数据库恢复技术
事务的基本概念
事务
定义：事务（Transaction）是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，是恢复和并发控制的基本单位。
事务和程序的区别
- 在关系数据库中，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。
事务的定义
显式定义方式
事务正常结束格式：
BEGIN TRANSACTION; SQL 语句; COMMIT;事务正常结束，提交事务的所有操作（读+更新），即事务所有对数据库的更新写回到磁盘上的物理数据库中。
事务异常终止格式：
BEGIN TRANSACTION; SQL 语句; ROLLBACK;事务异常终止，事务运行的过程中发生故障，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做撤销，事务回滚到开始时的状态。
事务的特性（ACID 特性）
原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持续性（Durability）
原子性：事务是数据库的逻辑工作单位，原子性是指事务中的诸操作要么都做，要么都不做。
一致性：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：数据库系统运行中发生故障，有些事务尚未完成就被迫中断；这些未完成事务对数据库所做的修改有一部分已写入物理数据库，这时数据库就处于一种不正确的状态。
原子性和一致性的举例
【例】银行转账：从账号 A 中取出一万元，存入账号 B。
定义一个事务，该事务包括两个操作：
- 账号 A 中取出一万元，A = A-10000。
- 账号 B 中存入一万元，B = B+10000。
这两个操作要么全做，要么全不做，全做或全不做，数据库都处于一致性状态。如果只做操作 1，用户逻辑上就会发生错误，少了一万元，数据库就处于不一致性状态。
隔离性：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。
持续性：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。
保证事务ACID特性是事务处理的任务，破坏事务 ACID 特性的因素主要有以下两方面：
多个事务并行运行时，不同事物的操作交叉执行。
数据库管理系统必须保证多个事务的交叉运行不影响这些事务的隔离性。
事务在运行过程中被强行停止。
数据库管理系统必须保证被强行终止的事务对数据库和其他事务没有任何影响。
数据库恢复概述
故障是不可避免地，故障主要包括：计算机硬件故障、软件的错误、操作员的失误、恶意的破坏等。
故障对数据库的影响主要表现为：运行事务非正常中断、影响数据库中数据的正确性、数据库全部或部分丢失数据等。
数据库恢复的作用：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。
数据库恢复子系统是数据库管理系统的一个重要组成部分，而且还相当庞大，代码占整个系统的 10%。恢复技术是衡量系统性能优劣的重要指标，因为对系统的可靠程度起到决定性作用。
故障的种类
故障的种类大致分为：事务内部的故障、系统故障、介质故障、计算机病毒四类。
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，有的是 非预期 的，不能由事务程序处理的。
【例】银行转账事务，这个事务是把一笔金额从一个账户甲转给另一个账户乙。
BEGIN TRANSACTION 读账户甲的余额BALANCE; BALANCE=BALANCE-AMOUNT; /*AMOUNT 为转账金额*/ IF (BALANCE<0) THEN { 打印'金额不足，不能转账'; /*事务内部可能造成事务被回滚的情况*/ ROLLBACK; /*撤销刚才的修改，恢复事务*/ } ELSE { 读账户乙的余额BALANCE1; BALANCE1=BALANCE1+AMOUNT; 写回BALANCE1; COMMIT; }
【说明】
- 这个例子所包括的两个更新操作要么全做要么全不做。
- 当账户甲余额不足，应用程序可以发现并让事务回滚，撤销已作的修改，恢复数据库到正确状态。
- 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、死锁等。以后，事务故障仅指这类非预期的故障。
- 事务故障意味着事务没有达到预期的终点，数据库可能处于不正确状态。撤销该事务已经做出的任何对数据库的修改，使得该事务好像根本没有启动一样，这类恢复操作称为事务撤销（UNDO）。
系统故障
系统故障称为软故障，是指造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。
故障表现: 整个系统的正常运行突然被破坏，内存中数据库缓冲区的信息全部丢失，所有正在运行的事务都非正常终止，不破坏数据库。
常见原因：特定类型的硬件错误（如 CPU 故障）、操作系统故障、DBMS 代码错误、系统断电等。
系统故障的恢复
表现一：发生系统故障时，一些尚未完成的事务的结果可能已送入物理数据库，造成数据库可能处于不正确状态。
恢复策略：系统重新启动时，恢复程序让所有非正常终止的事务回滚，强行撤销（UNDO）所有未完成事务。
表现二：发生系统故障时，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，系统故障使得这些事务对数据库的修改部分或全部丢失。
