【数据库原理】数据库恢复技术.ppt

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1、本章内容提要 保证数据一致性是对数据库的最基本的要求。事务是数据库的逻辑工作单位。只要DBMS能够保证系统中一切事务的原子性、一致性、隔离性和持续性，也就保证了数据库处于一致状态。为此DBMS必须能够进行数据库恢复和并发控制。（数据库恢复技术和并发控制技术是数据库管理系统的重要组成部分。） 事务处理技术主要包括数据库恢复技术和并发控制技术。 本章介绍数据库恢复技术的概念和常用技术。,第七章 数据库恢复技术,本章重点： 数据库恢复的基本原理 恢复的实现技术 恢复的策略 本章难点： 恢复的实现技术 恢复的策略,第七章 数据库恢复技术,第七章 数据库恢复技术7.1 事务的基本概念,一、事务(Tran

2、saction) 1. 定义 事务是用户定义的一个操作序列，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。 2. 事务概念和程序概念的区别 一个程序中包含多个事务 3. 定义事务的语句 事务的开始与结束可以由用户显式控制，如果用户没有显式地定义事务，则由DBMS按缺省规定自动划分事务。 在SQL语言中，定义事务的语句有三条：BEGIN TRANSACTIONCOMMITROLLBACK,事务通常是以BEGIN TRANSACTION开始， 以COMMIT或ROLLBACK结束。 其中： （1）COMMIT表示提交，即提交事务的所有操作。具体地说就是将事务中所有对数据库的更新写回到磁盘上

3、的物理数据库中去，事务正常结束。 （2）ROLLBACK表示回滚，即在事务运行的过程中发生了某种故障，事务不能继续执行，系统将事务中对数据库的所有已完成的操作全部撤消，滚回到事务开始时的状态。 （3）这里的操作指对数据库的更新操作。,第七章 数据库恢复技术7.1 事务的基本概念,二、事务的特性（ ACID特性） 事务具有四个特性： 1. 原子性（Atomicity） 2. 一致性（Consistency） 3. 隔离性（Isolation） 4. 持续性（Durability）,第七章 数据库恢复技术7.1 事务的基本概念,1原子性（A） 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

4、，要么都不做。 2一致性（C） 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。 3隔离性（I） 一个事务的执行不能被其他事务干扰。 4持续性 （D）（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。,第七章 数据库恢复技术7.1 事务的基本概念,第七章 数据库恢复技术7.1 事务的基本概念,三、事务处理任务 事务是恢复和并发控制的基本单位。 保证事务ACID特性是事务处理的重要任务。 事务ACID特性可能遭到破坏的因素有： 1. 多个事务并行运行时，不同事务的操作交叉执行。 D

5、BMS必须保证多个事务的交叉运行不影响这些事务的原子性 2. 事务在运行过程中被强行停止。 DBMS必须保证被强行终止的事务对数据库和其它事务没有任何影响。,尽管数据库系统中采取了各种保护措施，但是计算机系统中硬件的故障、软件的错误、操作员的失误以及恶意的破坏仍是不可避免的， 故障轻则造成运行事务非正常中断，影响数据库中数据的正确性，重则破坏数据库，使数据库中全部或部分数据丢失， 数据库管理系统必须具有把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态（亦称为一致状态或完整状态）的功能，这就是数据库的恢复。 恢复子系统是数据库管理系统的一个重要组成部分。数据库系统所采用的恢复技术是否行之有效，是衡量系

6、统性能优劣的重要指标。,第七章 数据库恢复技术7.2 数据库恢复概述,故障的种类为： （一）事务内部的故障 （二）系统故障 （三）介质故障 （四）计算机病毒,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,一、事务内部的故障 事务内部的故障有的是可以通过事务程序本身发现的（见下面转帐事务的例子），有的是非预期的，不能由事务程序处理的。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,例1：银行转帐事务，这个事务把一笔金额从一个帐户甲转给另一个帐户乙。BEGIN TRANSACTION读帐户甲的余额BALANCE；BALANCE = BALANCE-AMOUNT；（AMOUNT 为转帐金额）IF（BALAN

