數據庫恢復技術

實現恢復的核心是使用冗余，也就是根據冗余數據重建不正確數據。

事務

事務是一個數據庫操作序列，是一個不可分割的工作單位，是恢復和并發的基本單位。

在關系數據庫中，一個事務是一條或多條SQL語句，也可以包含一個或多個程序。一個程序通常包含多個事務。

可以顯式的定義一個事務：

BEGIN TRANSACTION SQL 語句1SQL 語句2……
COMMIT|ROLLBACK

COMMIT是提交事務，ROLLBACK是回滾。

事務具有四個非常重要的特性，即ACID特性：

• 原子性（Atomicity） 原子性是指，事務要不全部完成，要不全部取消。如果事務失敗，會回滾到事務之前。
• 一致性（Consistency） 一致性是指，只有合法的數據才能寫入數據庫。
• 隔離性（Isolation） 隔離性是指，如果兩個事務同時執行，那么執行順序不影響執行結果。
• 持續性（Durability） 持久性是指，一旦事務提交，數據必須保存在數據庫之中。

事務一般有五種狀態，其狀態圖如下：

故障和恢復

常見的故障有四種：事務內部的故障、系統故障、介質故障、計算機病毒。

事務內部的故障有些是通過事務程序本身發現的，有些是非預期的。比如，有一個事務，從A轉賬給B。有下面的事務程序：

BEGIN TRANSACTIONBALANCE = BALANCE - 100IF (BALANCE < 0) THEN {ROLLBACK} ELSE {讀取用戶乙的余額BALANCE1BALANCE1 = BALANCE + AMOUNT寫回BALANCE1COMMIT}

如果出現了余額不足，就可以回滾，保證數據庫狀態正常，而不是只減了甲的錢卻不影響乙的錢。

有的時候事務故障是非預期的，比如運算溢出、死鎖、違反完整性限制。這類故障一般使用撤銷事務（UNDO）。

系統故障是造成系統停止運轉的任何事件，使得系統要重新啟動。這個時候，系統運行被破壞，事務非正常終止，不破壞數據庫，緩存區信息丟失。

這種系統故障可能是硬件錯誤或操作系統故障引起的。如果發生故障的時候事務未提交，那么直接UNDO未完成事務；如果已提交但緩沖區未寫入磁盤，那么進行REDO。

介質故障是外存故障，比如磁盤損壞、磁頭碰撞、操作系統潛在錯誤、瞬時強磁場干擾。一般需要裝入介質故障前某個時刻的數據副本，重做所有成功事務。

計算機病毒是人為故障或破壞。

數據轉儲

一、靜態轉儲和動態轉儲

在沒有運行事務的時候，進行的就是靜態轉儲。轉儲開始前數據庫一致，并且期間不能對數據庫進行存取和修改。這種方法實現簡單，但是降低了數據庫的可用性，因為新的事務必須等轉儲結束。

如果將轉出操作和用戶事務并發執行，進行的就是動態轉儲。轉儲期間可以進行存取修改，這種方法無需等待正在運行的用戶事務，也不會影響新事務運行。但是動態轉儲不能保證副本中數據的正確性。

因此，做動態轉儲需要把各事務的修改活動記下來，建立日志，用后備副本加上日志使得數據庫恢復。

二、海量轉儲與增量轉儲

海量轉儲是每次轉儲所有數據庫，增量轉儲是只轉儲上次轉儲后的數據。

從恢復角度來看，海量轉儲更方便，但是數據庫很大的時候增量轉儲更有效。

日志

日志是記錄事務對數據庫更新操作的文件。

一、日志文件的格式和內容

一般來說，日志有記錄為單位，也有以數據塊為單位。

以記錄為單位的日志內容包含：

• 事務開始標記
• 事務結束標記
• 事務所有更新操作

這樣的稱為一個日志記錄。每條日志記錄又分成

• 事務標識（表明事務種類）
• 操作類型（插入、刪除、修改）
• 操作對象（記錄內部標識）
• 更新前數據的舊值（對插入操作來說是空）
• 更新后數據的新值（對刪除操作來說是空）

以數據塊為單位的日志文件，每條日志記錄內容是

• 事務標識
• 被更新的數據塊

二、日志文件的作用

日志文件可以進行事務故障恢復、系統故障恢復、協助后備副本進行介質故障恢復。

下面是一個用靜態轉儲副本和日志文件進行恢復的例子。

在靜態轉儲的基礎上，得到一個一致性副本，然后發生故障。那么重新運行所有事務，就可以把數據庫恢復到一致狀態。

三、登記日志文件

登記日志的次序需要嚴格按照并行事務執行的時間次序。必須先寫日志文件，后寫數據庫。

這是因為，如果在二者之間故障發生了，先寫數據庫，這個記錄就無法恢復；如果先寫日志，只需要做一次UNDO。

四、故障的恢復

（1）事務故障

恢復事務故障，首先反向掃描文件日志，然后查找事務的更新操作。接下來，對事務更新操作進行逆操作，把更新前的值重新寫入。

繼續掃描文件日志，查找事務其它操作，直到讀到事務開始標記。

（2）系統故障

首先正向掃描日志，然后建立兩個隊列。第一個叫做REDO隊列，第二個叫做UNDO隊列。REDO隊列存放故障發生前的已經COMMIT的事務，UNDO隊列存放尚未發生的隊列。

對UNDO隊列的事務統一進行UNDO處理，也就是在數據庫中儲存更新前的值；對REDO隊列的事務統一做REDO處理，把更新后的值寫入數據庫。

（3）介質故障

介質故障一般先重裝數據庫，然后重做已完成的事務。

一般來說，可以裝入最新的后備數據庫副本。靜態副本可以直接裝入，動態副本還需要裝入轉儲時的日志文件副本。

介質故障恢復往往需要DBA的介入，重裝最近轉儲的副本和各日志文件副本，執行系統提供的恢復命令。

檢查點

之前的日志恢復技術，搜索日志需要大量時間，同時REDO也大量耗費了時間。因此，具有檢查點的恢復技術是常見的技術。

建立檢查點一般有兩種，可以是按固定時間間隔定期建立，也可以按照某種規則，比如日志文件寫滿一半建立一個檢查點。檢查點實際上就是一個標記，事務$T$在檢查點之前提交，那么$T$已經寫入了數據庫，無需進行REDO。

T3、T5在故障發生時未完成，所以撤銷；T2、T4在檢查點之后提交，需要REDO；T1則無需REDO。

用檢查點的恢復步驟如下：

• 找到最后一個檢查點記錄的地址
• 由檢查點記錄得到正在執行的事務ACTIVE-LIST，建立UNDO和REDO LIST，并把ACTIVE LIST放入UNDO LIST
• 正向掃描日志文件，新開始的事務放入UNDO LIST，提交事務放到REDO LIST
• UNDO LIST進行UNDO，REDO LIST進行REDO

數據庫鏡像

DBMS自動把整個數據庫或其中關鍵數據復制到另一個磁盤上，由DBMS保證鏡像數據和主數據庫的一致性。在出現介質故障的時候，可以由鏡像磁盤繼續使用，同時DBMS利用磁盤數據進行恢復，而無需重裝數據庫副本。

同時，在沒有出現故障的時候，數據庫鏡像也可以用于并發操作，如果一個用戶對數據加排他鎖，其他用戶可以讀鏡像數據庫的數據。

頻繁的復制數據會降低效率，所以一般只對關鍵數據和日志進行鏡像。