恢复策略：系统重新启动时，恢复程序需要重做（REDO）所有已提交的事务。
介质故障
介质故障称为硬故障，指外存故障，如磁盘损坏、磁头碰撞、瞬时强磁场干扰等。
故障表现：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，介质故障比前两类故障发生的可能性小得多，但破坏性最大。
计算机病毒
计算机病毒是一种可繁殖、传播并对计算机造成破坏的计算机程序。
计算机病毒的特点：隐蔽性、潜伏性、传染性、破坏性、寄生性。
数据库一旦被病毒破坏仍要用恢复技术把数据库加以恢复。
说明
- 各类故障对数据库的影响主要有数据库本身被破坏和数据库没有被破坏，但数据不正确。
- 恢复操作的基本原理是冗余，恢复的实现技术较为复杂，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
恢复机制涉及的关键问题是如何建立冗余数据、如何利用这些冗余数据实施数据库恢复。
建立数据冗余的方法常见方法有数据转储（backup）和登记日志文件（logging）。
什么是数据转储
数据转储是指数据库管理员定期地将整个数据库复制到磁带、磁盘或其他存储介质上保存起来的过程。这些备用的数据文本称为后备副本（backup）或后援副本。
【说明】后备副本只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。如下图：
转储方法
静态转储与动态转储
静态转储：在系统中无运行事务时进行的转储操作，即转储期间不允许对数据库进行任何存取、修改活动。
- 优点：实现简单。
- 缺点：降低了数据库的可用性，因为转储必须等待正运行的用户事务结束，新的事务必须等转储结束。
动态转储：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：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。
- 缺点：不能保证副本中的数据正确有效。
【例】在转储期间的某时刻 Tc，系统把数据 A = 100 转储到磁带上，而在下一刻 Td，某一事物将 A 改为 200，后备副本上的 A 过时了。
【说明】利用动态转储得到的副本进行故障恢复，需要把动态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。后备副本加上日志文件就嫩 2 把数据库恢复到某一时刻的正确状态。
海量转储与增量转储
海量转储：每次转储全部数据库。
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：
从恢复角度看，使用海量转储得到的后被副本进行恢复往往更方便。
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。
| 转储方式 | 转储状态 | |
| 动态转储 | 静态转储 | |
| 海量转储 | 动态海量转储 | 静态海量转储 |
| 增量转储 | 动态增量转储 | 静态增量转储 |
登记日志文件
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。
日志文件的格式：以记录为单位的日志文件和以数据块为单位的日志文件两种。
以记录为单位的日志文件需要登记的内容：
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；
以上均作为日志文件中的一个日志记录（log record）。
每条日志记录（log record）的内容：
事务标识（标明是那个事务）。
操作类型（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）。
以数据块为单位的日志文件，每条日志记录的内容：
事务标识、被更新的数据块。
日志文件的作用：用于事务故障恢复和系统故障恢复，并协助后备副本进行介质故障恢复，具体为：
- 事务故障恢复和系统故障恢复必须用日志文件。
- 在动态转储方式中必须建立日志文件，后备副本和日志文件结合起来才能有效地恢复数据库。
- 在静态转储方式中，也可以建立日志文件。利用日志文件把已完成地事务进行重做处理，对故障发生时尚未完成的事务进行撤销处理。
登记日志文件：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发事务执行的时间次序。
- 必须先写日志文件，后写数据库。
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，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。
恢复策略
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销（UNDO）此事务已对数据库进行的修改。
故障的恢复步骤：
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。
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”写入数据库。
插入操作，“更新前的值”为空，则相当于做删除操作。
删除操作，“更新后的值”为空，则相当于做插入操作。
修改操作，则相当于用修改前值代替修改后值。
继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样处理。
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。
