跳转至

恢复 (Recovery)

故障 → 恢复（保证原子性和持久性）

故障

  • 事务故障：事件执行失败
    • 逻辑错误：内部错误（非法数据）
    • 系统错误：e.g. 死锁
  • 系统崩溃（e.g. 硬件故障，导致易失处理器的内容丢失）
    • 故障-停止假设：我们假设系统在遭遇故障时会自动停止
  • 磁盘故障：写失败，数据丢失

恢复算法

分为两个部分：

  • 正常事务中：记录一些额外的信息，保证有足够的信息用来恢复
  • 故障后：如何利用以上的额外信息保证数据库的一致性、事务原子性、持久性

存储器结构

  1. 易失性存储器：主存、缓存
  2. 非易失性存储器：磁盘
    • 但他们也可能故障，丢掉所有的数据
  3. 稳定存储器：一种可以在近乎所有故障中保存信息的存储器
    • 实现：使用多个非易失存储器，以独立的故障模式复制所需信息，以可控的方式更新信息

稳定存储器实现

数据块的传输

  1. 成功完成
  2. 部分失败：目标块有错误的信息
  3. 完全失败

防止传输过程导致的不一致性质：

  1. 将信息写入第二个物理块
  2. 当第一次写成功完成后，将相同信息写入第二个物理块
  3. 当第二次写成功完成后，就成功传输了一个块

如何恢复：

  1. 检查每一个块两个拷贝是否一致
  2. 如果不一致，将 写入成功的块覆盖到不成功的块，或者进行一次重传

数据访问

不是直接访问磁盘，而是通过内存进行缓存。

  • 物理块（在磁盘上）
  • 缓存块（在内存中）

两个操作：

  • input(A) 传输物理块 A 到主存
  • output(B) 传输缓存块 B 到磁盘，替换磁盘上原有的块

对于每个事务 \(T_i\)，都有一个私有的工作区，将数据项 \(X\) 记录为 \(x_i\)，两个操作：

  • read(X) ：将数据项 \(X\) 的值赋予局部变量 \(x_i\)
  • write(X)：将局部变量 \(x_i\) 的值赋予缓冲块中的数据项 \(X\)
    • 如果 \(X\) 所在块不在主存中，需要先进行一次 input

恢复与原子性

基于日志的恢复方法

日志，就是日志记录（log record）的序列

几种日志记录：

  • 事务开始：<T_i start>
  • 事务提交：<T_i commit>
  • 事务中止：<T_i abort>
  • 写：<T_i, X, V_1, V_2>

数据库修改

  • 延迟修改；事务直到提交都还没有修改数据库
  • 立即修改：事务在活跃的时候就修改了数据库

事务提交

重做和撤销事务

  • undo(T_i)：对每一个写的日志，倒着把旧的值写进去；完成之后写入一个 abort
  • redo(T_i)：注意没有日志

从失败中恢复过来：

  1. 有 <T_i start>，没有 commit 或者 abort → 执行 undo
  2. 有 <T_i start>，也有 commit 或者 abort → 执行 redo

检查点

减少恢复的耗时，引入定时执行的 “检查点”：

  1. 将当前位于主存所有日志记录输出到稳定存储器
  2. 将所有修改过的缓冲块输出到磁盘
  3. 加入一个日志记录：<checkpoint L>，其中 L 是执行检查点的时候活跃的事务。

注意：执行检查点时，所有事务的更新操作都需要暂停运行。

系统崩溃恢复之后：

  1. 找到最后一个 <checkpoint L>
  2. 对 L 中的事务，以及在 checkpoint 之后猜 start ，执行 redo 或者 undo

恢复算法

用日志方法的完整的恢复算法：

缓冲区管理

恢复技巧需要额外的一些要求，先写日志要求（Write-Ahead-Log，WAL）

  1. 在 <T_i commit> 输出到稳定存储器之后，事务 \(T_i\) 进入提交状态
  2. 在 <T_i commit> 输出到稳定存储器之前，事务 \(T_i\) 的所有日志记录必须已经输出到稳定存储器
  3. 在主存中的数据块输出到数据库（非易失存储器）之前，与该块中数据有关的所有日志记录必须先输出到稳定存储器。

缓存策略：

  1. 强制缓存：事务在提交的时候会将修改的所有快都输出到磁盘。
  2. 非强制策略：一个事务修改的某些块还没有被输出到磁盘的时候，也允许它提交。
  3. 抢占策略：允许系统将修改过的块写到磁盘，即使这些事务还没有完全提交。
  4. 非抢占策略：一个仍然活跃的事务修改过块都不应该被写出到磁盘。

如何输出到磁盘：

  1. 首先获得该块上的排他锁（latch），确保没有其他块在对这个块执行写操作
  2. 将日志记录输出到稳定存储器，直至该块相关的所有日志记录都输出完成
  3. 将该块输出到磁盘
  4. 输出完成就释放锁

一些问题：

  • 如果使用虚拟内存，容易被操作系统放到 swap 里面，导致很大的 overhead IO
  • 绝大多数的系统并不支持直接控制虚拟内存

非易失存储器上的数据丢失的故障

基本的机制是周期性的转储(dump)，类似检查点：

  1. 将在主存中的日志记录输出到稳定存储器中
  2. 将缓存块输出到磁盘中
  3. 将数据库的内容拷贝到稳定存储器中
  4. 将 <dump> 日志记录输出到稳定存储器中。

恢复：

  • 从最近的 dump 恢复到数据库
  • 把 dump 之后的所有部分都 redo 一遍

远程备份系统

主站点和辅助站点

  • 故障检测
  • 控制权移交
  • 恢复时间
  • 提交时间