第10章 数据库恢复技术 | 数据库知识点整理

第10章 数据库恢复技术

了解

• 数据库的一致性状态
• 数据库运行中可能产生的故障类型，它们如何影响事务的正常执行，如何破坏数据库数据
• 数据转储的概念及分类
• 数据库的镜像功能

掌握

• 事务的基本概念和事务的ACID性质
• 数据库恢复的实现技术
• 日志文件的内容及作用
• 登记日志文件所要遵循的原则
• 具有检查点的恢复技术
• 恢复的基本原理
• 针对不同故障的恢复策略和方法
• 日志文件的使用

知识点

• 事务的概念及事务的4个特性。恢复技术能保证事务的哪些特性
  • 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，是一个不可分割的工作单位事务具有4个特性（也称ACID特性）
  • • 原子性（Atomicity）
    • 一致性（Consistency）
    • 隔离性（Isolation）
    • 持续性（Durability）
  为什么事务非正常结束时会影响数据库数据的正确性，举例说明
  • 事务执行的结果必须是使数据库从一个一致性状态变到另一个一致性状态。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。
  • 例如某工厂的库存管理系统中，要把数量为Q的某种零件从仓库1移到仓库2存放。则可以定义一个事务T，T包括两个操作；Q1=Q1-Q，Q2=Q2+Q。如果T非正常终止时只做了第一个操作，则数据库就处于不一致性状态，库存量无缘无故少了Q。
  登记日志文件时为什么必须先写日志文件，后写数据库？
  • 把对数据的修改写到数据库中和把表示这个修改的日志记录写到日志文件中是两个不同的操作。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，而在运行记录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，在恢复时只不过是多执行一次UNDO操作，并不会影响数据库的正确性。所以一定要先写日志文件，即首先把日志记录写到日志文件中，然后写数据库的修改。
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  针对不同的故障，试给出恢复的策略和方法（事务故障恢复/系统故障恢复/介质故障恢复）
• • 事务故障的恢复步骤
    • 反向扫描文件日志，查找该事务的更新操作。
    • 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。直至读到此事务的开始标记，该事务故障的恢复就完成了。
    系统故障的恢复步骤
    • 正向扫描日志文件，找出在故障发生前已经提交的事务队列（REDO队列）和未完成的事务队列（UNDO队列）。
    • 对未完成的事务队列中的各个事务进行UNDO处理。
    • 对已经提交的事务队列中的各个事务进行REDO处理
    介质故障的恢复步骤
    • 装入最新的数据库后备副本（离故障发生时刻最近的转储副本），使数据库恢复到转储时的一致性状态。
    • 装入转储结束时刻的日志文件副本
    • 启动系统恢复命令，由DBMS完成恢复功能，即重做已完成的事务。
  什么是检查点记录，包括哪些内容
  • 检查点记录是一类新的日志纪录。它的内容包括
    • 建立检查点时刻所有正在执行的事务清单，如下图中的T1、T2
    • 这些事务的最近一个日志记录的地址，如下图中的D1、D2
      
      
  具有检查点的恢复技术有什么优点？举例
  • 利用日志技术进行数据库恢复时，恢复子系统必须搜索整个日志，这将耗费大量的时间。此外，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，恢复子系统又重新执行了这些操作，浪费了大量时间。检查点技术就是为了解决这些问题。
  • 例如
    
  使用检查点方法进行恢复的步骤。
  • ① 从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址，由该地址在日志文件中找到最后一个检查点记录。② 由该检查点记录得到检查点建立时刻所有正在执行的事务清单ACTIVE-LIST。
  • • 这里建立两个事务队列:
      • UNDO-LIST: 需要执行undo操作的事务集合
      • REDO-LIST: 需要执行redo操作的事务集合
    • 把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列，REDO队列暂为空。
    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-LIST队列
    • 如有提交的事务Tj，把Tj从UNDO-LIST队列移到REDO-LIST队列，直到日志文件结束
  • ④ 对UNDO-LIST中的每个事务执行UNDO操作, 对REDO-LIST中的每个事务执行REDO操作
  什么是数据库镜像？它有什么用途？
  • 数据库镜像即根据DBA的要求，自动把整个数据库或者其中的部分关键数据复制到另一个磁盘上。每当主数据库更新时，DBMS自动把更新后的数据复制过去，即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
  • • 用于数据库恢复。当出现介质故障时，镜像磁盘可继续使用，同时DBMS自动利用镜像磁盘数据进行数据库的恢复，不需要关闭系统和重装数据库副本。
    • 提高数据库的可用性。在没有出现故障时，当一个用户对某个数据加排它锁进行修改时，其他用户可以读镜像数据库上的数据，而不必等待该用户释放锁。

