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1、 Chap 15Chap 15回復處理回復處理 15-1-1 資料庫系統的故障種類 15-1-2 回復處理演算法與儲存體 15-1-3 資料存取的基礎15-1 回復處理的基礎 交易失敗（Transaction Failure）：交易錯誤 是在執行交易的過程中所產生的軟體錯誤。 系統故障：斷電、網路問題或其他硬體或軟 體錯誤所導致的系統當機，因為系統當機， 儲存在記憶體的相關資料都會遺失。 儲存媒體故障：硬體磁碟讀寫頭損壞、磁區 損壞的問題或其他類似的硬碟錯誤所導致儲 存媒體儲存資料的損壞，儲存媒體錯誤會導 致資料庫系統的資料遺失，屬於資料庫系統 最嚴重的一種故障。15-1-1 資料庫系統的故障
2、種類 回復演算法主要分成兩個部分，如下所示 ： 在資料庫系統正常執行交易時：預先執行相關 操作儲存所需資料，以備資料庫系統故障時擁 有足夠資訊，可以回復資料庫系統。 當資料庫系統故障時：如果資料庫系統故障發 生錯誤，能夠回復資料庫系統滿足交易的單元 性、一致性和永久性。簡單的說，不論資料庫 系統是正常執行或故障，都一定滿足資料庫一 致性，交易的單元性和永久性。15-1-2 回復處理演算法與儲存體 儲存體可以分為三種，如下所示： 揮發性儲存體：當系統當機、斷電或停電時，其 儲存資料就會消失的儲存結構。 非揮發性儲存體：這種儲存結構是對比揮發性儲 存結構，儲存結構不會因為系統當機、斷電或停 電而使
3、其儲存的資料消失。 穩定儲存體：這是一種可以在任何資料庫故障的 情況下，不論是系統當機或磁碟讀寫頭損壞、磁 區損壞，其儲存的資料都不會消失，其作法通常 是維護多份資料，分別備份儲存在多個非揮發性 儲存結構來達成。15-1-2 回復處理演算法與儲存體 資料庫系統的資料存取（Data Access）是從 儲存裝置磁碟的資料庫存取資料，取得執行 交易所需的資料。資料存取會影響資料庫系 統故障時，可能損失的資料，相對的，回復 處理就是在救回這些遺失的資料。 資料庫系統並不是直接從儲存裝置存取資料 ，而是透過資料庫緩衝區（Database Buffer） 和主記憶體中各交易的工作區（Work Area）
4、 。15-1-3 資料存取的基礎15-1-3 資料存取的基礎-圖例 15-2-1 交易記錄 15-2-2 基於交易記錄的回復處理 15-2-3 投影分頁15-2 回復處理的方式 以SQL Server來說，記錄管理（Log Manager ）首先替每一筆交易產生唯一的交易編號， 記錄此交易所有寫入的資料庫單元操作，以 便在回復交易時，可以依據交易記錄，將所 有影響的資料回復到交易前的狀態。 交易可能擁有多項不同的寫入操作，所以同 一個交易會寫入多筆記錄，資料庫管理系統 是使用交易編號來識別相關記錄屬於哪一個 交易。15-2-1 交易記錄-說明15-2-1 交易記錄-欄位說明 例如：在SQL S
5、erver開始執行交易T時，資料 庫管理系統指定其交易編號為001，新增一筆 記錄到交易記錄，如下所示： 上述交易記錄編號是001，指令BEGIN TRAN 開始執行交易。接著將交易執行的所有 INSERT、UPDATE和DELETE指令都新增一 筆相同交易編號的記錄，如下所示：15-2-1 交易記錄-範例 基於交易記錄的回復處理（Log-Based Recovery）是使用交易記錄作為回復處理 的依據。 例如：在確認交易將更改的資料庫內容反應 到資料庫後，如果資料庫系統故障，回復處 理可以參考交易記錄（Transaction Log）來回 存各交易所作的資料庫寫入操作，以便將資 料庫內容回復
6、到交易前的狀態。15-2-2 基於交易記錄的回復處理 延遲資料庫更新（Defered Database Update） ：將交易執行的所有資料庫更新操作都寫入 交易記錄，此動作稱為記錄寫入優先協定 （Write-ahead Log Protocol），但是資料 更新是在各交易的工作區，需要等到確認交 易後，才真正寫入資料庫。 立即資料庫更新（Immediate Database Update ）：如果交易下達指令執行資料庫更新操作 ，在寫入交易記錄後，不論是否確認交易， 都立即將更新資料寫入資料庫。15-2-2 基於交易記錄的回復處理 投影分頁在執行交易的過程中維護兩份分 頁目錄，一份是目前分