7、CE0 ） THEN 打印金额不足，不能转帐；ROLLBACK；（撤消刚才的修改，恢复事务）ELSE 读帐户乙的余额BALANCE1；BALANCE1 = BALANCE1+AMOUNT；写回BALANCE1；COMMIT；,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,事务内部更多的故障是非预期的，是不能由应用程序处理的。如运算溢出、并发事务发生死锁而被选中撤消该事务、违反了某些完整性限制等。以后，事务故障仅指这类非预期的故障。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,事务故障意味着事务没有达到预期的终点（COMMIT或者显式的ROLLBACK），因此

8、，数据库可能处于不正确状态。 恢复程序要在不影响其它事务运行的情况下，强行回滚（ROLLBACK）该事务，即撤消该事务已经作出的任何对数据库的修改，使得该事务好象根本没有启动一样。 这类恢复操作称为事务撤消（UNDO）。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,二、系统故障 系统故障是指造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。系统故障常称为软故障（Soft Crash） 这类故障影响正在运行的所有事务，但不破坏数据库。这时主存内容，尤其是数据库缓冲区（在内存）中的内容都被丢失，所有运行事务都非正常终止。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,二、系统故障 发生系统故障时 （A）一

9、些尚未完成的事务的结果可能已送入物理数据库 （B）有些已完成的事务可能有一部分甚至全部留在缓冲区，尚未写回到磁盘上的物理数据库中。 为保证数据一致性，恢复子系统必须在系统重新启动时让所有非正常终止的事务回滚， （A）强行撤消（Undo）所有未完成事务 （B）重做（Redo）所有已提交的事务,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,三、介质故障 介质故障称为硬故障（Hard Crash）。硬故障指外存故障，如磁盘损坏、磁头碰撞，瞬时强磁场干扰等。 这类故障将破坏数据库或部分数据库，并影响正在存取这部分数据的所有事务。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,四、计算机病毒 计算机病毒是具有破

10、坏性、可以自我复制的计算机程序。 计算机病毒已成为计算机系统的主要威胁，自然也是数据库系统的主要威胁。因此数据库一旦被破坏仍要用恢复技术把数据库加以恢复。,第七章 数据库恢复技术7.3 故障的种类,各类故障对数据库的影响有两种可能性： （1）数据库本身被破坏。 （2）数据库没有破坏，但数据可能不正确，这是因为事务的运行被非正常终止造成的。 恢复的基本原理冗余。这就是说，数据库中任何一部分被破坏的或不正确的数据可以根据存储在系统别处的冗余数据来重建。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,恢复机制涉及的两个关键问题是： （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,

11、第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,建立冗余数据最常用的技术是： (A) 数据转储 (B) 登录日志文件 通常在一个数据库系统中，这两种方法是一起使用的。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,7.4.1 数据转储 数据转储即DBA定期地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。 当数据库遭到破坏后可以将后备副本重新装入，但重装后备副本只能将数据库恢复到转储时的状态，要想恢复到故障发生时的状态，必须重新运行自转储以后的所有更新事务。 转储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一个适当的转储周

12、期。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,转储可分为静态转储和动态转储两种状态。 静态转储 是在系统中无运行事务时进行的转储操作。 显然，静态转储得到的一定是一个数据一致性的副本。 静态转储简单，但会降低数据库的可用性。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,2. 动态转储 是指转储期间允许对数据库进行存取或修改。即转储和用户事务可以并发执行。 动态转储可克服静态转储的缺点，但是，转储结束时后援副本上的数据并不能保证正确有效。 为此，必须把转储期间各事务对数据库的修改活动登记下来，建立日志文件（log file）。这样，后援副本加

