数据库事务故障恢复

Feb 22, 2021 基础知识 #数据库 #事务

事务管理

事务的定义

事务是一系列的数据库操作，作为一个不可分割的执行单元(unit)，要么全做要么全不做。

在这一部分单纯讨论事务的并发时，我们通常定义一个简单的事务模型，假设事务的写操作是直接写到磁盘(实际上会有页面的缓冲池)的原子操作(因此另一个并发事务可以读取到最新数据)。而事务并非总能成功执行，但事务出错终止(aborted)时，为了保证原子性，事务终止前对数据库做的操作都需要撤销，需要对事务进行回滚(rolled back)，数据库系统通常是基于日志(log)进行故障恢复。

事务的四个特性(ACID)：

原子性(Atomicity): 事务是最小的执行单位，要么全做，要么全不做。
一致性(Consistency): 执行事务前后，数据都是处于一致性状态，即该状态满足预定的约束(比如转账模型中，事务执行前后，两个账户余额总数应该是不变的)。
隔离性(Isolation): 多事务并发执行时，各个并发事务之间都是独立的，感觉不到其他事务的存在。
持久性(Durability): 一个事务成功完成后，对数据库的改变是持久的，即使发生系统故障。

故障恢复

故障分类

事务故障: 事务逻辑错误或者并发事务出现死锁。
系统故障: 硬件或者软件的错误或漏洞导致数据库系统发生故障。导致内存数据丢失(已提交事务可能数据还在内存没刷回磁盘，需要重做，未提交事务)。
磁盘故障: 非执行时错误，而是写入磁盘时因为磁盘故障导致磁盘数据丢失。

日志记录

日志是包括一系列的日志记录(log record)，基本的日志记录类型包括：

更新日志记录，<T,X,V1,V2>，其中T表示事务标识，X是数据项标识，V1是旧值，V2是新值。
事务开始记录，<T,start>
事务提交记录，<T,commit>
事务终止记录，<T,abort>

每次事务执行写操作，需要先写日志，再执行操作。

Redo和Undo

发生系统故障时，可以利用日志对事务进行重做(Redo)或者撤销(Undo)。

如果一个事务包括start，但不包括commit和abort，说明这个事务在系统故障前开始，但是没有完成或回滚，因此此时数据更新有可能在内存，也可能已经刷盘，为了保证数据的一致性，必须进行Undo操作。
如果一个事务包括start，以及包括commit或者abort，说明这个事务的所有操作都已经完成，都记录在日志里，但是也不知道修改是否已经刷盘，所以必须根据日志记录，进行Redo操作。(已经commit或者abort的事务必须Redo而不是Undo，因为修改有可能已经写入磁盘？)
Undo操作除了把数据恢复成旧值，还会把恢复操作作为一个更新操作写入为一种只读的特殊日志，不需要记录恢复操作的旧值和新值。最后写入一个abort日志，表示事务撤销完成。
Redo操作按顺序将数据设置成新值。

检查点(checkpoint)

系统会定时将缓存中的脏页刷回磁盘，并用另外的日志记录下当前记录点的时刻，系统故障恢复时不需要考虑最后一个记录点之前成功提交的事务。

事务回滚

正常的事务回滚，从后往前扫描日志，对于该事务的每一个日志记录<T,X,V1,V2>，将数据项X写入旧值V1，然后往日志末尾添加一个特殊的只读日志记录<T,X,V2>，注意这种特殊记录不需要旧值，不会被Undo。

当遇到该事务的<T,start>记录，停止扫描，并往日志末尾写入<T,abort>表示回滚完成。

系统故障的恢复

利用日志记录进行系统故障的恢复(Recovery after a system crash)，书上所描述的完整算法如下：

重做(redo)阶段：把该redo的事务进行redo，并构造该undo的undo-list(包括系统奔溃前未完成的事务，即没有提交也没有回滚)。
- 初始化undo-list为最后一个检查点(checkpoint)的活跃事务(+检查点之前开始的事务)。
- 从最后一个检查点开始正向扫描日志记录，遇到一个普通日志记录<T,X,V1,V2>或者read-only特殊日志记录<T,X,V2>(表示重做回滚(比如自定义的某些条件下的事务回滚而不是意外的事务回滚))，执行redo操作，将数据项X写入V2值。
- 遇到<T,start>，将该事务加入undo-list(+检查点之后开始的事务)。
- 遇到<T,commit>或者T<T,abort>，将该事务从undo-list中删除(-故障发生点之前提交或回滚的事务(第2步的redo操作中就对这些事务进行了重做))。
撤销(undo)阶段：
- 反向扫描日志，遇到属于undo-list的事务日志，执行undo操作，将数据项写回旧值。
- 遇到属于undo-list的事务的<T,start>，把该事务从undo-list删除，写入一个<T,abort>日志记录(该事务已撤销完成)。
- 当undo-list为空，则所有事务撤销完成。

为了方便处理，undo-list的事务在重做阶段也会被重做，然后在撤销阶段再被撤销。