7、頁目錄，一份是投 影分頁目錄，如下圖：15-2-3 投影分頁-基礎 投影分頁的回復處理十分簡單，因為交易 執行過程一直保留兩份分頁目錄，當資料 庫系統故障時，只需使用投影分頁目錄（ 一份沒有更改的資料）回存資料庫，就可 以回復到交易前狀態，取消所有的資料更 改。15-2-3 投影分頁-回復處理投影分頁的優點 投影分頁並不需要交易記錄，即不需要記錄管理來 建立交易記錄。 投影分頁回復處理十分直接簡單，如同備份的檔案 ，只需將備份檔案回存即可。 投影分頁的缺點 使用投影分頁執行交易需要複製整個磁碟分頁，十 分浪費系統資源。 確認交易時，所有更新的分頁和分頁目錄都需寫回 資料庫，增加系統的負擔。15
8、-2-3 投影分頁 更新的分頁是儲存在未使用的磁碟分頁，所以會 改變磁碟中儲存的位置，在經過多次交易後，磁 碟分頁將會打散，造成資料儲存的支離破碎。 在每次確認交易後，舊版的分頁就不再使用，這 些磁碟空間可以再收集起來重複使用，所以投影 分頁需要垃圾空間收集機制來有效的使用磁 碟分頁。 投影分頁很難擴充使用在並行執行交易，換句話 說，多個交易並行控制的資料庫系統，很難使用 投影分頁的回復方式。15-2-3 投影分頁-缺點2 交易失敗（Transaction Failure）是在交 易執行的過程中產生錯誤，導致交易無法 執行完成，換句話說，交易並沒有到達確 認交易的狀態。 例如：並行控制的死結或
9、使用者放棄交易等情 況所導致的交易失敗。 對於交易失敗的回復處理，因為資料庫系 統並沒有任何的資料遺失，所以，資料庫 管理系統的回復處理只是讓資料庫回復到 交易前狀態即可。15-3 交易失敗的回復處理-說明延遲資料庫更新的回復處理 如果資料庫管理系統是使用延遲資料庫更 新（Defered Database Update），因為交 易需要到達確認交易，才會將更新資料寫 入資料庫，如果錯誤是發生在確認交易前 ，更新資料根本還沒有寫入資料庫，所以 沒有取消任何操作的需要。15-3 交易失敗的回復處理立即資料庫更新的回復處理 如果資料庫管理系統是使用立即資料庫更 新（Immediate Databas
10、e Update），因為 交易是在尚未確認交易前，就已經立即將 更新的資料寫入資料庫，所以回復處理需 要取消交易已經執行的所有更新操作，即 所謂的UNDO程序，詳細的說明請參閱第 15-4-1節。15-3 交易失敗的回復處理 15-4-1 UNDO/REDO的回復處理 15-4-2 使用檢查點執行回復處理15-4 系統故障的回復處理 系統故障（System Failure）也稱為 軟當機（Soft Crash），這是在停電或斷 電情況下導致的系統當機，因為沒有電源 ，所以電腦主記憶體的內容會因斷電而消 失，影響目前正在執行的交易，和儲存在 工作區和緩衝區的交易資料。 在重新啟動資料庫系統後，回
11、復處理需要 決定取消哪些尚未執行確認交易的交易， 或是已經確認交易，但是尚未寫入資料庫 的交易，這些交易需要重新執行。15-4 系統故障的回復處理-說明 UNDO取消：將交易影響的資料庫資料回復 到執行交易前的狀態，如果使用立即資料庫 更新，因為已經將資料真正寫入資料庫，所 以需要參考交易記錄，一一將更新資料回存 成交易記錄的原始值（Before）。 REDO重作：如果交易已經確認交易，但是尚 未真正寫入資料庫，回復處理需要重新執行 這些交易，將資料庫更新成交易後的狀態， 也就是參考交易記錄，一一將交易更新的所 有資料項目都指定成交易記錄的更新值（ After）。15-4 系統故障的回復處理-
