案例驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫恢復策略剖析

汪 洋

（安慶師范大學計算機與信息學院，安徽安慶246133）

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)生故障不可避免，如何保證發(fā)生故障后迅速將數(shù)據(jù)庫恢復到正確的狀態(tài)，是衡量一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）優(yōu)劣的重要指標[1]，也是數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）必備的技能之一。深刻理解并掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)恢復策略是數(shù)據(jù)庫教學中的一個重點和難點，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫教材及實際教學中對恢復策略的介紹太偏重理論，學生理解困難，難以真正掌握其實際應用。本文以案例形式詳細分析了事務故障、系統(tǒng)故障和介質(zhì)故障[1-3]這3類數(shù)據(jù)庫故障的成因和產(chǎn)生的結(jié)果，并詳細介紹了恢復策略。

1 案例驅(qū)動的事務故障恢復策略

事務故障是對單個事務而言的，指發(fā)生事務故障時，該事務未運行到Commit Transaction 或Rollback Transaction處被終止，此時該未完成的事務把對數(shù)據(jù)庫的修改已寫入數(shù)據(jù)庫。

1.1 事務故障的案例剖析

案例1如圖1所示，T1事務由兩個操作構(gòu)成，A=A+1，B=B－1。T1事務在運行完第一個操作A＝A+1后，發(fā)生了事務故障，第二個操作B＝B－1沒有做，顯然T1事務是一個未完成的事務。若A的初值為1，B的初值為2，在如圖2所示的數(shù)據(jù)庫存儲中，此時事務T1對A的修改操作已寫入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中A的值由1被修改為2，很顯然數(shù)據(jù)庫中A＝2是錯誤的，此時數(shù)據(jù)庫處于不一致（不正確）的狀態(tài)，其原因就在于未完成的T1事務對A的修改操作已經(jīng)寫入到數(shù)據(jù)庫。

1.2 事務故障恢復策略

對于事務故障的恢復策略是利用日志文件對未完成的事務執(zhí)行撤消處理（Undo）。DBMS將事務的開始標記、結(jié)束標記和事務對數(shù)據(jù)庫的所有更新操作形成日志記錄并寫入日志文件，在案例1中形成了如圖3所示的日志文件。

恢復策略：（1）反向掃描圖3所示的文件日志，查找T1事務的更新操作；（2）對T1事務的每一個更新操作執(zhí)行逆操作，將圖3中日志記錄中更新前的值A＝1寫入數(shù)據(jù)庫，此時圖2中數(shù)據(jù)庫中A的值由2又變回原值1；（3）繼續(xù)反向掃描日志文件，查找T1事務的其他更新操作，并做同樣處理，直至讀到T1事務的開始標記結(jié)束。

圖1 案例1事務故障示意圖

圖2 案例1數(shù)據(jù)庫存儲變化示意圖

圖3 案例1的日志文件

2 案例驅(qū)動的系統(tǒng)故障恢復策略

系統(tǒng)故障是指由于某些原因?qū)е聰?shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須重啟的故障[1]。發(fā)生系統(tǒng)故障時，數(shù)據(jù)庫中有多個事務發(fā)生事務故障，此時，未完成的事務對數(shù)據(jù)庫的修改已寫入數(shù)據(jù)庫，而已完成的事務對數(shù)據(jù)庫的修改可能放于緩沖區(qū)內(nèi)還未寫入數(shù)據(jù)庫。以簡單易懂為目的，我們以兩個事務為例來介紹系統(tǒng)故障的成因和結(jié)果。

2.1 系統(tǒng)故障的案例剖析

案例2如圖4所示，當前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中運行T1和T2兩個事務，圖5所示的數(shù)據(jù)庫存儲中A、B、C、D的初值分別為1，2，3，4。T1事務執(zhí)行完第一個操作A＝A+1，并把對A值的修改寫入數(shù)據(jù)庫，此時數(shù)據(jù)庫內(nèi)A的值由1變?yōu)?。然后T2事務依次執(zhí)行了C＝C+2，D＝D-2兩個操作，此時修改值C＝5，D＝2存放于如圖6所示的系統(tǒng)緩沖區(qū)中，還未寫入數(shù)據(jù)庫時就發(fā)生了系統(tǒng)故障。顯然數(shù)據(jù)庫中A＝2是錯誤的，此時數(shù)據(jù)庫處于不一致（不正確）的狀態(tài)，其原因是未完成的T1 事務對A 的修改操作已經(jīng)寫入到數(shù)據(jù)庫；另一方面，T2是已完成事務，但對C和D值的修改沒有來得及寫入數(shù)據(jù)庫中。

2.2 系統(tǒng)故障恢復策略

發(fā)生系統(tǒng)故障時，未完成的事務對數(shù)據(jù)庫的更新操作已寫入數(shù)據(jù)庫，已完成的事務對數(shù)據(jù)庫的更新留在緩沖區(qū)中未寫入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)故障的恢復策略是利用日志文件形成兩個隊列：Undo隊列和Redo隊列。對Undo 隊列中的未完成事務執(zhí)行撤消處理（Undo），對Redo 隊列中的已完成事務執(zhí)行重做處理（Redo）。在案例2中形成了如圖7所示的日志文件。

