数据库恢复技术2.ppt

1/38,计算机学院 陈丰 ,数据库系统概论,2/38,第10章 数据库恢复技术,本书第10章、第11章讨论事务处理技术。 l 事务-是一系列的数据库操作，是数据库应用程序的基本逻辑单元。 l 事务处理技术-主要包括: n 数据库恢复技术 n 数据库并发控制技术 数据库恢复机制和并发控制机制是数据库管理系统的重要组成部分。本章讨论数据库恢复的概念和常用技术。,3/38,第10章 数据库恢复技术,10.1 事务的基本概念 10.2 数据库恢复概述 10.3 故障的种类 10.4 恢复的实现技术 10.5 恢复策略 小结,4/38,问题：系统软、硬件故障对系统数据造成破坏时，该如何处理？ 例：银行转帐 设从帐号A中拨一笔款X（如1000元）到帐号B，正常的执行过程是： 查看帐号A上是否有足够的款数，即余额 X ？ 若余额 X, 则给出提示信息，中止执行。 若余额 X，则执行下面三步： 在A中记上一笔支出，从余额中减去 X； 把值X传到B上； 在B中记上一笔收入，在余额上加X，结束。,若在执行了第二步后突然断电或线路传输错误，则导致帐面不平,5/38,10.1 事务的基本概念,一、什么是事务 二、如何定义事务 三、事务的特性,6/38,一、什么是事务,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。 事务是恢复和并发控制的基本单位,7/38,二、如何定义事务,1. 显式定义方法：,BEGIN TRANSACTION BEGIN TRANSACTION SQL 语句1 SQL 语句1 SQL 语句2 SQL 语句2 COMMIT ROLLBACK,说明：,COMMIT提交 事务正常结束 提交事务的所有操作（更新） 事务中所有对数据库的更新永久生效,ROLLBACK回滚 事务异常终止 事务运行的过程中发生了故障，不能继续执行 撤消事务中对数据库的所有更新操作 事务滚回到开始时的状态,2. 隐式定义方法 当用户没有显式地定义事务时，DBMS按缺省规定自动划分事务,8/38,三、事务的特性(ACID特性),事务的ACID特性： 原子性（Atomicity） 一致性（Consistency） 隔离性（Isolation） 持续性（Durability ）,9/38,1.原子性（Atomicity）：事务是DB的逻辑工作单位，事务 中包括的诸操作要么都做，要么都不做。,2.一致性（Consistency）：事务对数据库的作用应使数据库 从一个一致性状态到另一个一致性状态,三、事务的特性(ACID特性),一致性状态：当数据库只包含成功事务提交的结果时，就说数据库处于“一致性状态”。,不一致状态：如果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”，或者说是“不一致的状态”。,10/38,例 银行转帐：从帐号A中取出一千元，存入帐号B。,定义一个事务，该事务包括两个操作,这两个操作要么全做，要么全不做： 全做或者全不做，数据库都处于一致性状态。 如果只做一个操作则用户逻辑上就会发生错误，出 现一千元的错账，这时数据库就处于不一致性状态。 可见一致性与原子性是密切相关的。,三、事务的特性(ACID特性),11/38,3.隔离性（Isolation）：一个事务的执行不能被其他事务干扰。即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相互干扰。,三、事务的特性(ACID特性),4.持久性（Durability）：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。后续其他操作或故障不应该对其执行结果有任何影响,12/38,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)多个事务并发运行时，不同事务的操作交叉执行； (2)事务在运行过程中被强行停止。 其中： 在第一种情况下，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原子性。 在第二种情况下，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。,并发控制机制,恢复机制,三、事务的特性(ACID特性),13/38,10.2 数据库恢复概述,数据库系统中故障发生的客观性、危害性及恢复的必要性： l故障发生的客观性 尽管数据库系统中采取了各种保护措施来防止数据库的安全性和完整性被破坏，保证并发事务的正确执行，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。 