数据库恢复技术

数据库恢复技术问题的提出：数据库系统出现故障后，如何把数据库从错误状态恢复到正确状态？恢复技术：数据库备份+日志文件2023/2/1

恢复机制（recoveryscheme）是数据库系统必不可少的组成部分，它负责将数据库恢复到故障发生前的某个一致的状态。恢复机制还必须提供高可用性（highavailability），也就是说，它必须将发生故障后数据库不能使用的时间减少到最小。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，而且对系统的运行效率也有很大影响，是衡量系统性能优劣的重要指标。

实现可恢复性的基本原理是重复存储数据即“数据冗余”（DataRedundancy）。2023/2/1

故障分类

1、事务故障有两种错误可能造成事务执行失败：（1）逻辑错误。事务由于某些内部条件而无法继续正常执行；（2）系统错误。系统进入一种不良状态（如死锁），结果事务无法继续正常执行。事务内部的故障引起数据库故障，数据库可能处于不正确的状态。这种情况有的可以通过事务程序本身发现，而有的是非预期的，不能由事务程序处理。2023/2/12、系统故障

通常称为软故障，指造成系统突然停止运转的事件，包括硬件故障、数据库软件或操作系统漏洞，导致易失性存储器内容的丢失，并使得事务处理停止，而非易失性存储器完好无损。这类故障发生时，可能出现以下两种情况，破坏数据库的一致性：（1）主存内容，尤其是数据库缓冲区（内存）中的内容都被丢失，而部分尚未完成的事务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。（2）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，而使数据库处于不一致状态。2023/2/13、介质故障

通常称为硬故障，主要指外存故障，如磁盘损坏、磁头碰撞、瞬时强磁场干扰等。这类故障将破坏存储在介质上的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。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。4、计算机病毒

计算机病毒目前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，是一种人为的故障或破坏，是一种特殊的恶性计算机程序，能迅速繁殖和传播，造成对计算机系统包括数据库的危害。2023/2/1

以上各类故障对数据库的影响有两种可能性：一是数据库本身被破坏；二是数据库没有被破坏，但数据可能不正确，这是由于事务的运行被非正常中止造成的。要确定系统如何从故障中恢复，我们首先需要确定用于存储数据的设备的故障状态。其次，我们必须考虑这些故障状态对数据库内容有什么影响。然后我们可以设计在数据库故障发生后仍保证数据库一致性以及事务原子性的算法，即恢复算法。恢复的基本原理很简单。可以用一个词来概括：冗余。换句话说，就是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。2023/2/1

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。建立冗余数据最常用的技术是数据转储和登录日志文件。通常在一个数据库系统中，这两种方法是一起使用的。2023/2/11、数据转储数据转储就是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期。2023/2/1数据转储与恢复2023/2/1

转储按转储时的状态分为静态转储和动态转储。静态转储是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刻数据库处于一致性状态，而转储期间不允许对数据库的任何存取、修改活动。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，但转储必须等待正运行的用户事务结束才能进行。同样，新的事务必须等待转储结束才能执行。这样显然会降低数据库的可用性。2023/2/1

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，它不用等待正在运行的用户事务结束，也不会影响新事务的运行。但是，转储结束时后援副本上的数据并不能保证正确有效。例如，在转储期间的某个事务将A改为100。转储结束后，后备副本上的A已经是过时数据了。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（LogFile）。2023/2/1

转储按转储方式分为海量转储和增量转储。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。从恢复的角度看，用海量转储得到的后备副本进行恢复会更方便一些。但如果数据库很大，事务处理又非常频繁，则增量转储方式更实用、有效。数据转储有两种方式，分别可以在两种方式下进行，因此数据转储方法可以分为四类：动态海量转储、动态增量转储、静态海量转储和静动态增量转储。2023/2/12、日志文件日志文件是用来记录事务对数据库更新操作的文件，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。以记录为单位的日志文件包括：各个事务的开始（StartTransaction）标记、各个事务的结束（Commit或Rollback）标记、各个事务的所有更新操作。每个事务的开始标记、结束标记和每个更新操作构成一个日志记录（LogRecord）。2023/2/1

以数据块为单位的日志文件包括：事务标识（标明是哪个事务）、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）。对以数据块为单位的日志文件，日志记录的内容包括事务标识和被更新的数据块。由于将更新前的整个块和更新后的整个块都放入日志文件中，因而操作的类型和操作对象等信息就不必放入日志记录中。2023/2/1

日志文件在数据库恢复中起着非常重要的作用，可以用来进行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。具体的作用如下：

①事务故障恢复和介质故障恢复必须用日志文件。

②在动态转储方式中必须建立日志文件，后备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备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，对故障发生时尚未完成的事务进行撤消处理。2023/2/1利用日志文件恢复数据库2023/2/1

为保证数据库是可恢复的，登记日志文件时必须遵守两条原则：

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。2023/2/1

恢复策略

1、事务故障的恢复事务故障是指事务在运行至正常结束点前被中止。事务故障的恢复是由系统自动完成的，对用户透明。

系统的恢复步骤是：（1）反向扫描日志文件，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）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，直至读到该事务的开始标记，事务故障恢复就完成。2023/2/12、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。因此恢复操作就是要撤消故障发生时未完成的事务，重做已完成的事务。

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。2023/2/1

系统的恢复步骤是：（1）正向扫描日志文件，找出在故障发生前已经提交的事务，将其事务标识记入重做队列，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。2023/2/13、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。恢复方法是重装数据库，然后重做已完成的事务。2023/2/1系统的恢复步骤：（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）装入转储结束时刻的日志文件副本，重做已完成的事务。介质故障的恢复需要DBA介入。DBA只需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。2023/2/14、具有检查点的恢复技术

问题的提出：在执行恢复操作时，需要扫描整个日志文件，有可能重复执行某些操作。检查点的用途是在磁盘上建立事务处理一致性的标志。技术原理：在日志文件中增加一类新记录，检查点；增加一个重新开始文件；恢复子系统动态维护日志。2023/2/1检查点的有关文件2023/2/1具有检查点的数据库恢复策略2023/2/15、数据库镜像

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。其方法是DBMS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，并自动保证镜像数据与主数据的一致性，即每当主数据库更新时，DBMS自动把更新后的数据恢复过去。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，不需要关闭系统或重装数据库副本。2023/2/12023/2/16、远程备份系统

现代数据库应用要求事务处理系统提高可用性，传统的事务处理系统是集中式或客户/服务器模式的系统。这样的系统易遭受火灾、洪水或地震等自然灾害的毁坏。故要求数据库系统有抗破坏力，使之无论在系统故障还是自然灾害下都能快速恢复运行。获得高可用性的方法之一是远程备份系统，即在一个主站点(PrimarySite)执行事务处理，使用一个远程备份(RemoteBackup)站点以应付突然事件。一开始所有站点的数据都被复制到远程备份站点。随着更新在主站点上执行，远程站点必须保持与主站点同步。2023/2/1

同步方法是：通过发送所有主站点的日志记录到远程备份站点，远程备份站