Skip to content

Lecture 15: Recovery System Notes

一、故障分类 (Failure Classification)

1. 故障类型

alt text

  • 逻辑错误 (Logical Errors)（属于事务失败）

    • 原因：事务因内部错误条件（如应用程序bug或数据不一致）无法完成。
    • 示例：输入数据违反约束条件。

  • 系统错误 (System Errors)（属于事务失败）

    • 原因：数据库系统因错误状态（如死锁）终止活动事务。
    • 示例：两个事务互相等待资源导致死锁。

  • 系统崩溃 (System Crash)

    • 原因：电源故障、硬件或软件失败导致系统崩溃。
    • 假设：故障停止假说（Fail-stop assumption），即非易失性存储内容不会因崩溃而损坏。
    • 保护措施：数据库系统有多个完整性检查防止磁盘数据损坏。

  • 磁盘故障 (Disk Failure)

    • 原因：磁头碰撞或其他磁盘故障破坏全部或部分磁盘存储。
    • 检测：磁盘驱动器使用校验和（checksums）检测故障。

2. 故障影响

故障类型 影响 恢复措施
事务失败 事务未完成需回滚 使用日志撤销
系统崩溃 数据库需恢复一致状态 日志重做和撤销
磁盘故障 数据丢失需从备份恢复 备份+日志恢复

二、恢复和原子性 (Recovery and Atomicity)

1. 恢复算法的核心

恢复算法分为两部分：

  • 正常事务处理期间的动作

    • 记录足够信息（如日志），确保故障后可恢复。
    • 示例：写日志记录到稳定存储。

  • 故障后的恢复动作

    • 将数据库恢复到一致状态，保证原子性、一致性和持久性。
    • 示例：撤销未提交事务，重做已提交事务。

2. 原子性保证

  • 问题：事务中途失败可能导致数据库不一致。比如，事务 \( T_i \) 从账户 A 转 50 美元到 B，若 A 已扣款但 B 未加款时崩溃。
  • 解决方案：先将修改信息输出到稳定存储（如日志），再更新数据库。
  • 替代方案：影子复制（Shadow-copy）和影子分页（Shadow-paging）。

alt text

三、基于日志的恢复 (Log-Based Recovery)

1. 日志基础

  • 日志 (Log)

    • 定义：记录数据库更新活动的序列，存储在稳定存储上。
    • 特点：通过多份非易失性介质副本近似实现故障耐受。
    • 修改的两种方法（请看后面）：立即数据库修改与延迟数据库修改。

  • 日志记录类型

    • <T_i start>：事务 \( T_i \) 开始。
    • <T_i, X, V_1, V_2>：事务 \( T_i \) 将数据项 \( X \) 从旧值 \( V_1 \) 更新为新值 \( V_2 \)。
    • <T_i commit>：事务 \( T_i \) 提交。
    • <T_i abort>：事务 \( T_i \) 中止。

2. 立即数据库修改 (Immediate Database Modification)

  • 特点
    • 未提交事务的更新可写入缓冲区或磁盘。
    • 写前日志 (Write-Ahead Logging, WAL)：更新数据库前必须先写日志到稳定存储。
  • 提交
    • 当 <T_i commit> 记录写入稳定存储时，事务提交。
    • 更新块可在此前后写入磁盘，顺序灵活。
  • 示例

输出操作表示数据块被写入磁盘，图中用 \(B_X\) 表示包含数据项 \(X\) 的块：

alt text

3. 延迟数据库修改 (Deferred Database Modification)

  • 特点
    • 仅在事务提交时更新缓冲区/磁盘。
    • 优点：简化恢复。
    • 缺点：需存储事务本地副本，增加开销。

4. 并发控制与恢复

  • 共享资源：并发事务共享磁盘缓冲区和日志。
  • 锁机制：
    • 若 \( T_i \) 修改数据项，其他事务在 \( T_i \) 提交或中止前不可修改。
    • 使用严格两阶段锁（Strict 2PL）确保更新对其它事务不可见。
  • 日志交错：不同事务的日志记录可能交错存储。

5. 撤销与重做

  • 撤销 (Undo)
    • 操作：将数据项恢复到旧值 \( V_1 \)。
    • 日志：记录补偿日志 <T_i, X, V_1>。
    • 完成：写 <T_i abort>。
  • 重做 (Redo)
    • 操作：将数据项设置为新值 \( V_2 \)。
    • 无需额外日志。

6. 故障恢复规则

日志状态 动作
有 <T_i start> 无 <T_i commit> 或 <T_i abort> 撤销 \( T_i \)
有 <T_i start> 和 <T_i commit> 或 <T_i abort> 重做 \( T_i \)

重复历史 (Repeating History)：重做包括恢复旧值的步骤，简化恢复但略显冗余。

四、检查点 (Checkpoints)

1. 检查点作用

  • 减少恢复时间：无需从日志开头扫描，只有位于检查点中或在检查点后启动的事务需要重做或撤销。
  • 定期记录：将缓冲区状态写入稳定存储。（在检查点前已提交或中止的事务，其所有更新都已输出到稳定存储中）

2. 检查点过程

alt text

  • 模糊检查点 (Fuzzy Checkpoint)