13、上日志文件就能把数据库恢复到某一时刻的正确状态。 后援数据库 + 日志文件 = 当前数据库,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,转储还可以分为海量转储和增量转储两种方式。 海量转储是指每次转储全部数据库。 增量转储则指每次只转储上一次转储后更新过的数据。 数据转储分类：,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,7.4.2 登记日志文件（Logging) 一、日志文件的格式和内容 日志文件是用来记录事务对数据库的更新操作的文件。 不同数据库系统采用的日志文件格式并不完全一样。 日志文件主要有两种格式：以记录为单位的日志文件和以数据块为单位的日志文件。,第七章 数据库恢复技术7.4

14、 恢复的实现技术,1. 以记录为单位的日志文件的内容包括： (1) 各个事务的开始(BEGIN TRANSACTION)标记 (2) 各个事务的结束(COMMIT或ROLL BACK)标记 (3) 各个事务的所有更新操作 这里每个事务开始的标记、每个事务的结束标记和每个更新操作均作为日志文件中的一个日志记录(log record)。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,每个日志记录的内容主要包括： 事务标识（标明是那个事务） 操作的类型（插入、删除或修改） 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）,第七

15、章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,以数据块为单位的日志文件的内容包括： （1）事务标识 （2）被更新的数据块,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,二、登记日志文件（logging）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： 1. 登记的次序严格按并发事务执行的时间次序。2. 必须先写日志文件，后写数据库。 把对数据的修改写到数据库中和把写表示这个修改的日志记录写到日志文件中是两个不同的操作。 有可能在这两个操作之间发生故障，所以为了安全，一定要先写日志文件，然后写数据库的修改。这就是“先写日志文件”的原则。,第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,三、日志

16、文件的作用 具体作用为： （1）事务故障恢复和系统故障必须用日志文件。 （2）在动态转储方式中必须建立日志文件，后援副本和日志文件综合起来才能有效地恢复数据库。 （3）在静态转储方式中，也可以建立日志文件。当数据库毁坏后可重新装入后援副本把数据库恢复到转储结束时刻的正确状态，然后利用日志文件，把已完成的事务进行重做处理（Redo)，对故障发生时尚未完成的事务进行撤消处理。(Undo),第七章 数据库恢复技术7.4 恢复的实现技术,第七章 数据库恢复技术7.5 恢复策略,7.5.1 事务故障的恢复 事务故障是指事务在运行至正常终止点前被中止， 恢复利用日志文件撤消（UNDO）此事务已对数据库进行

17、的修改。 事务故障的恢复是由系统自动完成的，对用户是透明的。 系统的恢复步骤是：1. 反向扫描文件日志（即从最后向前扫描日志文件），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。 3. 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。,第七章 数据库恢复技术7.5 恢复策略,7.5.2 系统故障的恢复 系统故障造成数据库不一致状态的原因有两个： （一）未完成事务对数据库的更新可能已写入数据库 （二）已提交事务对数据库的更新可能还留在缓冲区没来得及写入数据库。 恢复操作撤消(Undo)故障发生时未完成的事务， 重做(Redo)已完成的事务。 系统故障的恢复是由系统在重

18、新启动时自动完成的，不需要用户干预。,第七章 数据库恢复技术7.5 恢复策略,系统故障的恢复步骤是：1. 正向扫描日志文件，找出在故障发生前已经提交事务，将其事务标识记入重做（REDO）队列。同时找出故障发生时尚未完成的事务，将其事务标识记入撤消(UNDO)队列。2. 对撤消队列中的各个事务进行撤消(UNDO)处理。3. 对重做队列中的各个事务进行重做(REDO)处理。,第七章 数据库恢复技术7.5 恢复策略,7.5.3 介质故障的恢复 发生介质故障后，磁盘上的物理数据和日志文件被破坏，这是最严重的一种故障。 恢复重装数据库，然后重做已完成的事务。,第七章 数据库恢复技术7.5 恢复策略,介质

