第九章
一、事務概念和事務的特性
事務是構(gòu)成單一邏輯工作單元的操作集合。不論有無故障，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須保證事務的正確執(zhí)行，即要么執(zhí)行該事務的整個操作集合，要么屬于該事務的操作一個也不執(zhí)行。為了保證事務的正確執(zhí)行，維護數(shù)據(jù)庫的完整性，我們要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護以下事務特性:①原子性（atomicity）事務的所有操作在數(shù)據(jù)庫中要么全部正確反映出來，要么全部不反映。②一致性（consistency）從事務的隔離執(zhí)行（即沒有并發(fā)執(zhí)行的其他事務）來保持數(shù)據(jù)庫的一致性。③隔離性（isolation）盡管多個事務可以并發(fā)執(zhí)行，但系統(tǒng)必須保證，對任一事務Ti和Tj，在Ti看來Tj或者在Ti開始之前已經(jīng)停止執(zhí)行，或者在Ti完成之后開始執(zhí)行。這樣，每個事務都感覺不到系統(tǒng)中有其他事務在并發(fā)地執(zhí)行。④持久性（durability）一個事務成功完成后，它對數(shù)據(jù)庫的改變必須是永久的，即使系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。這些特性通常被稱為ACID特性。解決事務并發(fā)執(zhí)行問題的一種方法是串行地執(zhí)行事務，即一個接一個地執(zhí)行。但這樣性能較低，事務并發(fā)執(zhí)行能顯著地改善性能。因此，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中有一個并發(fā)控制部件，它保證事務隔離性，即確保事務并發(fā)執(zhí)行后的系統(tǒng)狀態(tài)與這些事務以某種次序一個接一個地執(zhí)行后的狀態(tài)是等價的。成功完成執(zhí)行的事務稱為已提交事務。已提交事務使數(shù)據(jù)庫進入一個新的一致狀態(tài)，即使出現(xiàn)系統(tǒng)故障，這個狀態(tài)也必須保持。未能成功完成的事務稱為中止事務，中止事務必須對數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)不造成影響，即中止事務對數(shù)據(jù)庫所做的任何改變必須撤銷。一旦中止事務造成的變更被撤銷，則稱事務已回滾。
二、故障恢復（一）故障的類型
（1）事務故障用兩種錯誤可能造成事務執(zhí)行失敗:①邏輯錯誤。②系統(tǒng)錯誤。事務故障意味著事務沒有達到預期的終點，因此，數(shù)據(jù)庫可能處于不一致狀態(tài)?；謴妥酉到y(tǒng)需要強行回滾該事務，即撤銷該事務對數(shù)據(jù)庫已做的所有的修改，這稱做事務的撤銷或回滾。（2）系統(tǒng)故障硬件故障或者是數(shù)據(jù)庫軟件或操作系統(tǒng)的漏洞，導致系統(tǒng)停止運行。主存儲器內(nèi)容丟失，而外存儲器仍完好無損。發(fā)生系統(tǒng)故障時，可能有些未完成事務所做的數(shù)據(jù)庫修改已經(jīng)寫入到外存的數(shù)據(jù)庫中，因此，數(shù)據(jù)庫可能處于不一致狀態(tài)。為保證一致性，在系統(tǒng)重新啟動時必須強行回滾由于系統(tǒng)故障而非正常終止的事務（UNDO）。另一方面，發(fā)生系統(tǒng)故障時，可能有些已完成事務所做的數(shù)據(jù)庫修改仍部分或全部留在系統(tǒng)緩沖區(qū)，尚未寫入到外存的數(shù)據(jù)庫中，這也會使數(shù)據(jù)庫處于不一致狀態(tài)。在系統(tǒng)重新啟動時恢復子系統(tǒng)必須重做（REDO）所有已提交的事務，以保證事務的持久性和數(shù)據(jù)庫的一致性。（3）磁盤故障在數(shù)據(jù)傳送操作過程中由于磁頭損壞或故障造成磁盤塊上的內(nèi)容丟失。這類故障比前兩類故障發(fā)生的可能性小，但危害大。發(fā)生磁盤故障時，可以利用其他磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝，或三級介質(zhì)（如磁帶）上的備份來進行恢復。
（二）基于日志的恢復
保證在故障發(fā)生后仍保持數(shù)據(jù)庫一致性以及事務的原子性的算法稱為恢復算法，它由兩部分組成:
（1）在正常事務處理時采取措施，記錄數(shù)據(jù)庫中的更新活動，保證有足夠的信息可用于故障恢復。
