1、2020/7/5,数据库系统原理,1,第十章 数据库恢复技术 10.1 事务的基本概念 10.2 数据库恢复概述 10.3 故障的种类 10.4 恢复的实现技术 10.5 恢复策略 10.6 具有检查点的恢复技术 10.7 数据库镜像 10.8 小结,2020/7/5,数据库系统原理,2,10.1 事务的基本概念,一、什么是事务 二、如何定义事务 三、事务的特性,2020/7/5,数据库系统原理,3,一、什么是事务,事务(Transaction)是指用户定义的一个数据库操作 序列，这些操作要么全做，要么全不做，是一个不可 分割的工作单位,事务和程序是两个概念,事务是恢复和并发控制的基本单位,在
2、关系数据库中，一个事务可以是一条SQL语句， 一组SQL语句或整个程序,一个程序通常包含多个事务,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,数据库系统原理,2020/7/5,数据库系统原理,12,二、如何定义事务,BEGIN TRANSACTION SQL 语句1 SQL 语句2 COMMIT,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,显式方式 隐式方式,BEGIN TRANSACTION SQL 语句1 SQL 语句2 ROLLBACK,2020/7/5,数据库系统原理,13,撤销事务的所有更新操作 滚
3、回到事务开始时的状态,二、如何定义事务,事务结束,COMMIT ROLLBACK,事务异常终止 事务运行的过程中发生了故障，不能继续执行,事务正常结束 提交事务的所有操作（读+更新） 事务中所有对数据库的更新永久生效,2020/7/5,数据库系统原理,14,三、事务的特性（ACID特性）,事务的ACID特性：,原子性（Atomicity）,一致性（Consistency） 隔离性（Isolation） 持续性（Durability ）,2020/7/5,数据库系统原理,15,三、事务的特性（ACID特性）,原子性（Atomicity）,事务是数据库的逻辑工作单位,事务中包括的诸操作要么都做，要
4、么都不做,一致性（Consistency）,事务执行的结果必须是使数据库从一个一致性状态 变到另一个一致性状态,一致性状态 数据库中只包含成功事务提交的结果,不一致状态 数据库中包含失败事务的结果,2020/7/5,数据库系统原理,16,这两个操作要么全做，要么全不做 全做或者全不做，数据库都处于一致性状态。 如果只做一个操作，数据库就处于不一致性状态,三、事务的特性（ACID特性）,一致性与原子性,例：银行转帐：从帐号A中取出一万元，存入帐号B。,定义一个事务，该事务包括两个操作,2020/7/5,数据库系统原理,17,三、事务的特性（ACID特性）,隔离性（Isolation）,对并发执行
5、而言，一个事务的执行不能被其他事务干扰,一个事务内部的操作及使用的数据对其他并发事务 是隔离的,并发执行的各个事务之间不能互相干扰,T1的修改被T2覆盖了！,2020/7/5,数据库系统原理,18,三、事务的特性（ACID特性）,持续性（Durability）,持续性也称永久性（Permanence）,一个事务一旦提交，它对数据库中数据的改变就 应该是永久性的。,接下来的其他操作或故障不应该对其执行结果有 任何影响。,2020/7/5,数据库系统原理,19,三、事务的特性（ACID特性）,保证事务ACID特性是事务处理的任务,破坏事务ACID特性的因素,多个事务并行运行时，不同事务的操作交叉执
6、行。,事务在运行过程中被强行停止,2020/7/5,数据库系统原理,20,10.2 数据库恢复概述,故障是不可避免的,故障的影响,计算机硬件故障,系统软件和应用软件的错误,操作员的失误,恶意的破坏,运行事务非正常中断,破坏数据库,2020/7/5,数据库系统原理,21,数据库恢复概述,数据库管理系统对故障的对策,恢复技术是衡量系统优劣的重要指标,DBMS提供恢复子系统,保证故障发生后，能把数据库中的数据从错误状态 恢复到某种逻辑一致的状态,保证事务ACID,2020/7/5,数据库系统原理,22,10.3 故障的种类,一、事务故障 二、系统故障 三、介质故障 四、计算机病毒,2020/7/5,
7、数据库系统原理,23,一、事务故障,什么是事务故障,事务故障的常见原因,某个事务在运行过程中，由于种种原因未运行至 正常终止点就夭折了,输入数据有误,运算溢出,违反了某些完整性限制,某些应用程序出错,并行事务发生死锁,2020/7/5,数据库系统原理,24,一、事务故障,事务故障的恢复,发生事务故障时，夭折的事务可能已把对数据库的 部分修改写回磁盘,事务故障的恢复：撤消事务（UNDO）,强行回滚（ROLLBACK）该事务,清除该事务对数据库的所有修改，使得这个事务象 根本没有启动过一样,2020/7/5,数据库系统原理,25,二、系统故障,什么是系统故障,整个系统的正常运行突然被破坏,所有正在
8、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,外部存储设备上的数据未受影响,2020/7/5,数据库系统原理,26,二、系统故障,系统故障的常见原因,操作系统或DBMS代码错误,操作员操作失误,特定类型的硬件错误（如CPU故障）,突然停电,2020/7/5,数据库系统原理,27,二、系统故障,系统故障的恢复,清除尚未完成的事务对数据库的所有修改,系统重新启动时，恢复程序要强行撤消 （UNDO）所有未完成事务,将缓冲区中已完成事务提交的结果写入数据库,系统重新启动时，恢复程序需要重做 （REDO）所有已提交的事务,2020/7/5,数据库系统原理,28,三、介质故障,介质故障比前两类