19、故障恢复的具体步骤：1. 装入最新的数据库后备副本，使数据库恢复到最近一次转储时的一致性状态。2. 装入相应的日志文件副本（转储结束时刻的日志文件副本），重做已完成的事务。对重做队列中的所有事务进行重做处理。 介质故障的恢复需要DBA介入。但DBA只需要重装最近转储的数据库副本和有关的各日志文件副本，然后执行系统提供的恢复命令即可，具体的恢复操作仍由DBMS完成。,第七章 数据库恢复技术7.6 具有检查点的恢复技术,利用日志技术进行数据库恢复时，需要检查所有日志记录。 这样做具有两个问题： （A）搜索整个日志将耗费大量的时间。 （B）很多需要REDO处理的事务实际上已经将它们的更新操作结果写到

20、数据库中了，然而恢复子系统又重新执行了这些操作，浪费了大量时间。 为了解决这些问题，又发展了具有检查点的恢复技术。这种技术在日志文件中增加一类新的记录-检查点记录（checkpoint），增加一个重新开始文件，并让恢复子系统在登录日志文件期间动态地维护日志。,第七章 数据库恢复技术7.6 具有检查点的恢复技术,恢复子系统可以定期或不定期地建立检查点保存数据库状态。检查点可以按照预定的一个时间间隔建立。 使用检查点方法可以改善恢复效率。当事务T在一个检查点之前提交，T对数据库所做的修改一定都已写入数据库，写入时间是在这个检查点建立之前或在这个检查点建立之时。这样，在进行恢复处理时，没有必要对事务

21、T执行REDO操作。 系统出现故障时恢复子系统将根据事务的不同状态采取不同的恢复策略。,第七章 数据库恢复技术7.6 具有检查点的恢复技术,T1 : 在检查点之前提交。 T2：在检查点之前开始执行，在检查点之后故障点之前提交。 T3：在检查点之前开始执行，在故障点时还未完成。 T4：在检查点之后开始执行，在故障点之前提交。 T5：在检查点之后开始执行，在故障点时还未完成。,第七章 数据库恢复技术7.6 具有检查点的恢复技术,系统使用检查点方法进行恢复的步骤是：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

22、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: 需要执行undo操作的事务集合； REDO-LIST: 需要执行redo操作的事务集合； 把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列，REDO队列暂为空。 3.从检查点开始正向扫描日志文件 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； 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。,第七章 数据库恢复技术7.7 数据库镜像,介质故障是

23、对系统影响最为严重的一种故障。一旦发生介质故障，会造成较大的损失。 随着磁盘容量越来越大，价格越来越便宜，为避免磁盘介质出现故障影响数据库的可用性，许多DBMS提供了数据库镜像（Mirror）功能用于数据库恢复。,第七章 数据库恢复技术7.7 数据库镜像,数据库镜像（Mirror）功能是根据DBA的要求，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。 每当主数据库更新时，DBMS自动把更新后的数据复制过去，即DBMS自动保证镜像数据与主数据的一致性(图7.5a)。这样，一旦出现介质故障，可由镜像磁盘继续提供使用，同时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

24、副本(图7.5b)。,第七章 数据库恢复技术7.7 数据库镜像,应用1,镜像,应用3,应用2,应用4,update,Read,应用1,复制,恢复,图7.5 数据库镜像,第七章 数据库恢复技术7.7 数据库镜像,在没有出现故障时，数据库镜像还可以用于并发操作，即当一个用户对数据加排他锁修改数据时，其他用户可以读镜像数据库上的数据，而不必等待该用户释放锁。 由于数据库镜像会降低系统运行效率，因此在实际应用中用户往往只选择对关键数据和日志文件镜像。,第七章 数据库恢复技术7.8 Oracle的恢复技术,参阅P260-261,第七章 数据库恢复技术,小结： 保证数据一致性是对数据库的最基本的要求。事务是数据库的逻辑工作单位，DBMS要能够保证数据库处于一致状态，为此，DBMS必须对事务故障、系统故障和介质故障进行恢复。 数据库转储和登记日志文件是恢复中最经常使用的技术。恢复的基本原理就是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。 事务是恢复的基本单位。,