（教妹学数据库系统）（十二）故障恢复

hello大家好，好久不见！今天我们继续学习《教妹学数据库系统》。教妹学数据库，没见过这么酷炫的标题吧？“语不惊人死不休”，没错，标题就是这么酷炫。

我的妹妹小埋18岁，校园中女神一般的存在，成绩优异体育万能，个性温柔正直善良。然而，只有我知道，众人眼中光芒万丈的小埋，在过去是一个披着仓鼠斗篷，满地打滚，除了吃就是睡和玩的超级宅女。而这一切的转变，是从那一天晚上开始的。

从此之后，小埋经常让我帮她辅导功课。今天她想了解数据库系统中的故障恢复。本篇教程通过我与小埋的对话的方式来谈一谈故障恢复。

故障恢复(failure recovery)

故障发生后，DBMS将数据库恢复到最新的一致性状态

故障(Failure)的类型

事务故障

逻辑错误(LogicalErrors)

• 事务由于内部错误(internalerror)而无法完成，如违反完整性约束(integrityconstraint)

内部状态错误(InternalStateErrors)

• DBMS由于内部状态错误(如死锁)而必须中止活跃事务(activetxn)

系统故障(SystemFailures)

软件故障(SoftwareFailures)

• DBMS实现的bug所导致的故障

硬件故障(HardwareFailures)

• 运行DBMS的计算机发生崩溃(crash)，如断电

• 假设系统崩溃不会损坏非易失存储器中的数据

存储介质故障(StorageMediaFailures)

非易失存储器发生故障，损坏了存储的数据

假设数据损坏可以被检测，如使用校验码(checksum)

任何DBMS都无法从这种故障中恢复，必须从备份(archive)中还原(restore)

Buffer Pool Policies

DBMS在故障恢复时会做2种操作

撤销(Undo)

• Undo未完成事务(incomplete txn)对数据库的修改

重做(Redo)

• Redo已提交事务(committed txn)对数据库的修改

DBMS如何支持undo和redo取决于DBMS如何管理缓冲池(bufferpool)

STEAL策略

DBMS是否允许将未提交事务所做的修改写到磁盘并覆盖现有数据?

• STEAL:允许
• NO-STEAL:不允许

FORCE策略

DBMS是否要求事务在提交前必须将其所做的修改全部写回磁盘?

• FORCE:要求
• NO-FORCE:不要求

缓冲池策略(Buffer Pool Policies)

例如：NO-STEAL+FORCE

shadow paging

NO-STEAL ⇒ 未提交事务不可能将其修改写回磁盘 ⇒ 无需undo

FORCE ⇒ 已提交事务已将其修改全部写回磁盘 ⇒ 无需redo

优点: 实现简单

缺点: 缓冲池得能存得下所有未提交事务所做的修改

Write-Ahead Logging(WAL)

预写式日志(WAL)

DBMS在数据文件(datafile)之外维护一个日志文件(logfile)，用于记录事务对数据库的修改。

• 假定日志文件存储在稳定存储器(stable stroage)中

• 日志记录(log record)包含undo或redo时所需的信息

DBMS在将修改过的的对象写到磁盘之前，必须先将修改此对象的日志记录刷写到磁盘。

WAL协议(WAL Protocol)

当事务Ti启动时，向日志中写入记录

• tid:Ti的ID(txn ID)

当Ti提交时，向日志中写入记录

• 在DBMS向应用程序返回确认消息之前，必须保证Ti的所有日志记录都已刷写到磁盘

当Ti修改对象A时，向日志中写入记录

• oid:A的ID(object ID)
• before:A修改前的值(undo时用)
• after:A修改后的值(redo时用)

基于WAL的故障恢复

第1部分:事务正常执行时的行为

• 记录日志

• 按照缓冲池策略将修改过的对象写到磁盘

第2部分: 故障恢复时的行为

• 根据日志和缓冲池策略，对事务进行undo或redo

根据日志的事务分类

根据日志将事务分为3类

已提交事务(Committed Txn)

• 既有，又有

不完整事务(Incomplete Txn)

• 只有，而没有

已中止事务(AbortedTxn)

