检查点与恢复技术概述

9.4 具有检查点的恢复技术

在数据库系统中，当发生故障时，利用日志文件可以帮助恢复数据库。然而，传统的日志恢复方法需要搜索整个日志文件，这不仅耗时，还会对已经写入数据库的事务进行重复操作，浪费大量时间。为了优化这一过程，引入了检查点（Checkpoint） 技术。通过检查点，恢复系统可以更高效地确定哪些事务需要重做（REDO），哪些事务需要撤销（UNDO），从而加快数据库恢复的速度。

9.4.1 检查点记录的作用

检查点记录在日志文件中起着重要作用，能够帮助数据库系统快速定位哪些事务已经完成，哪些事务需要处理。通过定期建立检查点，系统能够在发生故障时减少日志文件的搜索时间。

1. 检查点记录的结构

检查点记录包含以下内容：

• 正在执行的事务清单：记录所有在建立检查点时刻仍在执行的事务。
• 事务的日志记录地址：每个正在执行的事务的最近一条日志记录在日志文件中的地址。

此外，系统还维护一个重新开始文件，用于记录每个检查点在日志文件中的地址，帮助系统快速定位最后一个检查点的位置，减少日志文件的搜索时间。

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2. 检查点的建立过程

为了维护检查点记录，系统会周期性执行以下操作：

1. 将当前日志缓冲区中的所有日志记录写入磁盘的日志文件。
2. 在日志文件中写入一个检查点记录，记录当前活跃事务的信息。
3. 将数据缓冲区中的所有数据记录写入磁盘，确保数据库中的数据与日志记录保持一致。
4. 将检查点记录的地址写入重新开始文件，方便系统在恢复时快速找到检查点。

3. 检查点的建立频率

检查点可以定期或不定期建立。常见的检查点建立时机包括：

• 按时间间隔：例如，每隔一小时建立一次检查点。
• 按日志文件使用情况：当日志文件写满一半时建立检查点。

通过这种方式，系统能够在发生故障时快速找到最近的检查点，从而缩短恢复时间。

9.4.2 利用检查点的恢复策略

当系统发生故障时，恢复过程通常会从最后一个检查点开始。通过检查点技术，事务可以分为不同的类型，分别进行处理，避免不必要的日志搜索和操作。

1. 恢复过程的步骤

当系统发生故障时，恢复过程的步骤如下：

1. 从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址。
2. 从该地址开始，在日志文件中找到最后一个检查点记录。
3. 根据检查点记录的事务清单，将事务分为五类，分别处理。

2. 事务的分类与处理

在故障恢复时，事务根据其状态分为以下五类，如图 9-5 所示#### 图 9-5：具有检查点的日志文件中事务的分类

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在故障恢复过程中，系统会根据事务的状态将其划分为五类：

1. 事务 T1：检查点之前提交的事务

   • 状态：在检查点之前事务已提交。
   • 处理方式：不需要 REDO。因为该事务的所有更新操作都已经写入数据库中，因此不需要再次重做。

2. 事务 T2：检查点之前开始，故障点之前完成的事务

   • 状态：事务在检查点之前开始，并在故障点之前完成，但其部分更新操作可能还停留在缓冲区中。
   • 处理方式：需要 REDO。因为该事务的部分数据还未写入数据库，因此需要重做，以确保所有更改被正确写入数据库。

3. 事务 T3：检查点之前开始，故障点时仍未完成的事务

   • 状态：此事务在检查点之前开始，但在故障发生时尚未完成。
   • 处理方式：需要 UNDO。由于该事务未完成，可能导致数据库不一致，因此需要对其执行撤销操作，将其所有已执行的更改回滚。

4. 事务 T4：检查点之后开始，故障点之前完成的事务

   • 状态：事务在检查点之后开始，并在故障点之前完成，其部分更新操作可能仍在缓冲区中。
   • 处理方式：需要 REDO。该事务的部分更新还未写入数据库，因此需要重做，以确保数据一致性。

5. 事务 T5：检查点之后开始，故障点时尚未完成的事务

   • 状态：此事务在检查点之后开始，但在故障点发生时仍未完成。
   • 处理方式：需要 UNDO。由于事务未完成，可能导致数据不一致，因此需要撤销其已执行的操作。

检查点技术带来的优势

通过引入检查点技术，数据库系统能够显著提高故障恢复的效率。主要的优势包括：

1. 减少了日志文件的搜索范围：恢复系统只需要从最后一个检查点开始扫描日志文件，而不是从日志的开头开始，极大地减少了恢复时间。
2. 避免了不必要的 REDO 操作：对于在检查点之前已经提交的事务（如 T1），不需要再执行 REDO 操作，避免了重复的工作，进一步减少了恢复时间。
3. 高效的 UNDO 和 REDO 处理：通过将事务分类，系统能够对未完成的事务执行 UNDO 操作，对已完成但未写入数据库的事务执行 REDO 操作，从而保证数据的一致性。

总结与展望

检查点技术是数据库恢复中一项重要的优化手段。通过在日志文件中定期建立检查点，系统能够显著减少故障恢复时的搜索时间和重复操作，提升了系统的恢复效率。检查点技术特别适用于那些需要频繁备份并希望减少恢复时间的高可用数据库系统。

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