数据库幻灯片--08章-数据恢复技术和并发控制

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1、第8章 数据库恢复和并发控制,本章要点,事务的基本概念 数据库恢复 恢复的定义、原则和方法 故障的种类及恢复方法 具有检查点的恢复技术 数据库镜像 并发控制 并发操作带来的数据不一致性 封锁 活锁和死锁 并发调度的可串行性 两段锁协议 封锁的粒度,8.1 事务,8.1.1 事务的基本概念,所谓事务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。 事务开始与结束可以由用户显式控制。如果没有显式定义事务，则由DBMS按缺省规定自动划分事务。,在SQL中，定义事务的语句有三条： BEGIN TRANSACTION COMMIT（提交将事务中所有对数据库的更新写回

2、到磁盘上的物理数据库中。） ROLLBACK（回滚，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，回滚到事务开始时的状态。）,示例,银行转帐：从A帐户过户1000￥到B帐户 read(A); A := A 1000; write(A); read(B); B := B + 1000; write(B); read(X)：从数据库传送数据项X到事务的工作区中 write(X)：从事务的工作区中将数据项X写回数据库,8.1.2 事务的性质,原子性(Atomicity) 事务中包含的所有操作要么全做，要么全不做 原子性由恢复机制实现 一致性(Co

3、nsistency) 事务开始前，数据库处于一致性的状态； 事务结束后，数据库必须仍处于一致性状态 事务的隔离执行必须保证数据库的一致性,隔离性(Isolation) 系统必须保证事务不受其它并发执行事务的影响 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 持续性(Durability) 一个事务一旦提交之后，它对数据库的影响必须是永久的 系统发生故障不能改变事务的持久性,ACID特性可能遭到破坏的因素,多个事务并行运行时，不同事务的操作交叉执行 事务在运行过程中被强行停止,8.2 数据库恢复技术,故障是不可避免的 计算机硬件故障 系统软件和应用软件的错误 操作员的失误 恶意的破坏 故

4、障的影响 运行事务非正常中断 破坏数据库,数据库管理系统对故障的对策,DBMS提供恢复子系统 保证故障发生后，能把数据库中的数据从错误状态恢复到某种逻辑一致的状态 保证事务ACID 恢复技术是衡量系统优劣的重要指标,8.2.1 故障的种类,1. 事务故障,事务故障是某个事务在运行过程中由于种种原因未运行至正常终点就终止了。 常见原因 运算溢出、并发事务发生死锁、违反完整性限制 恢复方法 DBMS的恢复子系统要在不影响其他事务运行的情况下，强行回滚(ROLLBACK)该事务。 这类恢复操作称为事务撤消(UNDO)。,2. 系统故障,指造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。 整个系统的正

5、常运行突然被破坏 所有正在运行的事务都非正常终止 内存中数据库缓冲区的信息全部丢失 外部存储设备上的数据未受影响,系统故障的常见原因,操作系统或DBMS代码错误 操作员操作失误 特定类型的硬件错误（如CPU故障） 突然停电,恢复方法：,系统故障的恢复是由系统在重新启动时自动完成的，不需要用户干预。 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，强行撤销所有未完成事务。（undo） 对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，应将这些已提交的结果重新写到数据库。恢复子系统除需要撤消所有未完成事务外，还需重做（redo）所有已提交的事务,3. 介质故

6、障,硬件故障使存储在外存中的数据部分丢失或全部丢失 介质故障比前两类故障的可能性小得多，但破坏性大得多,介质故障的常见原因,硬件故障 磁盘损坏 磁头碰撞 操作系统的某种潜在错误 瞬时强磁场干扰,介质故障的恢复,装入数据库发生介质故障前某个时刻的数据副本 装入相应的日志文件副本，重做自此时始的所有成功事务，将这些事务已提交的结果重新记入数据库,4. 计算机病毒和人为破坏,计算机病毒是一种人为的故障或破坏。 由于用户有意或无意的操作也可能删除数据库中的有用的数据或加入错误的数据，这同样会造成一些潜在的故障。,8.2.2 恢复的实现技术,故障对数据库的影响,数据本身被破坏； 数据库没有被破坏，但数据

7、可能不正确，这是由于事务的运行被非正常终止造成的。,恢复操作的基本原理,恢复操作的基本原理：冗余 利用存储在系统其它地方的冗余数据来重建数据库中已被破坏或不正确的那部分数据 恢复的实现技术复杂 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,恢复机制涉及的关键问题,如何建立冗余数据 数据转储（backup） 登录日志文件（logging） 如何利用这些冗余数据实施数据库恢复,分类,定义：所谓转储 即DBA周期性地将整个数据库复制到另一个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或后援副本。,1. 数据转储,静态转储,在系统中无运行事务时进行的转储操作。即转储操作开始的时