l故障发生的危害性 这些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。 l故障恢复的必要性 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。,14/38,恢复子系统在DBMS中的地位与作用： l 是数据库管理系统的一个重要组成部分，而且还相当庞大，常常占整个系统代码的百分之十以上。 l 数据库系统所采用的恢复技术是否行之有效，不仅对系统的可靠程度起着决定性作用， l 而且对系统的运行效率也有很大影响， l 是衡量系统性能优劣的重要指标。,15/38,10.3 故障的种类,一、事务内部的故障 二、系统故障 三、介质故障 四、计算机病毒,16/38,一、事务内部的故障,可预期的故障 例如：银行转账事务，这个事务把一笔金额从一个账产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 (BALANCE0) THEN 打印 金额不足，不能转账； ROLLBACK； (撤销该事务) ELSE 写回BALANCE； 读账户乙的余额BALANCE1； BALANCE1=BALANCE1+AMOUNT； 写回BALANCE1； COMMIT； 有的是非预期的故障，不能由事务程序处理的。,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销该事务 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。 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，数据库可能处于不正确状态。 恢复程序要在不影响其他事务运行的情况下，强行回滚(ROLLBACK)该事务， 撤销该事务已经作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)。,18/38,二、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。例如： 特定类型的硬件错误(CPU故障) 操作系统故障 DBMS代码错误 突然停电等,19/38,系统故障，导致的后果： 这类故障影响正在运行的所有事务，但不破坏数据库。 l一些尚未完成的事务的结果可能已送入物理数据库，从而造成数据库可能处于不正确的状态。 l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，这也会使数据库处于不一致状态。,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,重做(REDO)所有已提交的事务，以将数据库恢复到一致状态。,恢复子系统必须在系统重新启动时：,20/38,三、介质故障,系统故障常称为软故障(Soft Crash)，介质故障称为硬故障(Hard Crash)。如： l 磁盘损坏、 l 磁头碰撞， l 瞬时强磁场干扰等。 硬故障，导致的后果： l 破坏数据库或部分数据库， l 影响正在存取这部分数据的所有事务。,这类故障比前两类故障发生的可能性小得多，但破坏性最大。,21/38,四、计算机病毒,l是一种人为的故障或破坏， l是一些恶作剧者研制的一种计算机程序。 l它像微生物学所称的病毒一样，可以繁殖和传播 l并造成对计算机系统包括数据库的危害。 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。,总结 各类故障，对数据库的影响有两种可能性:,数据库被破坏。,数据库没有破坏,数据不正确；,22/38,10.4 恢复的实现技术,数据库恢复的基本原理-冗余 数据库任何一部分被破坏或数据不正确时，可根据存储在系统别处的数据来重建。 恢复机制涉及的两个关键问题是： 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。 建立冗余数据，最常用的技术是： 10.4.1 数据转储 10.4.2 登记日志文件 通常，在一个数据库系统中，这两种方法是一起使用的。,23/38,转储是指DBA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。,10.4.1 数据转储,说明：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。,24/38,1. 静态转储,定义：静态转储是指在系统中无运行事务时进行转储。静态 转储得到的一定是一个数据一致性的副本.,10.4.1 数据转储,优点：实现简单,缺点：降低了数据库的可用性,转储必须等用户事务结束 新的事务必须等转储结束,25/38,2. 动态转储,定义：动态转储是指转储期间允许数据库进行存取或修改。 