恢復策略：（1）正向掃描圖7 所示的日志文件，未完成事務T1 放入Undo 對列，已完成事務T2 放入Redo隊列。（2）對Undo隊列中所有事務逐個執(zhí)行事務故障恢復策略，即進行Undo處理。反向掃描如圖7所示的日志文件，對T1事務的更新操作執(zhí)行逆操作，即將日志記錄中更新前的值A＝1寫入數(shù)據(jù)庫，此時圖6中數(shù)據(jù)庫中A的值由2又為回原值1。（3）對Redo隊列所有事務逐個進行Redo處理。正向掃描如圖7所示的日志文件，對T2事務的所有更新操作執(zhí)行重新登記，即將日志記錄中更新后的值C=5，D=2寫入數(shù)據(jù)庫。

圖4 案例2系統(tǒng)故障示意圖

圖5 案例2數(shù)據(jù)庫存儲變化示意圖

圖6 案例2緩沖區(qū)示意圖

圖7 案例2的日志文件

3 案例驅(qū)動的介質(zhì)故障恢復策略

介質(zhì)故障是指由于某些原因?qū)е麓娣旁诖鎯υO備上數(shù)據(jù)庫部分或全部遭到破壞，磁盤上的物理數(shù)據(jù)和日志文件部分或全部丟失[3]。介質(zhì)故障的恢復需要后備副本和日志文件副本，DBA在數(shù)據(jù)庫的日常運行維護中要制定詳細的備份計劃并做好備份工作。限于文章篇幅，本文以SQL Server 為具體DBMS[4]，通過一個實際案例簡要介紹數(shù)據(jù)庫備份和介質(zhì)故障恢復策略。

3.1 介質(zhì)故障的案例剖析

案例3如圖8所示，現(xiàn)有一個產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)庫cpxs，其中有產(chǎn)品表CP、產(chǎn)品銷售表CPXSB、銷售商表XSS 3張表。首先創(chuàng)建一個備份設備Test1，接著將整個cpxs數(shù)據(jù)庫進行完全備份并存放于Test1備份設備上，形成FILE1文件；然后向數(shù)據(jù)庫中添加人事表RS，并進行一次差異備份并存放于Test1備份設備上，形成FILE2文件；最后向數(shù)據(jù)庫中添加訂貨表DHB，并進行一次日志備份，并存放于Test1備份設備上，形成FILE3文件。

圖8 案例3備份過程示意圖

該cpxs數(shù)據(jù)庫備份過程的詳細T-SQL語句如下：

sp_addumpdevice'disk','Test1','D：ackupTest1.bak'/*增加Test1備份設備*/

BACKUP DATABASE cpxs TO Test1 WITH INIT/*重寫完全備份cpxs到Test1備份設備，NOINIT為追加*/

create table RS/*添加員工人事表RS*/

(emp_no char(5)primary key,emp_name varchar(10), sex char(2),dept varchar(10))

BACKUP DATABASE cpxs TO Test1 WITH DIFFERENTIAL/*追加差異備份cpxs到Test1備份設備*/

create table DHB/*添加訂貨表DHB*/

(order_no char(5),prod_no char(5),qty int price numeric(7,2),order_date datetime)

BACKUP LOG cpxs TO Test1/*追加備份日志文件到Test1備份設備*/

3.2 介質(zhì)故障的恢復策略

介質(zhì)故障的恢復需要DBA重裝備份的數(shù)據(jù)庫副本和有關(guān)的日志文件副本，并執(zhí)行系統(tǒng)提供的恢復命令。

恢復策略：經(jīng)過前期備份后，形成了兩個數(shù)據(jù)庫副本和一個日志副本，分別對應存儲于Test1備份設備的FILE1、FILE2和FILE3。DBA重裝這些數(shù)據(jù)庫副本和日志副本可以得到不同狀態(tài)的cpxs數(shù)據(jù)庫，解決介質(zhì)故障破壞磁盤上數(shù)據(jù)庫的問題。該cpxs數(shù)據(jù)庫恢復過程的詳細T-SQL語句如下：

ALTER DATABASE cpxs SET RECOVERY FULL/*設置cpxs數(shù)據(jù)庫恢復模型為全模型*/

RESTORE DATABASE cpxs FROM Test1 WITH FILE=1, NORECOVERY/*恢復完整備份，完全備份是Test1備份設備的FILE1，并掛起數(shù)據(jù)庫cpxs*/

RESTORE DATABASE cpxs FROM Test1 WITH FILE=2, NORECOVERY/*恢復差異備份，差異備份是Test1備份設備的FILE2,并掛起數(shù)據(jù)庫cpxs*/

RESTORE LOG cpxs FROM Test1 WITH FILE=3, RECOVERY/*恢復日志備份，日志備份是Test1備份設備的FILE3*/

4 結(jié)束語

為解決數(shù)據(jù)庫恢復教學中理論過于抽象、學生不易掌握的問題，作者在多年數(shù)據(jù)庫教學實踐研究中，探索出一種基于案例的數(shù)據(jù)庫恢復策略教學方法，該方法直觀易懂、簡單清晰、操作性強，學生參與度高，易為學生理解和掌握。該方法在多年的教學實踐中得到了檢驗，并取得了較好的教學效果。