dāng)于做刪除操作刪除操作，“更新后的值”為空，則相當(dāng)于做插入操作若是修改操作，則用更新前的值代替更新后的值事務(wù)故障的恢復(fù)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(biāo)記，事務(wù)故障恢復(fù)就完成了。17.5.2系統(tǒng)故障的恢復(fù)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)庫一些已完成事務(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(fù)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(fù)由系統(tǒng)在重新啟動時自動完成，不需要用戶干預(yù)系統(tǒng)故障的恢復(fù)步驟1. 正向掃描日志文件（即從頭掃描日志文件）Redo隊列:在故障發(fā)生前已經(jīng)提交的事務(wù)

T1,T3,T8…..Undo隊列:故障發(fā)生時尚未完成的事務(wù)

T2,T4,T5,T6,T7,T9…...系統(tǒng)故障的恢復(fù)步驟

2.對Undo隊列事務(wù)進行UNDO處理反向掃描日志文件，對每個UNDO事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作

T2,T4,T5,T6,T7,T9……3.對Redo隊列事務(wù)進行REDO處理正向掃描日志文件，對每個REDO事務(wù)重新執(zhí)行登記的操作

T1,T3,T8…..17.5.3介質(zhì)故障的恢復(fù)1.重裝數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)2.重做已完成的事務(wù)17.5.3介質(zhì)故障的恢復(fù)恢復(fù)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(fù)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)儲結(jié)束時刻的日志文件副本，利用與恢復(fù)系統(tǒng)故障相同的方法（即REDO+UNDO），才能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)。利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

↓正常運行

─┼───────┼─────────────Ta

Tb

Tf

登記日志文件

└─────────────

重裝后備副本

恢復(fù)

━━━━━━┥利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)

Ta

Tb

Tf

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(fù)恢復(fù)到一

━━━━━━┥致性狀態(tài)介質(zhì)故障的恢復(fù)（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(biāo)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。介質(zhì)故障的恢復(fù)（續(xù)）介質(zhì)故障的恢復(fù)需要DBA介入DBA的工作重裝最近轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本和有關(guān)的各日志文件副本執(zhí)行系統(tǒng)提供的恢復(fù)命令具體的恢復(fù)操作仍由DBMS完成第七章數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)17.1事務(wù)的基本概念17.2數(shù)據(jù)庫恢復(fù)概述17.3故障的種類17.4恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)17.5恢復(fù)策略17.6具有檢查點的恢復(fù)技術(shù)17.7數(shù)據(jù)庫鏡像17.6具有檢查點的恢復(fù)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(fù)策略一、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，浪費了大量時間解決方案具有檢查點（checkpoint）的恢復(fù)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(fù)子系統(tǒng)在登錄日志文件期間動態(tài)地維護日志二、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建立檢查點動態(tài)維護日志文件1. 將當(dāng)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(dāng)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。建立檢查點定期按照預(yù)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三、利用檢查點的恢復(fù)策略當(dāng)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(fù)處理時，沒有必要對事務(wù)T執(zhí)行RED