补充

在系统故障的恢复策略中，为什么UNDO处理反向扫描日志文件，REDO处理正向扫描日志文件

• • • 如果存在同一个数据的多个UNDO操作，需要将数据恢复到第一个失败事务之前，如果正向扫描处理日志文件，无法实现这一目标，因此应该反向扫描日志文件。对于同一个数据的多个REDO操作，需要将数据恢复到最后一个成功事务之后，因此应该正向扫描日志文件
  • 说明恢复系统是否可以保证事务的原子性和持续性
    • 原子性是指操作要么都做，要么都不做，在恢复策略中UNDO可以保证将未成功提交的事务所有操作都取消，REDO可以保证将成功提交的事务所有操作都完成，因此需确保事务的原子性；
    • 持续性是指一旦事务提交，对数据库中数据的改变是永久性的，REDO可以保证事务只要提交，改变一定被永久实现，因此要确保事务的持续性
  • 综合题
    
    
    
  • 数据库中为什么要有恢复子系统？它的功能是什么？
    • 答： 因为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是不可避免的，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，因此必须要有恢复子系统。
    • 恢复子系统的功能是：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）。
  • 数据库运行中可能产生的故障有哪几类？哪些故障影响事务的正常执行？哪些故障破坏数据库数据？
    • 事务内部的故障
    • 系统故障
    • 介质故障
    • 计算机病毒
      事务故障、系统故障和介质故障影响事务的正常执行；介质故障和计算机病毒破坏数据
  • 数据库恢复的基本技术有哪些？
    • 数据转储和登录日志文件是数据库恢复的基本技术。
    • 当系统运行过程中发生故障，利用转储的数据库后备副本和日志文件就可以将数据库恢复到故障前的某个一致性状态。
  • 数据库转储的意义是什么？ 试比较各种数据转储方法。
    • 数据转储是数据库恢复中采用的基本技术。所谓转储即DBA定期地将数据库复制到磁带或另一个磁盘上保存起来的过程。当数据库遭到破坏后可以将后备副本重新装入，将数据库恢复到转储时的状态。
      • 静态转储：在系统中无运行事务时进行的转储操作。静态转储简单，但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。显然，这会降低数据库的可用性。
      • 动态转储：指转储期间允许对数据库进行存取或修改。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。因为转储期间运行的事务可能修改了某些数据，使得后援副本上的数据不是数据库的一致版本。
      • 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（log file）。这样，后援副本加上日志文件就能得到数据库某一时刻的正确状态。
    • 转储还可以分为海量转储和增量转储两种方式。
      • 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。
      • 从恢复角度看，使用海量转储得到的后备副本进行恢复一般说来更简单些。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。
  • 什么是日志文件？为什么要设立日志文件？
    • 日志文件是用来记录事务对数据库的更新操作的文件。
    • 设立日志文件的目的是： 进行事务故障恢复；进行系统故障恢复；协助后备副本进行介质故障恢复。
  • 登记日志文件时为什么必须先写日志文件，后写数据库？
    • 把对数据的修改写到数据库中和把表示这个修改的日志记录写到日志文件中是两个不同的操作。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，而在运行记录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，在恢复时只不过是多执行一次UNDO操作，并不会影响数据库的正确性。所以一定要先写日志文件，即首先把日志记录写到日志文件中，然后写数据库的修改。
  • 一个事务的执行，要么全部完成，要么全部不做，一个事务中对数据库的所有操作都是一个不可分割的操作序列的属性是【原子性】
  • 表示两个或多个事务可以同时运行而不互相影响的是【独立性】
  • 事务的持续性是指【事务一旦提交，对数据库的改变是永久的】
  • SQL语言中的COMMIT语句的主要作用是【提交事务】
  • SQL语言中用【ROLLBACK】语句实现事务的回滚
  • 若系统在运行过程中，由于某种硬件故障，使存储在外存上的数据部分损失或全部损失，这种情况称为【介质故障】
  • 在DBMS中实现事务持久性的子系统是【恢复管理子系统】
  • 后援副本的作用是【故障后的恢复】
  • 事务日志用于保存【对数据的更新操作】
  • 数据库恢复的基础是利用转储的冗余数据。这些转储的冗余数据包括【日志文件、数据库后备副本】