幾種數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)比較

摘要：本文分析了數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)中的延遲更新技術(shù)、立即更新技術(shù)、鏡像頁技術(shù)、檢查點技術(shù)的特點和區(qū)別，在實際的數(shù)據(jù)庫操作過程中根據(jù)不同的損壞情況數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用不同的恢復(fù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：恢復(fù)技術(shù)；延遲更新；鏡像頁；檢查點

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02

數(shù)據(jù)庫的損壞有兩種類型物理損壞、非物理或事務(wù)故障，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用的恢復(fù)技術(shù)依賴于數(shù)據(jù)庫損壞的類型。

一、延遲更新技術(shù)

采用延遲更新技術(shù)時，只有到達事務(wù)的提交點，更新才被寫入數(shù)據(jù)庫。即數(shù)據(jù)庫的更新要延遲到事務(wù)執(zhí)行成功并提交時。在事務(wù)執(zhí)行過程中，更新只被記錄在事務(wù)日志和緩沖區(qū)中。當(dāng)事務(wù)提交后，事務(wù)日志被寫入磁盤，更新被記錄到數(shù)據(jù)庫。如果一個事務(wù)在到達提交點之前出現(xiàn)故障，它將不會修改數(shù)據(jù)庫，因此也沒必要進行撤銷操作。使用延遲更新技術(shù)時，事務(wù)日志的內(nèi)容如下。

（1）當(dāng)事務(wù)T啟動時，將“事務(wù)開始”（或）記錄寫入事務(wù)日志文件。

（2）在事務(wù)T執(zhí)行期間，寫入一條新的日志記錄，該新記錄包含所有之前制定的日志數(shù)據(jù)，例如為屬性A賦新值ai，則用表示。每一個記錄包括事務(wù)的名稱T，屬性的名稱A和屬性的新值ai。

（3）當(dāng)事務(wù)T的所有活動都成功提交時，將記錄寫入事務(wù)日志，并將該事務(wù)的所有日志記錄寫到磁盤上，然后提交事務(wù)。使用日志記錄來完成對數(shù)據(jù)庫的真正更新。

（4）如果事務(wù)T被撤銷了，則忽略該事務(wù)的事務(wù)日志，并且不執(zhí)行寫操作。

如果在數(shù)據(jù)庫真正更新過程中發(fā)生故障，所有出現(xiàn)了事務(wù)開始和事務(wù)提交日志記錄的事務(wù)必須被重做。重做的順序是按日志記錄被寫入日志的順序執(zhí)行。如果在故障發(fā)生前已經(jīng)執(zhí)行了寫操作，則再次寫入該數(shù)據(jù)，這種方法保證了一定會更新所有在故障發(fā)生前沒有被正確更新的數(shù)據(jù)項。

對所有出現(xiàn)了事務(wù)開始和事務(wù)撤銷的日志記錄的事務(wù)，不進行特別的操作。

如果在恢復(fù)過程中又發(fā)生了系統(tǒng)崩潰，則可以再次使用日志記錄來恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。

二、立即更新技術(shù)

采用立即更新技術(shù)時，更新一旦發(fā)生即被施加到數(shù)據(jù)庫中，而無需等到事務(wù)提交點以及所有的更改被保存在事務(wù)日志時。使用立即更新技術(shù)時，事務(wù)日志內(nèi)容如下。

（1）當(dāng)事務(wù)T開始時，“事務(wù)開始”（或）被寫入事務(wù)日志文件。

（2）當(dāng)執(zhí)行一個寫操作時，向日志文件中寫入一條包含必要數(shù)據(jù)的記錄。

（3）一旦寫入了事務(wù)日志記錄，就對數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)進行寫更新。

（4）當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入輔助存儲器時，寫入對數(shù)據(jù)庫的更新。

（5）讀數(shù)據(jù)庫自身的更新在緩沖區(qū)下一次被刷新到輔助存儲時進行。

（6）當(dāng)事務(wù)T提交時，“事務(wù)提交”（）記錄被寫入事務(wù)記錄。

實際上，日志記錄（或至少是部分日志記錄）是在對應(yīng)的寫操作施加到數(shù)據(jù)庫之前被寫入的，這稱為“先寫日志協(xié)議”。因為如果先對數(shù)據(jù)庫進行更新，而在日志記錄被寫入之前發(fā)生了故障，則恢復(fù)管理器將無法進行撤銷或重做。通過使用先寫日志協(xié)議，恢復(fù)管理器可以大膽假設(shè)，如果在日志文件中不存在某個事務(wù)的提交記錄，則該事務(wù)在故障發(fā)生時一定處于活動狀態(tài)，因此必須被撤銷。

如果事務(wù)被撤銷，則可利用日志撤銷事務(wù)所做的修改，因為日志中包含了所有被更新字段的原始值（前像）。由于一個事務(wù)可能對一個數(shù)據(jù)項進行過多次更改，因此對寫的撤銷應(yīng)該按逆序進行。無論事務(wù)的寫操作是否被施加到了數(shù)據(jù)庫本身，寫入數(shù)據(jù)項的前像保證了數(shù)據(jù)庫被恢復(fù)到事務(wù)開始前的狀態(tài)。