• 既有，又有

• 在事务正常执行和故障恢复过程中，如果T所做的修改已全部撤销，则将日志记录写到日志

• 已中止事务相当于从未执行过，故不需要undo，更不需要redo

WAL协议的分类

根据缓冲池策略的不同，可以实现3类WAL协议

• UndoLogging: WAL+STEAL+FORCE

• RedoLogging: WAL+NO-STEAL+NO-FORCE

• Redo+UndoLogging: WAL+STEAL+NO-FORCE

WAL Undo Logging

基于Undo Logging的事务正常执行时的行为

基于Undo Logging的故障恢复

已提交事务(Committed Txn): 不需要恢复

• FORCE=⇒已提交事务所做的修改已全部写入磁盘

不完整事务(Incomplete Txn): 全部undo

• STEAL=⇒不完整事务所做的一部分修改可能已经写入磁盘

从后(最后一条记录)向前(第一条记录)扫描日志。根据每条日志记录的类型执行相应的动作。

WAL Redo Logging

事务正常执行时的行为

基于Redo Logging的事务正常执行时的行为

基于Redo Logging的故障恢复

已提交事务(CommittedTxn): 全部redo

• NO-FORCE ⇒ 已提交事务所做的修改可能尚未全部写入磁盘

不完整事务(IncompleteTxn): 不需要恢复

• NO-STEAL ⇒ 不完整事务所做的任何修改都未写入磁盘
  
  
  
  

WAL Redo+Undo Logging

已提交事务(CommittedTxn): 全部redo

• NO-FORCE ⇒ 已提交事务所做的修改可能尚未全部写入磁盘

不完整事务(IncompleteTxn): 全部undo

• STEAL ⇒ 不完整事务所做的一部分修改可能已经写入磁盘

基于Redo+UndoLogging的故障恢复方法

Redo阶段: redo已提交事务

• 与基于RedoLogging的故障恢复方法相同

Undo阶段: undo不完整事务

• 与基于UndoLogging的故障恢复方法相同

先redo，再undo



缓冲池策略的比较

组提交(GroupCommit)

每条日志记录单独刷写(flush)到磁盘的I/O开销太大。

在内存中设置日志缓冲区(logbuffer)，将日志记录写到日志缓冲区，然后成批刷写到日志文件。

• 日志缓冲区满时刷写
• 定时刷写

Checkpoints

1. WAL的问题

• 日志永远在变大
• 故障恢复时需要扫描日志，恢复时间越来越长

2. 检查点(Checkpoints)

DBMS定期设置检查点(checkpoint)

• 将日志刷写到磁盘
• 根据缓冲池策略，将脏页(dirtypage)写到磁盘
• 故障恢复时只需扫描到最新的检查点

3. 模糊检查点(FuzzyCheckpoints)

检查点开始: 向日志中写入

• T1,T2,…,Tn是检查点开始时的活跃事务(active txn)
• 活跃事务是尚未提交或中止的事务

检查点中间: 根据缓冲池策略，将脏页(dirtypage)写到磁盘

• 如果采用STEAL，则将全部脏页写到磁盘
• 否则，只将已提交事务所做的修改写到磁盘

检查点结束: 向日志中写入，并将日志刷写到磁盘

• 如果采用NO-FORCE，则写完全部脏页后即可结束检查点
• 否则，在T1,T2,…,Tn全部提交后，才能结束检查点

Redo阶段

不完整的检查点只有开始没有结束，在检查点的过程中遇到系统故障，是无用的。

日志中最新的完整检查点

<BEGINCHECKPOINT(T1,T2,...,Tn)>
...
< ENDCHECKPOINT >

需要redo的最早的事务一定属于{T1,T2,…,Tn}。

从日志记录 开始向后扫描日志不需要从最早的开始扫描。

，在< ENDCHECKPOINT >在检查点结束前写入磁盘了。

Undo阶段

日志中最新的完整检查点

<BEGINCHECKPOINT(T1,T2,...,Tn)>
...
<ENDCHECKPOINT>

需要undo的最早的事务一定属于{T1,T2,…,Tn}。

扫描到T1,T2,…,Tn中最早的事务Ti的日志记录为止。

总结

咱们玩归玩，闹归闹，别拿学习开玩笑。

本篇介绍了故障恢复，缓冲池策略、WAL协议和检查点。最常用的缓冲池策略是STEAL+NOFORCE，学习时要加深理解和记忆。