9、故障的可能性小得多，但破坏性 大得多,介质故障的常见原因,磁盘损坏,什么是介质故障,系统运行过程中，由于辅助存储器介质受到破坏， 使存储在外存中的数据部分丢失或全部丢失,磁头碰撞,操作系统的某种潜在错误,瞬时强磁场干扰,2020/7/5,数据库系统原理,29,三、介质故障,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,重做自此时开始的所有成功事务，即将这些事务 已提交的结果重新记入数据库,2020/7/5,数据库系统原理,30,四、计算机病毒,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，可造成对计算机系统包括数据库的 危害,数据库一旦被破坏，需使用恢复
10、技术对其加以恢复,2020/7/5,数据库系统原理,31,五、恢复操作的基本原理,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,一个大型数据库产品，恢复子系统的代码要占全部 代码的10%以上,恢复的实现技术：复杂,2020/7/5,数据库系统原理,32,10.4 恢复的实现技术,恢复机制涉及的关键问题 1、如何建立冗余数据 2、如何利用这些冗余数据实施数据库恢复,数据转储,登记日志文件,2020/7/5,数据库系统原理,33,10.4.1 数据转储,一、什么是转储 二、转储的用途 三、转储方法,2020/7/5,数据库系统原理,34,一
11、、什么是转储,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。,这些备用的数据文本称为后备副本或后援副本。,2020/7/5,数据库系统原理,35,二、转储的用途,当数据库遭到破坏后，可以使用后备副本对数据库 进行恢复，确保数据库中的数据恢复到一致性状态,2020/7/5,数据库系统原理,36,三、转储方法,静态转储与动态转储 海量转储与增量转储 转储小结,2020/7/5,数据库系统原理,37,三、转储方法,在系统中无运行事务时进行转储,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,缺点：降低了数据库的可用性,转储必须等用户事
12、务结束,新的事务必须等转储结束,静态转储与动态转储,1、静态转储,2020/7/5,数据库系统原理,38,三、转储方法,静态转储与动态转储,1、静态转储,2020/7/5,数据库系统原理,39,不能保证副本中的数据正确有效,三、转储方法,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：,缺点：,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,静态转储与动态转储,2、动态转储,2020/7/5,数据库系统原理,40,三、转储方法,利用动态转储得到的副本进行故障恢复,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,需要把动态转储期间各事务对数据库的修改 活动
13、登记下来，建立日志文件,静态转储与动态转储,2、动态转储,2020/7/5,数据库系统原理,41,三、转储方法,静态转储与动态转储,2、动态转储,2020/7/5,数据库系统原理,42,三、转储方法,海量转储与增量转储,海量转储：每次转储全部数据库,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,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,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,2020/7/5,数据库系统原理,43,三、转储方法,转储小结,转储方法分类,2020/7/5,数据库系统原理,44,三、转储方法,应定期进行数据转储，制作
14、后备副本。,每周进行一次动态海量转储,例： 每天晚上进行动态增量转储,但转储又是十分耗费时间和资源的，不能频繁进行。,DBA应该根据数据库使用情况确定适当的转储 周期和转储方法。,每月进行一次静态海量转储,转储小结,转储方法分类,2020/7/5,数据库系统原理,45,10.4.2 登记日志文件,一、日志文件的内容 二、日志文件的用途 三、登记日志文件的原则,2020/7/5,数据库系统原理,46,一、日志文件的内容,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,以记录为单位的日志文件,以数据块为单位的日志文件,日志文件的格式,2020/7/5,数据库系统原理,4