    1. 暂时中止所有事务的更新操作
    2. 写入检查点日志记录，并强制将日志写入稳定存储
    3. 记录被修改缓冲区块列表
    4. 此时允许事务继续执行操作
    5. 将列表中所有被修改的缓冲区块输出至磁盘，在输出过程中禁止更新正在输出的块（遵循预写日志原则(WAL)）

    6. 将指向检查点记录的指针存储在磁盘固定位置last_checkpoint中

      alt text

    7. 使用模糊检查点恢复时，从last_checkpoint指向的检查点记录开始扫描

  • ARIES 优化：后续详述。

五、缓冲区管理 (Buffer Management)

1. 缓冲区概念

alt text

  • 脏页 (Dirty Page)：缓冲区中被修改但未写入磁盘的页面。
  • 固定 (Pin)：锁定页面防止换出。
  • 解除固定 (Unpin)：允许页面换出。

2. 写策略

数据库维护着一个数据块的内存缓冲区。当需要新数据块时，若缓冲区已满，则需从缓冲区移除现有数据块。若被移除的数据块已更新，则必须将其写入磁盘。

  • 该恢复算法支持非强制策略：即事务提交时，已更新的数据块无需立即写入磁盘。（强制策略则要求在提交时必须写入更新数据块，这将导致更高的提交开销）

  • 该恢复算法同时支持偷窃策略：即使包含未提交事务更新的数据块，也可在事务提交前写入磁盘。

策略 定义 影响
强制写 (Force) 提交时强制所有更新写入磁盘 保证持久性但慢
偷写 (Steal) 允许未提交更新写入磁盘 需撤销支持

六、早期锁释放和逻辑撤销操作 (Early Lock Release and Logical Undo Operations)

1. 早期锁释放

  • 场景：如 B+ 树插入/删除，锁提前释放。
  • 问题：物理撤销不可行，因其他事务可能已更新。

2. 逻辑撤销

  • 逻辑撤销日志 (Logical Undo Logging)

    • 记录撤销操作而非旧值。
    • 示例：插入撤销为删除操作。

  • 操作日志 (Operation Logging)

    • 开始：<T_j, O_j, operation-begin>。
    • 执行：记录物理重做和撤销信息。
    • 结束：<T_j, O_j, operation-end, U>，\( U \) 为逻辑撤销信息。
    • 示例：插入 (K5, RID7) 到索引 I9： 
      <T1, O1, operation-begin>
<T1, X, 10, K5>
<T1, Y, 45, RID7>
<T1, O1, operation-end, (delete I9, K5, RID7)>

  • 恢复逻辑

    • 未完成：使用物理撤销。
    • 已完成：使用 \( U \) 逻辑撤销，忽略物理撤销。

3. 事务回滚

回滚步骤

  1. 逆向扫描日志。
  2. 物理撤销：<T_i, X, V_1, V_2> -> <T_i, X, V_1>。
  3. 逻辑撤销：<T_i, O_j, operation-end, U> -> 执行 \( U \)，记录 <T_i, O_j, operation-abort>。
  4. 跳过已撤销操作。
  5. 结束：<T_i, abort>。

七、ARIES 恢复算法 (ARIES Recovery Algorithm)

1. ARIES 概述

  • 特点：先进的恢复方法，优化正常处理和恢复。
  • 关键技术
    • 日志序列号 (LSN)：标识日志记录。
    • 页面 LSN (PageLSN)：记录页面上最后应用的 LSN。
    • 生理重做 (Physiological Redo)：页面物理标识，操作逻辑记录，减少日志开销。

2. ARIES 数据结构

alt text

  • 脏页表 (Dirty Page Table)
    • 记录缓冲区中被修改的页面。
    • 字段：PageLSN（最后更新LSN），RecLSN（磁盘版本已应用的LSN）。

  • 检查点日志

    • 包含：脏页表、活动事务列表、每个事务的 LastLSN。
    • 特点：不强制写脏页，低开销。

  • 日志记录

    • 结构：

      alt text

    • 补偿日志记录 (CLR)：记录恢复动作，无需撤销，含 UndoNextLSN ，用于记录恢复期间执行且无需撤销的操作。

      alt text

3. ARIES 恢复过程

三个阶段:

  1. 分析阶段 (Analysis Pass)

    • 从最后检查点开始。
    • 确定：需撤销的事务、脏页、RedoLSN（重做起点）。

  2. 重做阶段 (Redo Pass)

    • 从 RedoLSN 开始重复历史。
    • 条件：若页面不在脏页表或 LSN < RecLSN，跳过；否则重做。

  3. 撤销阶段 (Undo Pass)

    • 逆向回滚未完成事务。
    • 优化：跳过已撤销记录，使用 UndoNextLSN。

alt text

4. 其他特性

  • 页面独立恢复：部分页面可单独从备份恢复。
  • 保存点 (Savepoints)：支持部分回滚，如死锁处理。
  • 细粒度锁：支持元组级索引锁，需逻辑撤销。

八、主存数据库恢复 (Recovery in Main Memory Databases)

优化

  • 无需索引重做日志：内存重建快。
  • 无需撤销日志：仅提交数据写磁盘。
  • 并行恢复：快速加载和恢复。