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前言

數據庫恢復技術是保障數據可靠性和事務一致性的核心機制。通過冗余備份、日志記錄和檢查點等技術，確保系統在事務故障、硬件損壞或人為錯誤后能快速恢復至可用狀態。理解事務的ACID特性及不同故障的應對策略，是設計高容錯數據庫系統的關鍵基礎。

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數據庫恢復技術

一、事務的基本概念

1. 事務定義
   • 事務是用戶定義的一組數據庫操作序列，具有 “原子性”（All or Nothing），即操作要么全執行，要么全不執行。
   • 程序與事務的區別：一個程序可包含多個事務，事務是程序執行的邏輯單元。
   • SQL 中的事務控制語句：
     • BEGIN TRANSACTION：開始事務
     • COMMIT：提交事務（確認所有操作）
     • ROLLBACK：回滾事務（撤銷所有操作）
2. 事務的 ACID 特性
   • 原子性（Atomicity）：事務中的操作不可分割，要么全成功，要么全失敗。
   • 一致性（Consistency）：事務執行前后，數據庫從一個合法狀態轉換為另一個合法狀態。
   • 隔離性（Isolation）：多個事務并發執行時，相互不干擾，如同單線程執行。
   • 持久性（Durability）：事務提交后，數據修改永久保存，不受故障影響。
3. ACID 破壞因素
   • 并發事務的交叉操作（如丟失修改、臟讀等）。
   • 事務運行中因故障被強行終止（如斷電、死鎖撤銷）。

二、數據庫恢復概述

1. 恢復目的
   • 應對硬件故障、軟件錯誤、人為失誤或惡意攻擊導致的數據不一致或丟失。
   • 核心目標：
     1. 保證事務的原子性（通過撤銷未完成事務）。
     2. 確保系統故障后數據庫恢復到一致狀態。
2. 恢復原理
   • 冗余技術：通過數據轉儲（備份）和日志文件記錄冗余數據，用于故障后重建數據庫。
   • 關鍵問題：
     • 如何建立冗余（轉儲、日志）？
     • 如何利用冗余數據恢復（UNDO/REDO 操作）？

三、故障類型與恢復策略

1. 故障分類

• 事務內部故障
  • 原因：運算溢出、死鎖撤銷、完整性約束違反等。
  • 特點：事務未正常結束，需撤銷（UNDO）該事務的所有操作。
• 系統故障（軟故障）
  • 原因：斷電、操作系統崩潰、DBMS 故障等。
  • 特點：未完成事務需 UNDO，已提交事務需重做（REDO）以確保持久性。
• 介質故障（硬故障）
  • 原因：磁盤損壞、磁頭故障、物理存儲錯誤等。
  • 特點：需重裝最新備份副本，并結合日志重做已提交事務。
• 計算機病毒
  • 惡意破壞數據庫，恢復方式依賴備份和日志。

2. 恢復策略與步驟

• 事務故障恢復

  1. 反向掃描日志：從最后一條記錄開始，查找該事務的所有更新操作。
  2. 執行逆操作：對每個更新操作執行反向操作（如插入→刪除，修改→還原舊值）。
  3. 直至事務開始標記：完成撤銷后，事務視為未執行。