8、刻，数据库处于一致性状态，而转储期间不允许（或不存在）对数据库的任何存取、修改活动。,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。,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,2. 登记日志文件,一、日志文件的内容 二、日志文件的作用 三、登记日志文件的原则,日志文件的内容,日志文件是用来记录事务对数据库的更新操作的文件。 格式 以记录为单位 以数据块为单位,日志文件的作用,进行事务故障和系统故障恢复 动态转储方式中的数据库恢复 静态转储方式中，协助后备副本进行故障恢复,登记日志文件的原则,登记的次序严格按并

9、行事务执行的时间次序 必须先写日志文件，后写数据库 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,8.2.3 故障恢复的策略,1 事务故障的恢复,(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，即将日志记录中“更新前的值”写入数据库。对于插入操作，由于“更新前的值”为空，则相当于做删除操作；对于删除操作，由于“更新后的值”为空，则相当于做插入操作；若是修改操作，则用“更新前的值”代替“更新后的值”。 (3) 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。 (4)

10、 依次类推，直至读到此事务的开始标记，事务故障恢复就完成了。,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 一些未完成事务对数据库的更新已写入数据库 一些已提交事务对数据库的更新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,系统的恢复步骤,(1) 正向扫描日志文件，即从头扫描日志文件。找出故障发生前已经提交的事务，这些事务既有BEGIN TRANSACTION记录，也有COMMIT记录，将其事务标识记入REDO队列。同时找出故障发生时尚未完成的事务，这些事务只有BEGIN

11、TRANSACTION记录，无相应的COMMIT记录，将其事务标识记入UNDO队列。 (2) 反向扫描日志文件，对UNDO队列事务进行撤销处理。对每个UNDO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。 (3) 正向扫描日志文件，对REDO队列事务进行重做处理。对每个REDO事务重新执行日志文件登记的操作，即将日志记录中“更新后的值”写入数据库。,3 介质故障的恢复,（1） 装入最新的后备数据库副本，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，装入后数据库即处于一致性状态 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，利用与恢复系

12、统故障相同的方法（即REDO+UNDO），才能将数据库恢复到一致性状态。,（2） 装入有关的日志文件副本，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。,4. 具有检查点的恢复技术,恢复时的问题： 搜索整个日志将耗费大量的时间 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 解决办法： DBMS定时设置检查点 在检查点时刻才真正做到把对DB的修改写到磁盘。当DB需要恢复时，只有

13、检查点后面的事务需要恢复。,具有检查点的恢复技术的实现,在日志文件中增加一类新的记录 检查点记录，内容包括： 建立检查点时刻所有正在执行的事务清单。 这些事务最近一个日志记录的地址。 增加一个重新开始文件 内容：记录各个检查点记录在日志文件中的地址,让恢复子系统在登录日志文件期间动态地维护日志 具体步骤是： 将当前日志缓冲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。,不要REDO,Tc(检查点),Tf(系统故障),1,2,3,4,5,REDO,撤消,REDO,撤消

14、,恢复策略,检查点方法的恢复算法,(1) 从重新开始文件找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址，由此找到日志文件中最后一个检查点记录。 (2) 由该检查点记录得到所有在检查点建立时正在执行的事务清单，将这些事务暂时放入UNDO队列。新建REDO队列并使其暂为空。 (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队列；如有提交的事务Tj，把Tj从UNDO队列移到REDO队列；直到日志文件结束。 (4) 对UNDO队列中的每个事务执行UNDO操作，对REDO队列中的每个事务执行REDO操作。,5. 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

15、库的可用性 介质故障恢复比较费时 为预防介质故障，DBA必须周期性地转储数据库 提高数据库可用性的解决方案 数据库镜像（Mirror）,DBMS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 DBMS自动保证镜像数据与主数据的一致性,数据库镜像的用途,没有出现故障时 可用于并发操作 一个用户对数据加排他锁修改数据时，其他用户可以读镜像数据库上的数据 出现介质故障时 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副本,update,update,update,read,read,read,没有出现故障时,update,update,update,read,read,

16、read,恢复,出现介质故障时,8.2.4 SQL Server的数据库恢复技术,1. 数据转储策略,只备份数据库 同时备份数据库和事务日志,2. 数据转储和恢复的SQL语句,数据转储 BACKUP DATABASE|LOG database_name |database_name_var TO ，n WITH DIFFERENTIAN,数据恢复 RESTORE DATABASE database_name | database_name_var FROM ,.n WITH REPLACE,3. SQL Server的检查点,SQL Server支持具有检查点的恢复技术。 SQL Server提供有两种方法建立检查点： 由SQL Server自动执行的检查点 由数据库所有者或DBA调用CHECKPOINT命令强制执行的检查点。,8.3 并发控制,多事务执行方式,(1)事务串行执行（seri