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：一是未完成事务对数据库的更新可能已写入数据库，二是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。
系统故障的恢复步骤：
- 正向扫描日志文件（即从头扫描日志文件）：找出在故障发生前已经提交的事务，加入重做队列，找出故障发生时尚未完成的事务，加入撤销队列。
- 对撤销队列事务进行撤销处理：反向扫描日志文件，对每个撤销事务的更新操作执行逆操作，即将日志记录中“更新前的值”写入数据库。
- 对重做队列事务进行重做处理：正向扫描日志文件，对每个重做事务重新执行登记的操作，即将日志记录中“更新后的值”写入数据库。
介质故障的恢复
介质故障后磁盘上的物理数据库和日志文件被破坏，这是最严重的一种故障，恢复方法是重装数据库，然后重做已完成的事务。
恢复步骤；
装入最新的后备数据库副本（离故障发生时刻最近的转储副本），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，利用恢复系统故障的方法（即 REDO+UNDO），才能将数据库恢复到一致性状态。
装入有关的日志文件副本（转储结束时刻的日志文件副本），重做已完成的事务。
- 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。
【说明】介质故障的恢复需要数据库管理员介入，数据库管理员的工作是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，具体的恢复操作仍由数据库管理系统完成。
具有检查点的恢复技术
问题的提出
利用日志技术进行数据库恢复时，恢复子系统必须搜索日志，确定那些事务需要重做，那些事务需要撤销。但存在两个问题：一是搜索整个日志将耗费大量的时间，二是重做处理，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，即在日志文件中增加检查点记录，增加重新开始文件，恢复子系统在登陆日志文件期间动态地维护日志。
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地事务清单。
- 这些事务最近一个日志记录地地址。
- 重新开始文件地内容。
- 记录各个检查点记录在日志文件中的地址。
动态维护日志文件的方法是，周期性地执行如下操作：建立检查点，保存数据库状态。具体步骤是：
- 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。
- 在日志文件中写入一个检查点记录。
- 将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中。
- 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。
【说明】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，即按照预定的一个时间间隔，如每隔一小时建立一个检查点或按照某种规则，如日志文件已写满一半建立一个检查点。
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 T 执行重做操作。
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，具体如下图：
【说明】
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，在故障点之时还未完成。
T3 和 T5 在故障发生时还未完成，所以予以撤销。
T2 和 T4 在检查点之后才提交，它们对数据库所做的修改在故障发生时可能还在缓冲区中，尚未写入数据库，所以要重做。
T1 在检查点之前已提交，所以不必执行重做操作。
利用检查点的恢复步骤:
- 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。
- 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 和 REDO-LIST。把 ACTIVE-LIST 暂时放入 UNDO-LIST 队列，REDO 队列暂时为空。
- 从检查点开始正向扫描日志文件，直到日志文件结束。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；直到日志文件结束。
- 对 UNDO-LIST 中每个事务执行 UNDO 操作，对 REDO-LIST 中的每个事务执行 REDO 操作。
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，因为当出现介质故障时全部应用中断，恢复比较费时。为预防介质故障，数据库管理员必须周期性地转储数据库。
为了有效预防介质故障，提高数据库可用性，提出了数据库镜像（Mirror）的解决方案。
数据库镜像：数据库管理系统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，数据库管理系统自动把更新后的数据复制过去，保证镜像数据与主数据的一致性。
出现介质故障时可由镜像磁盘继续提供使用，同时数据库管理系统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，其他用户可读镜像数据库上的数据，不必等待该用户释放锁。