• 系統故障恢復

  1. 正向掃描日志 ：

     • 識別已提交事務（加入 REDO 隊列）和未完成事務（加入 UNDO 隊列）。

  2. 先 UNDO 后 REDO：

     • 對 UNDO 隊列中的事務執行撤銷操作。
     • 對 REDO 隊列中的事務執行重做操作。

• 介質故障恢復

  1. 重裝后備副本：恢復到最近一次轉儲的一致狀態。
  2. 重做已提交事務：利用日志文件，重新執行自轉儲以來的所有已提交事務。

四、恢復實現技術

1. 數據轉儲（備份）

• 定義：DBA 定期將數據庫復制到外部存儲（如磁帶、磁盤），生成后備副本。

• 分類：

  • 按操作狀態：

    • 靜態轉儲：無事務運行時進行，數據一致但效率低（需等待事務結束）。
    • 動態轉儲：允許事務并發執行，需結合日志文件（記錄轉儲期間的修改）。

  • 按數據量：

    • 海量轉儲：轉儲全庫數據，恢復方便但耗時。
    • 增量轉儲：僅轉儲自上次轉儲后更新的數據，適合頻繁更新場景。

• 四種組合：動態海量轉儲、動態增量轉儲、靜態海量轉儲、靜態增量轉儲。

2. 日志文件（Logging）

• 作用：記錄事務對數據庫的更新操作，用于故障恢復（UNDO/REDO）。

• 格式：

  • 以記錄為單位：記錄事務開始 / 結束標記、操作類型、對象、舊值和新值。
  • 以數據塊為單位：記錄事務標識和被更新的數據塊。

• 登記原則：

  1. 先寫日志，后寫數據庫：確保日志先于數據持久化，避免數據丟失。
  2. 按事務執行順序登記：保證日志順序與事務操作一致。

3. 檢查點技術（Checkpoint）

• 目的：減少恢復時掃描日志的范圍，提升效率。

• 實現：

  1. 定期生成檢查點：將內存中日志和數據寫入磁盤，記錄當前事務清單和日志地址。

  2. 恢復步驟：

     • 從檢查點開始掃描日志，區分需 UNDO 和 REDO 的事務。
     • 僅處理檢查點之后的日志記錄，跳過已完成的事務。

4. 數據庫鏡像（Mirroring）

• 定義：實時復制數據庫到鏡像磁盤，自動同步更新。
• 作用：
  • 快速恢復介質故障（無需重裝備份）。
  • 支持并發讀：讀操作可訪問鏡像，避免鎖沖突。
• 應用場景：對關鍵數據（如日志、核心業務表）啟用鏡像。

5. Oracle 恢復技術

• 核心機制：
  • REDO 日志文件：記錄所有數據修改，用于重做操作。
  • 回滾段（Rollback Segment）：存儲舊值，用于撤銷未提交事務。
• 恢復流程：
  1. 掃描 REDO 日志，重做所有已提交事務。
  2. 利用回滾段，撤銷未提交事務的操作。

五、關鍵考點與總結

1. 事務的 ACID 特性：需熟記各特性定義及實際場景（如轉賬操作的原子性）。
2. 故障類型與恢復策略：
   • 事務故障：僅 UNDO 本事務；系統故障：UNDO+REDO；介質故障：重裝備份 + REDO。
3. 數據轉儲與日志文件：靜態 / 動態、海量 / 增量的區別，日志文件的作用與登記原則。
4. 檢查點與數據庫鏡像：檢查點減少恢復時間的原理，鏡像對介質故障的快速恢復優勢。

總結：數據庫恢復技術通過冗余機制（轉儲 + 日志）和事務控制（UNDO/REDO），確保系統在故障后能恢復到一致狀態，核心目標是保障事務的 ACID 特性和數據可靠性。

總結

關鍵方法總結

事務管理

• 原子性實現：通過日志記錄事務操作，故障時執行UNDO（撤銷未提交事務）或REDO（重做已提交事務）。
• 隔離性控制：結合并發控制技術（如鎖、MVCC）避免交叉操作導致的數據不一致。

冗余技術

• 定期轉儲：靜態轉儲保證數據一致性，動態轉儲允許高可用但需日志配合。
• 增量備份：僅保存變更數據，減少存儲開銷，適合頻繁更新場景。

故障恢復流程

• 事務級故障：逆向掃描日志，回滾該事務所有操作至開始標記。
• 系統級故障：重做已提交事務（REDO隊列），撤銷未完成事務（UNDO隊列）。
• 介質級故障：從后備副本恢復，重做轉儲后所有已提交事務。

性能優化

• 檢查點技術：定期保存事務狀態，縮小日志掃描范圍，加速恢復過程。
• 數據庫鏡像：實時同步數據到備用存儲，實現故障秒級切換。

實踐工具示例

• Oracle使用REDO日志和回滾段實現恢復。
• MySQL的InnoDB引擎通過重做日志（redo log）和undo日志保證ACID。

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應用場景建議

• 金融系統：采用動態海量轉儲+日志鏡像，確保零數據丟失。
• 高并發服務：結合檢查點與增量備份，平衡恢復速度與存儲成本。
• 關鍵業務表：啟用實時鏡像，避免介質故障導致長時間停機。