12、操作 UNDO/REDO演算法是基於交易記錄的回 復處理（Log-Based Recovery）最常使用 的演算法，可以分為： NO-UNDO/REDO UNDO/NO-REDO UNDO/REDO15-4-1 UNDO/REDO的回復處理延遲資料庫更新的回復處理 如果資料庫管理系統是使用延遲資料庫更新 （Defered Database Update），因為交易需要 到達確認交易狀態，才會將更新資料寫入資 料庫，如果交易錯誤是發生在確認交易前， 更新資料根本還沒有寫入資料庫，所以並不 需要執行UNDO程序。 但是，系統當機有可能是發生在確認交易之 後，而且是在真正寫入資料庫之前，所以需 要執
13、行REDO程序重作這些已經確認交易的 交易，稱為NO-UNDO/REDO演算法。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理 例如：資料表Test第1筆記錄的A欄位、第 2筆記錄的B和C欄位初值都是1000，交易 T1和T2的單元操作步驟，如下圖所示：15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（一） 如果系統當機發生故障時的交易記錄內容： 系統故障 上述交易記錄的交易T1和T2都沒有 記錄，表示交易T1和T2尚 未確認交易，所以沒有REDO程序。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（二） 如果系統當機發生故障時的交易記錄內容： 系統故障 REDO交易T1：將Test資料表第
14、1筆記錄的欄 位A改為更新值500，第2筆記錄的欄位B改為 更新值1500。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（三） 如果系統當機發生故障時的交易記錄內容，如下所示： 系統故障 REDO交易T1：將Test資料表第1筆記錄的欄位A改為更新值 500，第2筆記錄的欄位B改為更新值1500。 REDO交易T2：將Test資料表第2筆記錄的欄位C改為更新值 700。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理立即資料庫更新的回復處理 如果資料庫管理系統是使用立即資料庫更新， 因為交易是立即將更新資料寫入資料庫，第一 種情況是所有的更新操作都在確認交易前寫入 資料庫，如此並不需要REDO
15、程序，回復處理 只需UNDO取消已經執行的所有更新操作，稱 為UNDO/NO-REDO演算法。 另一種情況是允許所有更新操作在寫入資料庫 前，可以執行確認交易，如果已經確認交易， 就需要執行REDO程序，尚未確認交易則是執 行UNDO程序，稱為UNDO/REDO演算法。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（一） 系統故障 UNDO交易T1：將Test資料表第1筆記錄的 欄位A回存原始值1000，第2筆記錄的欄位B 回存原始值1000。 UNDO交易T2：將Test資料表第2筆記錄的 欄位C回存原始值1000。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（二） 系統故障 RE
16、DO交易T1：將Test資料表第1筆記錄的欄 位A改為更新值500，第2筆記錄的欄位B改為 更新值1500。 UNDO交易T2：將Test資料表第2筆記錄的欄 位C回存原始值1000。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理交易記錄（三） 系統故障 REDO交易T1：將Test資料表第1筆記錄的 欄位A改為更新值500，第2筆記錄的欄位B 改為更新值1500。 REDO交易T2：將Test資料表第2筆記錄的 欄位C改為更新值700。15-4-1 UNDO/REDO的回復處理 檢查點（Checkpoint）觀念是另一種 方法來決定系統故障時，受影響的交易範 圍，它是從故障發生的時間點到最近的檢 查點作為一個檢查範圍，找出受影響的交 易，然後決定出哪些交易需要UNDO，哪 些交易需要REDO。15-4-2