如果系統(tǒng)發(fā)生了故障，恢復(fù)過程使用日志對事務(wù)進行如下的撤銷或重做。

（1）對于任何“事務(wù)開始”和“事務(wù)提交”記錄都出現(xiàn)在日志中的事務(wù)，用日志記錄來重做，按日志記錄的方式寫入更新的后像值。

（2）對于任何“事務(wù)開始”記錄出現(xiàn)在日志中，而“事務(wù)提交”記錄未出現(xiàn)在日志中的事務(wù)，必須撤銷它。

三、鏡像頁技術(shù)

在鏡像頁模式中，數(shù)據(jù)庫被認為是由固定大小的磁盤頁的邏輯存儲單元組成。通過頁表將頁映射到物理存儲分區(qū)，數(shù)據(jù)庫中的每個邏輯頁對應(yīng)頁表中的一條記錄。每條記錄包含頁所在的物理存儲的分區(qū)號。因此，鏡像頁模式是間接頁分配的一種形式。在單用戶環(huán)境下，鏡像頁技術(shù)不需要使用事務(wù)日志，但在多用戶環(huán)境下可能需要事務(wù)日志來支持并發(fā)控制。

鏡像頁方法在事務(wù)的生存期內(nèi)，為其維護兩個頁表，一個是當(dāng)前頁表，另一個是鏡像頁表，當(dāng)事務(wù)剛啟動時，兩個頁表是一樣的。此后，鏡像頁表不再改變，并在系統(tǒng)故障時用于恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。在事務(wù)執(zhí)行過程中，當(dāng)前頁表被用于記錄對數(shù)據(jù)庫的所有更新。但事務(wù)結(jié)束時，當(dāng)前頁表轉(zhuǎn)變成鏡像頁表。

如圖1所示，事務(wù)影響的頁被復(fù)制到新的物理存儲區(qū)中，通過當(dāng)前頁表，這些分區(qū)和那些沒有修改的分區(qū)是事務(wù)可以訪問的。被更改的頁的老版本保持不變，并且通過鏡像頁表事務(wù)仍然可以訪問這些頁。鏡像頁表包含事務(wù)開始之前頁表中存在的記錄以及指向從未被事務(wù)修改的分區(qū)記錄。鏡像頁表在事務(wù)發(fā)生時保持不變，用于撤銷事務(wù)時使用。

相對基于日志的方法，鏡像頁技術(shù)有很多優(yōu)點：它消除了維護事務(wù)日志文件的開銷，而且，由于不需要對操作進行撤銷或重做，因此其恢復(fù)速度也非?？?。但它也有缺點，比如數(shù)據(jù)碎片或分散，需要定期進行垃圾收集以回收不能訪問的分區(qū)。

四、檢查點技術(shù)

在利用日志機制進行數(shù)據(jù)庫恢復(fù)時，恢復(fù)子系統(tǒng)必須搜索日志，以確定哪些需要重做，哪些需要撤銷。一般來說，需要檢查所有的日志記錄。這樣做有兩個問題：一是搜索整個日志將耗費大量的時間，二是很多需要重做處理的事務(wù)實際上可能已經(jīng)將它們的更新結(jié)果寫到了數(shù)據(jù)庫中，而恢復(fù)子系統(tǒng)又重新執(zhí)行了這些操作，同樣浪費了大量時間。為了解決這些問題，又發(fā)展了具有檢查點的恢復(fù)技術(shù)。這種技術(shù)在日志文件中增加兩個新的記錄—檢查點記錄和重新開始記錄，并讓恢復(fù)子系統(tǒng)在登記日志文件期間動態(tài)地維護日志。

檢查點記錄的內(nèi)容包括以下兩點。

（1）建立檢查點時刻所有正在執(zhí)行的事務(wù)列表。

（2）這些事務(wù)最近一個日志記錄的地址。

重新開始文件用于記錄各個檢查點記錄在日志文件中的地址。

動態(tài)維護日志文件的方法是周期性地執(zhí)行記錄檢查點和保存數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的操作。其具體步驟如下：

（1）將日志緩沖區(qū)中的所有日志記錄寫入到磁盤日志文件上。

（2）在日志文件中寫入一個檢查點記錄，該記錄包含所有在檢查點運行的事務(wù)的標識。

（3）將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的所有修改過的數(shù)據(jù)寫入到磁盤數(shù)據(jù)庫中。

（4）將檢查點記錄在日志文件中的地址寫入一個重新開始文件，以便在發(fā)生系統(tǒng)故障而重啟時可以利用該文件找到日志文件中的檢查點記錄地址。

恢復(fù)子系統(tǒng)可以定期或不定期地建立檢查點來保存數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)。

在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，恢復(fù)子系統(tǒng)將根據(jù)事務(wù)的不同狀態(tài)采取不同的恢復(fù)策略，如圖2。

假設(shè)使用事務(wù)日志進行立即更新，同時考慮圖2所示的事務(wù)T1、T2、T3和T4的時間線。當(dāng)系統(tǒng)在tf時刻發(fā)生故障時，只需掃描事務(wù)日志至最近的一個檢查點tc。

（1）事務(wù)T1是在檢查點之前提交的，因此沒有問題，不需要重做。

（2）事務(wù)T2是在檢查點之前開始的，但在故障點時已經(jīng)完成，因此需要重做。

（3）事務(wù)T3是在檢查點之后開始的，但在故障點時已經(jīng)完成，因此也需要重做。

（4）事務(wù)T4也是在檢查點之后開始的，而且在故障點時還未完成，因此需要撤銷。

參考文獻：

[1]何玉潔.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教程[M].北京：人民郵電出版社，2010

[2]施伯樂等，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教程（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2008