日志和恢复

1、数据库的一致性概念

• 一致状态(Consistent state:)：满足所有完整性约束
• 一致数据库：满足一致状态的数据库
• 事务内部允许不保证DB的一致性

2、事务的基本概念、ACID和原子操作

• 事务(transaction)概念：一个不可分割的操作序列，其中的操作要么 都做，要么都不做
• ACID
  • 原子性(Atomicity): 事务是不可分的原子，其中的操作要么都做，要么都不做
  • 一致性(Consistency): 事务的执行保证数据库从一个一致状态转到另一个一致状态
  • 隔离性(Isolation): 多个事务一起执行时相互独立
  • 持久性(Durability): 事务一旦成功提交，就在数据库永久保存
• 事务状态
  • 开始 <Start T> 表示事务T开始
  • 提交 <Commit T> 表示事务已经完成,并且写回磁盘持久化
  • 丢弃 <Abort T> T事物中断,所有修改取消
• 原语操作
  • Input(x): disk block with x → memory
  • Output(x): buffer block with x → disk
  • Read(x, t)
    • do input(x) if necessary
    • t ← value of x in buffer
  • Write(x, t)
    • do input(x) if necessary
    • value of x in buffer ← t

3、WAL的概念*

Write Ahead Logging 先写日志：在数据被写到磁盘之前，对应此修改的日志记录必须已被写到磁盘上

4、Undo日志、Redo日志、Undo/Redo日志*

概述

日志类型包括:Undo日志、Redo日志、Undo/Redo日志

Undo日志<T, x, old-value>

机制

• 在 Flash Log之前，日志仅存于内存中，还没有写到磁盘
• 当对应的修改发生之前（Output）写到磁盘中（WAL）
• 内存Commit也不算，Commit写到磁盘上才算成功

注意下图中，write后内存中未产生commit日志，且后续先 Output 才 Flash Log 将 commit 日志写回磁盘（和redo日志不同）

恢复

• 从头扫描日志，找出所有没有 <Commit, T>或<Abort, T>的所有事务，放 入一个事务列表L中
• 从尾部开始扫描日志记录<T, x, v>,如果T∈ L（从后往前undo），把X写为old value
  • write(X, v)
  • output(X)
• For each T ∈ L do(添加Abort日志)
  • write <Abort, T > to log

Redo日志<T, x, new-value>

机制

注意一点不同：在数据写回磁盘前先写<Commit, T>日志 记录！！也就是说先 Flash Log 再 Output

下图中 write之后内存中已产生 commit 日志

恢复

• 从头扫描日志，找出所有有<Commit,T> 的事务，放入一个事务列表L中
• 从首部开始扫描日志记录<T,x,v>,如果T∈ L，则（从前往后redo，把X写为new value）
  • write (X, v)
  • output (X)
• For each T∈ L do（添加 Abort 日志）
  • write <Abort, T> to log

redo日志恢复的特点

commit != 写回磁盘！！！

• 没有<Commit,T>记录的操作必定没有改写磁 盘数据，因此在恢复时可以不理会
• 有<Commit,T>记录的结果可能还未写回磁盘 ，因此在恢复时要Redo

在undo日志中，commit 必然已经已写回磁盘

Undo/Redo日志<T, x, old-value, new-value>

• Undo基于立即更新(Immediately Update) ——
  • write 后立即Output 把数据更新到磁盘中
  • 也可以延迟更新，但这样undo的优点发挥不出来
  • 乐观：内存代价小，恢复代价高
• Redo基于延迟更新(Deferred Update)
  • 等所有要处理的变量都write后，在事务末尾才output更新到磁盘中
  • 悲观：恢复代价小，内存代价高

基于Undo/Redo日志的恢复

既可以延迟更新也可以立即更新

• 正向扫描日志，将<commit>的事务放入 Redo列表中，将没有结束的事务放入 Undo列表
• 反向扫描日志，对于<T,x,v,w>，若T在 Undo列表中，则（先Undo）
  • Write(x,v); Output(x)
• 正向扫描日志，对于<T,x,v,w>，若T在 Redo列表中，则（后Redo）
  • Write(x,w)； Output(x)
• 对于Undo列表中的T，写入<abort,T>

5、Checkpoint

简单检查点，到达检查点时间时：

• 中止接受新的事务
• 等待所有正在进行的事务完成（提交/中止）
• 将所有日志记录刷新到磁盘（日志）
• 将所有缓冲区刷新到磁盘（数据库）
• 在磁盘上写入“检查点”记录（日志）
• 恢复事务处理

检查点技术保证检查点之前的所有commit操作的 结果已写回数据库，在恢复时不需REDO

日志轮转：把已经比较老的失效日志归档到廉价磁盘或者磁带