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数据恢复技术之日志（undo、redo 和 undo/redo log）

keith666 2023-03-28 原文

背景

事务的原子性是如何保证的？面试中不少被问到吧，这里涉及到事务以及数据的可恢复性，而数据可恢复性的基础技术就是日志，本文将讨论三种日志：undo、redo 和 undo/redo log。

日志：一种安全的方式记录数据变更的历史

说明

  • 存储介质：内存和磁盘（仅讨论本文涉及到的），认为内存是易失的，磁盘是非易失的
  • 事务：包含多个操作，具体 ACID 属性，所有操作要么全部成功（指数据持久化到磁盘中）, 要么完全失败（原子性）
  • <START T>：一条日志，表示开始事务 T
  • <COMMIT T>：一条日志，表示提交 T
  • <T,X,v>：一条日志，表示在事务 T 中，对 X 进行了修改，X 的旧值或新值为 v
  • <T,X,v,w>：一条日志，表示在事务 T 中，对 X 进行了修改，X 的旧值为 v，新值为 w
  • <ABORT T>：一条日志，表示事务 T 未成功

增加持久化操作部分，一个事务的操作可分为如下几个步骤：

步骤 操作
1 更新数据 A
2 更新数据 B
3 持久化 A
4 持久化 B

数据从磁盘中的读取暂不考虑

后续将以上述步骤来介绍几种日志。

undo log

记录变更前的数据（旧值）。

规则：

  • U1：数据在持久化前，日志必须先落盘
  • U2：所有数据落盘后，提交事务，并将 commit 日志落盘

日志两次落盘

采用 undo log 后，事务的执行步骤将变为：

步骤 操作 日志
1 开始事务 T <START T>
2 更新数据 A <T,A,a>
3 更新数据 B <T,B,b>
4 持久化 日志
5 持久化 A
6 持久化 B
7 提交事务 T <COMMIT T>
8 持久化 日志

a，b 分别为 A 和 B 的旧值

数据恢复

根据日志<COMMIT T>，将事务分为已提交和未提交事务，分别处理：

  • 已提交事务：按规则 U2，数据已全部落盘，故无需处理
  • 未提交事务：从尾部（时间顺序）开始扫描日志，寻找未提交的事务（无<COMMIT T>或<ABORT T>），按<T,X,v> 将 X 的值设为 v，修改完成之后写入一条日志 <ABORT T>

可靠性保证

通过假设系统在不同步骤中奔溃，来验证该机制的可靠性：

  • 在步骤 8 以后：所有数据和日志均已落盘，可靠
  • 在步骤 5-8 之间：部分数据可能已落盘，根据规则 U1，落盘数据的日志肯定已落盘，因此按<T,X,v>日志进行恢复即可
  • 在步骤 5 之前：数据都在内存态，直接写入<ABORT T>日志即可

redo log

记录变更后的数据（新值）。

规则：

  • R1：数据在持久化前，日志必须先落盘，包括事务的 commit 日志

与 undo log 的区别：无需等待数据落盘即可提交事务

采用 redo log 后，事务的执行步骤将变为：

步骤 操作 日志
1 开始事务 T <START T>
2 更新数据 A <T,A,a>
3 更新数据 B <T,B,b>
4 提交事务 T <COMMIT T>
5 持久化 日志
6 持久化 A
7 持久化 B

a，b 分别为 A 和 B 的新值

数据恢复

按规则 R1，可以知道如果没有<COMMIT T>日志，事务 T 对数据库的所有变更都未落盘。

从首部扫描日志，按事务提交情况处理：

  • 已提交事务：按<T,X,v>日志写入新值
  • 未提交事务：无需处理，写入<ABORT T>日志

可靠性保证

通过假设系统在不同步骤中奔溃，来验证该机制的可靠性：

  • 在步骤 5 以后：日志已落盘，数据可能未全部落盘，因此按<T,X,v>日志写入新值，即可恢复
  • 在步骤 1-5 之间：数据未落盘，直接标记事务未成功（<ABORT T>）

undo/redo log

记录变更后的数据（新值）

规则：

  • UR1：数据在持久化前，日志必须先落盘（undo 和 redo 规则的公共部分）

不关心事务提交和数据持久化的顺序

采用 redo log 后，事务的执行步骤将变为：

步骤 操作 日志
1 开始事务 T <START T>
2 更新数据 A <T,A,a0,a1>
3 更新数据 B <T,B,b0,b1>
4 持久化 日志
5 持久化 A
6 提交事务 T <COMMIT T>
7 持久化 B

a0，b0 分别为 A 和 B 的旧值，a1，b0 分别为 A 和 B 的新值

步骤 5，6，7 顺序可调换

数据恢复

  • 从前往后：按 redo log 处理已提交事务
  • 从后往前：按 undo log 处理未提交事务

可靠性保证

按 undo log 和 redo log 的逻辑来保证。

总结

日志类型 落盘时机 数据恢复
undo log 日志落盘2次，数据落盘前和事务提交后 对未提交事务，按日志恢复
redo log 事务提交后日志落盘，数据再落盘 对已提交事务，按日志恢复
undo/redo log 日志先于数据落盘，不管事务是否提交 undo+redo

问题：在上述的日志恢复过程中，都需要扫描整个日志文件，来执行恢复操作，这其中包括很多无效的日志读取操作，如何避免呢？

参考

  • 《数据库系统实现》第六章 系统故障对策
undoredotdcodetr

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