15、7,一、日志文件的内容,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,与事务有关的内部更新操作,每个内容都作为日志文件中的一个日志记录 (log record),2020/7/5,数据库系统原理,48,一、日志文件的内容,基于记录的日志文件,事务标识,操作类型（插入、删除或修改）,操作对象（记录ID、Block NO.）,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）,每条日志记录的内容,2020/7/5,数据库系统原理,49,一、日志文件的内
16、容,基于数据块的日志文件,事务标识（标明是那个事务）,更新前数据所在的整个数据块的值（对插入操作 而言，此项为空值）,更新后整个数据块的值（对删除操作而言，此项 为空值）,每条日志记录的内容,2020/7/5,数据库系统原理,50,二、日志文件的用途,用途,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,2020/7/5,数据库系统原理,51,二、日志文件的用途,与静态转储后备副本配合进行介质故障恢复,静态转储的数据已是一致性的数据,如果静态转储完成后，仍能定期转储日志文件， 则在出现介质故障重装数据副本后，可以利用这些 日志文件副本对已完成的事务进行重做处理,这样不必重新运
17、行那些已完成的事务程序就可把 数据库恢复到故障前某一时刻的正确状态,2020/7/5,数据库系统原理,52,二、日志文件的用途,与静态转储后备副本配合进行介质故障恢复,2020/7/5,数据库系统原理,53,二、日志文件的用途,介质故障恢复：LOG FILE + 动态转储后备副本,动态转储数据库：同时转储同一时刻的日志文件,后备副本与该日志文件结合起来才能将数据库恢复 到一致性状态,利用这些日志文件副本进一步恢复事务，避免重新 运行事务程序,2020/7/5,数据库系统原理,54,三、登记日志文件的原则,为保证数据库是可恢复的，登记日志文件时必须遵循 两条原则,登记的次序严格按并行事务执行的时
18、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,2020/7/5,数据库系统原理,55,三、登记日志文件的原则,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,2020/7/5,数据库系统原理,56,10.5 恢复策略,10.5.1 事务故障的恢复 10.5.2 系
19、统故障的恢复 10.5.3 介质故障的恢复,2020/7/5,数据库系统原理,57,10.5.1 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,恢复方法,事务故障的恢复由系统自动完成，不需要用户干预,2020/7/5,数据库系统原理,58,4、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,10.5.1 事务故障的恢复,事务故障的具体恢复步骤：,1、反向扫描文件日志，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”(Before Image, BI)写入数据库
20、,插入操作，则相当于做删除操作,删除操作，则相当于做插入操作,若是修改操作，则用BI 代替 AI(After Image),3、继续反向扫描，查找该事务的其他更新操作，并 做同样处理,2020/7/5,数据库系统原理,59,10.5.2 系统故障的恢复,系统故障造成数据库不一致状态的原因,一些未完成事务对数据库的更新已写入数据库,一些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,Undo 故障发生时未完成的事务,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,2020/7/5,数据库系统原理,60,3、对Redo队列事务进行REDO处理
21、 正向扫描日志文件，对每个REDO事务重新执行登记 的操作T1,T3,T8,10.5.2 系统故障的恢复,系统故障的具体恢复步骤：,1、正向扫描日志文件（即从头扫描日志文件）,2、对Undo队列事务进行UNDO处理 反向扫描日志文件，对每个UNDO事务的更新操作 执行逆操作,T9,T7,T6,T5,T4,T2,Redo队列：故障发生前已提交的事务T1,T3,T8,Undo队列：故障发生时尚未完成的事务 T2, T4, T5, T6, T7, T9 ,2020/7/5,数据库系统原理,61,10.5.3 介质故障的恢复,介质故障的恢复方法,重装数据库，使数据库恢复到一致性状态,重做已完成的事务,
22、2020/7/5,数据库系统原理,62,10.5.3 介质故障的恢复,介质故障的具体恢复步骤：,1、装入最新的后备数据库副本，使数据库恢复到最近 一次转储时的一致性状态。,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,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相同的 方法（即REDO+UNDO），才能将数据库恢复到 一致性状态。,2020/7/5,数据库系统原理,63,10.5.3 介质故障的恢复,利用静态转储副本将数据库恢复到一致性状态,2020/7/5,数据库系统原理,64,10.5.3 介质故障的恢复,利用动态转储副本将数据库恢复到一致