即转储和用户事务可以并发执行。动态转储不一定得 到一个数据一致的副本。,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,10.4.1 数据转储,26/38,例如， l 在转储期间的某个时刻Tc，系统把数据A=100转储到磁带上， l 而在下一时刻Td，某一事务将A改为200。 l 转储结束后，后备副本上的A已是过时的数据了。 为此，可以做以下改进： l 必须把转储期间各事务对数据库的修改活动登记下来， l 也即建立日志文件(log file)。 l 这样，后援副本加上日志文件，就能把数据库恢复到某一时刻的正确状态。,3. 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备副本进行恢复往往更方便 但如果数据库很大，事务处理又十分频繁，则增量转储方式更实用更有效,转储方法分类,28/38,1.定义 日志（log）文件：用来记录事务对数据库的更新操作的文件。 动态转储方式必须建立日志文件 静态转储方式最好建立日志文件,2.日志文件的格式（记录/数据块）和内容 1) 以记录为单位的日志文件 系统把 事务开始（BEGIN TRANSANCTION） 事务提交（COMMIT）或 事务撤消（ROLLBACK） 对数据库的插入、删除、修改等 每一个操作作为一条记录存放到日志文件中,10.4.2 登记日志文件,29/38,每条日志记录的主要内容,2)以数据块为单位的日志文件 将事务标识及更新前后的数据块均放在日志文件中。,10.4.2 登记日志文件,30/38,3.日志文件的作用 (1)事务故障恢复和系统故障恢复必须用日志文件。 (2)动态转储的后备副本进行介质故障恢复，必须用日志文件。 (3)静态转储的后备副本进行介质故障恢复，也可用日志文件。,10.4.2 登记日志文件,31/38,4.登记日志文件时必须遵循的两条原则: (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;,10.4.2 登记日志文件,有可能在这两个操作之间发生故障，即这两个写操作只完成了一个。 如果先写了数据库修改，而在日志文件中没有登记这个修改，则以后就无法恢复这个修改了。 如果先写日志，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必要的UNDO操作，并不会影响数据库的正确性。,如：欲将数据库中某记录字段的值由5改为8，登记日志文件后发生故障，则字段值仍为5，日志中不会登记该事务的COMMIT或ROLLBACK记录，事务未完成，恢复时对该操作做撤消处理，将字段值改为该修改操作的旧值5，数据库内容不变。,写日志文件操作：把表示这个修改的日志记录写到日志文件 写数据库操作： 把对数据的修改写到数据库中,32/38,4 恢复策略,10.5 恢复策略,发生故障时，利用数据库后援副本和日志文件可以将数据库恢复到某个一致性状态，但不同故障的恢复策略和方法是不一样的。 利用日志文件进行恢复 基本策略： 对于尚未提交的事务，执行撤消处理（UNDO） 对于已经提交的事务，执行重做处理（REDO） 基本方法： 扫描日志文件，确定所有已开始但尚未提交的事务 （对它们需UNDO），再确定所有已提交的事务 （对它们需REDO）,33/38,UNDO处理：若事务提交前出现异常，则对已执行的操作 进行撤消处理，使数据库恢复到该事务开始前的状态。 具体做法是：反向扫描日志文件，对每个需UNDO的事务的更新操作执行反操作。即对已插入的记录执行删除，对已删除的记录重新插入，对已修改的记录用旧值代替新值。,REDO处理：重做已提交事务的操作。 具体做法是：正向扫描日志文件重新执行登记的操作,10.5 恢复策略,有些事务虽已发出COMMIT操作，但更新的结果可能只是写到缓冲区而未能写入磁盘，或磁盘上数据库被破坏，因此需要REDO处理。,34/38,10.5.1 事务故障的恢复,事务故障是指事务被非正常终止，应根据日志文件对未完 成事务做UNDO处理，步骤如下： （1）反向扫描日志文件，查找未完成事务的更新操作； （2）对该事务的更新操作执行逆操作； （3）继续反向扫描日志文件，对遇到的更新操作做同样 处理； （4）当遇到某事务的开始标记时，停止对该事务的处理。 （5）重复上述过程，直到所有未完成事务全部UNDO完 毕。 事务故障的恢复由系统自动完成，不需要用户干预,35/38,10.5.2 系统故障的恢复,恢复的方法: 利用日志文件撤销(undo)尚未完成的事务; 利用日志文件重做(redo)已提交的事务; 步骤如下： （1）正向扫描日志文件，找出在故障发生前已提交的事务，将 它们记入重做（REDO）队列，同时找出故障发生前尚未 完成的事务，将它们