数据库恢复技术

实现恢复的核心是使用冗余，也就是根据冗余数据重建不正确数据。

事务

事务是一个数据库操作序列，是一个不可分割的工作单位，是恢复和并发的基本单位。

在关系数据库中，一个事务是一条或多条SQL语句，也可以包含一个或多个程序。一个程序通常包含多个事务。

可以显式的定义一个事务：

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

COMMIT是提交事务，ROLLBACK是回滚。

事务具有四个非常重要的特性，即ACID特性：

• 原子性（Atomicity） 原子性是指，事务要不全部完成，要不全部取消。如果事务失败，会回滚到事务之前。
• 一致性（Consistency） 一致性是指，只有合法的数据才能写入数据库。
• 隔离性（Isolation） 隔离性是指，如果两个事务同时执行，那么执行顺序不影响执行结果。
• 持续性（Durability） 持久性是指，一旦事务提交，数据必须保存在数据库之中。

事务一般有五种状态，其状态图如下：

故障和恢复

常见的故障有四种：事务内部的故障、系统故障、介质故障、计算机病毒。

事务内部的故障有些是通过事务程序本身发现的，有些是非预期的。比如，有一个事务，从A转账给B。有下面的事务程序：

BEGIN TRANSACTION
	BALANCE = BALANCE - 100
	IF (BALANCE < 0) THEN {
		ROLLBACK
	} ELSE {
		读取用户乙的余额BALANCE1
		BALANCE1 = BALANCE + AMOUNT
		写回BALANCE1
		COMMIT
	}

如果出现了余额不足，就可以回滚，保证数据库状态正常，而不是只减了甲的钱却不影响乙的钱。

有的时候事务故障是非预期的，比如运算溢出、死锁、违反完整性限制。这类故障一般使用撤销事务（UNDO）。

系统故障是造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。这个时候，系统运行被破坏，事务非正常终止，不破坏数据库，缓存区信息丢失。

这种系统故障可能是硬件错误或操作系统故障引起的。如果发生故障的时候事务未提交，那么直接UNDO未完成事务；如果已提交但缓冲区未写入磁盘，那么进行REDO。

介质故障是外存故障，比如磁盘损坏、磁头碰撞、操作系统潜在错误、瞬时强磁场干扰。一般需要装入介质故障前某个时刻的数据副本，重做所有成功事务。

计算机病毒是人为故障或破坏。

数据转储

一、静态转储和动态转储

在没有运行事务的时候，进行的就是静态转储。转储开始前数据库一致，并且期间不能对数据库进行存取和修改。这种方法实现简单，但是降低了数据库的可用性，因为新的事务必须等转储结束。

如果将转出操作和用户事务并发执行，进行的就是动态转储。转储期间可以进行存取修改，这种方法无需等待正在运行的用户事务，也不会影响新事务运行。但是动态转储不能保证副本中数据的正确性。

因此，做动态转储需要把各事务的修改活动记下来，建立日志，用后备副本加上日志使得数据库恢复。

二、海量转储与增量转储

海量转储是每次转储所有数据库，增量转储是只转储上次转储后的数据。

从恢复角度来看，海量转储更方便，但是数据库很大的时候增量转储更有效。

日志

日志是记录事务对数据库更新操作的文件。

一、日志文件的格式和内容

一般来说，日志有记录为单位，也有以数据块为单位。

以记录为单位的日志内容包含：

• 事务开始标记
• 事务结束标记
• 事务所有更新操作

这样的称为一个日志记录。每条日志记录又分成

• 事务标识（表明事务种类）
• 操作类型（插入、删除、修改）
• 操作对象（记录内部标识）
• 更新前数据的旧值（对插入操作来说是空）
• 更新后数据的新值（对删除操作来说是空）

以数据块为单位的日志文件，每条日志记录内容是

• 事务标识
• 被更新的数据块

二、日志文件的作用

日志文件可以进行事务故障恢复、系统故障恢复、协助后备副本进行介质故障恢复。

下面是一个用静态转储副本和日志文件进行恢复的例子。

在静态转储的基础上，得到一个一致性副本，然后发生故障。那么重新运行所有事务，就可以把数据库恢复到一致状态。

三、登记日志文件

登记日志的次序需要严格按照并行事务执行的时间次序。必须先写日志文件，后写数据库。

这是因为，如果在二者之间故障发生了，先写数据库，这个记录就无法恢复；如果先写日志，只需要做一次UNDO。

四、故障的恢复

（1）事务故障

恢复事务故障，首先反向扫描文件日志，然后查找事务的更新操作。接下来，对事务更新操作进行逆操作，把更新前的值重新写入。

继续扫描文件日志，查找事务其它操作，直到读到事务开始标记。

（2）系统故障

首先正向扫描日志，然后建立两个队列。第一个叫做REDO队列，第二个叫做UNDO队列。REDO队列存放故障发生前的已经COMMIT的事务，UNDO队列存放尚未发生的队列。

对UNDO队列的事务统一进行UNDO处理，也就是在数据库中储存更新前的值；对REDO队列的事务统一做REDO处理，把更新后的值写入数据库。

（3）介质故障

介质故障一般先重装数据库，然后重做已完成的事务。

一般来说，可以装入最新的后备数据库副本。静态副本可以直接装入，动态副本还需要装入转储时的日志文件副本。

介质故障恢复往往需要DBA的介入，重装最近转储的副本和各日志文件副本，执行系统提供的恢复命令。

检查点

之前的日志恢复技术，搜索日志需要大量时间，同时REDO也大量耗费了时间。因此，具有检查点的恢复技术是常见的技术。

建立检查点一般有两种，可以是按固定时间间隔定期建立，也可以按照某种规则，比如日志文件写满一半建立一个检查点。检查点实际上就是一个标记，事务$T$在检查点之前提交，那么$T$已经写入了数据库，无需进行REDO。

T3、T5在故障发生时未完成，所以撤销；T2、T4在检查点之后提交，需要REDO；T1则无需REDO。

用检查点的恢复步骤如下：

• 找到最后一个检查点记录的地址
• 由检查点记录得到正在执行的事务ACTIVE-LIST，建立UNDO和REDO LIST，并把ACTIVE LIST放入UNDO LIST
• 正向扫描日志文件，新开始的事务放入UNDO LIST，提交事务放到REDO LIST
• UNDO LIST进行UNDO，REDO LIST进行REDO

数据库镜像

DBMS自动把整个数据库或其中关键数据复制到另一个磁盘上，由DBMS保证镜像数据和主数据库的一致性。在出现介质故障的时候，可以由镜像磁盘继续使用，同时DBMS利用磁盘数据进行恢复，而无需重装数据库副本。

同时，在没有出现故障的时候，数据库镜像也可以用于并发操作，如果一个用户对数据加排他锁，其他用户可以读镜像数据库的数据。

频繁的复制数据会降低效率，所以一般只对关键数据和日志进行镜像。