23、性状态,2020/7/5,数据库系统原理,65,10.5.3 介质故障的恢复,2、装入有关的日志文件副本，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。,介质故障的具体恢复步骤：,1、装入最新的后备数据库副本，使数据库恢复到最近 一次转储时的一致性状态。,2020/7/5,数据库系统原理,66,10.5.3 介质故障的恢复,介质故障的恢复需要DBA介入,DBA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,具体的
24、恢复操作仍由DBMS完成,2020/7/5,数据库系统原理,67,10.6 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,2020/7/5,数据库系统原理,68,一、问题的提出,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,解决方案,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,2020/7/5,数据库系统原理,69,二、检查点技术,检查点记录的内容,建立检查点时刻所有正在执行的事务清单,这些事务最近一个日志记录的
25、地址,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,2020/7/5,数据库系统原理,70,二、检查点技术,2020/7/5,数据库系统原理,71,二、检查点技术,在检查点维护日志文件步骤,1、将当前日志缓冲区中的所有日志记录写入磁盘的 日志文件上,2、在日志文件中写入一个检查点记录,3、将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的 数据库中,4、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,2020/7/5,数据库系统原理,72,二、检查点技术,建立检查点,定期,不定期,按照预定的一个时间间隔,按照某种规则，如日志文件已写满一半建立 一个检查点,2020/7/5,数据库系统原
26、理,73,三、利用检查点的恢复策略,当事务T在一个检查点之前提交，T对数据库所做的 修改已写入数据库。在进行恢复处理时，没有必要 对事务T执行REDO操作,2020/7/5,数据库系统原理,74,把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列， REDO队列暂为空。,三、利用检查点的恢复策略,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，由该地址在日志文件中找到 最后一个检查点记录,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,2020/7/5,数据库
27、系统原理,75,三、利用检查点的恢复策略,3、从检查点开始正向扫描日志文件，直到日志文件 结束,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,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Tj，把Tj从UNDO-LIST队列 移到REDO-LIST队列,利用检查点的恢复步骤,2020/7/5,数据库系统原理,76,10.7 数据库镜像,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,提高数据库可用性的解决方案,数据库镜像
28、（Mirror）,2020/7/5,数据库系统原理,77,数据库镜像,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 另一个磁盘上,DBMS自动保证镜像数据与主数据的一致性,出现介质故障时，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,2020/7/5,数据库系统原理,78,数据库镜像,数据库镜像,2020/7/5,数据库系统原理,79,10.8 小结,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
29、基本的要求。,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,DBMS必须对事务故障、系统故障和介质故障进行恢复,恢复中最经常使用的技术：数据库转储和登记日志文件,2020/7/5,数据库系统原理,80,小结,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,常用恢复技术,事务故障的恢复,系统故障的恢复,介质故障的恢复,UNDO,UNDO + REDO,重装备份并恢复到一致性状态 + REDO,2020/7/5,数据库系统原理,81,小结,提高恢复效率的技术,检查点技术,镜像技术,可以提高系统故障的恢复效率,镜像技术可以改善介质故障的恢复效率,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,