（2）故障發(fā)生后采取措施，將數(shù)據(jù)庫內(nèi)容恢復到某個保證數(shù)據(jù)庫一致性、事務原子性及持久性的狀態(tài)。使用最為廣泛的記錄數(shù)據(jù)庫中更新活動的結(jié)構(gòu)是日志。日志是日志記錄的序列，它記錄了數(shù)據(jù)庫中的所有更新活動。1.日志的登記日志文件在數(shù)據(jù)庫恢復中起著非常重要的作用，它能夠很好地支持事務故障的恢復和系統(tǒng)故障的恢復。利用更新日志記錄中的改前值可以進行UNDO，撤銷已做的修改操作，將數(shù)據(jù)項恢復到修改以前的舊值;利用更新日志記錄中的改后值可以進行REDO，重做已完成的操作，將數(shù)據(jù)項置為修改后的新值。登記日志記錄時必須遵循以下原則:登記的順序嚴格按照事務的并發(fā)執(zhí)行中各操作發(fā)生的實際順序;必須先把日志記錄寫到外存的日志文件中，再把相應的數(shù)據(jù)庫修改寫到外存的數(shù)據(jù)庫中。這稱做先寫日志的原則，是為了發(fā)生故障后保持數(shù)據(jù)庫的原子性和持久性所必須遵循的原則。發(fā)生故障后的恢復
（1）事務故障恢復的步驟①反向掃描日志文件，查找該事務的更新操作。②對該事務的每一個更新操作執(zhí)行逆操作，即將日志記錄中“改前值”寫入數(shù)據(jù)庫。于是，若日志記錄對應的是插入操作，則這時做刪除操作;若日志記錄對應的是刪除操作，則這時做插入操作;若日志記錄對應的是修改操作，則這時用修改前的值代替修改后的值。③如此處理下去，直至讀到該事務的開始日志，則事務故障恢復結(jié)束。
（2）系統(tǒng)故障恢復的步驟①正向掃描日志文件，找出在故障發(fā)生前已提交的事務，將其事務標識記入REDO隊列;找出在故障發(fā)生時尚未完成的事務，將其事務標識記入UNDO隊列。②對UNDO隊列中的事務進行UNDO處理，即反向掃描日志文件，對每一個需要UNDO的事務的更新操作執(zhí)行逆操作。③對RREDO隊列中的事務進行REDO處理，即正向掃描日志文件，對每一個需要REDO的事務的更新重新執(zhí)行日志記錄登記的操作。磁盤的恢復需要有DBA介入，裝入最新的數(shù)據(jù)庫后備副本，和有關(guān)的日志文件副本，然后由系統(tǒng)進行恢復工作。
三、并發(fā)控制（一）事務的并發(fā)執(zhí)行
①丟失更新②對未提交更新的依賴③不一致的分析
（二）并發(fā)事務的調(diào)度
這兩個調(diào)度都是串行的。串行調(diào)度由來自各事務的指令序列組成，其中屬于同一事務的指令在調(diào)度中緊挨在一起。當多個事務并發(fā)執(zhí)行時，相應的調(diào)度不一定是串行的。若有兩個并發(fā)執(zhí)行的事務，操作系統(tǒng)可能先選其中的一個事務執(zhí)行一小段時間，然后切換上下文，執(zhí)行第二個事務一段時間，接著又切換到第一個事務執(zhí)行一段時間，如此下去。執(zhí)行順序可能會有多種，因為來自兩個事務的各條指令可以交*執(zhí)行。如果并發(fā)執(zhí)行的控制完全由操作系統(tǒng)負責，許多調(diào)度都是可能的，包括像上述調(diào)度那樣使數(shù)據(jù)庫處于不一致狀態(tài)的調(diào)度。保證任何調(diào)度執(zhí)行后數(shù)據(jù)庫總處于一致狀態(tài)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的職責。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中完成此任務的部件是并發(fā)控制部件。
（三）可串行化
直觀地說，如果多個事務在某個調(diào)度下的執(zhí)行結(jié)果與這些事務在某個串行調(diào)度下的執(zhí)行結(jié)果相同，則稱這個調(diào)度為可串行化的調(diào)度。下面用等價的概念來定義可串行化的概念。如果某個調(diào)度等價于一個串行調(diào)度，則稱這個調(diào)度是可串行化的。并發(fā)調(diào)度3等價于串行調(diào)度1，于是稱調(diào)度3是一個可串行化的調(diào)度?？纱谢嵌鄠€事務并發(fā)執(zhí)行的正確性準則。多個事務在某個調(diào)度下的執(zhí)行是正確的，是能保證數(shù)據(jù)庫一致性，當且僅當該調(diào)度是可串行化的。
（四）可恢復性
因一個事務故障導致一系列事務回滾的現(xiàn)象稱為級聯(lián)回滾。由于級聯(lián)回滾導致撤銷大量工作，因此不希望發(fā)生級聯(lián)回滾。我們希望對調(diào)度加以限制，避免級聯(lián)回滾發(fā)生，這樣的調(diào)度稱為無級聯(lián)調(diào)度。
一、事務概念和事務的特性
事務是構(gòu)成單一邏輯工作單元的操作集合。不論有無故障，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須保證事務的正確執(zhí)行，即要么執(zhí)行該事務的整個操作集合，要么屬于該事務的操作一個也不執(zhí)行。為了保證事務的正確執(zhí)行，維護數(shù)據(jù)庫的完整性，我們要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護以下事務特性:①原子性（atomicity）事務的所有操作在數(shù)據(jù)庫中要么全部正確反映出來，要么全部不反映。②一致性（consistency）從事務的隔離執(zhí)行（即沒有并發(fā)執(zhí)行的其他事務）來保持數(shù)據(jù)庫的一致性。③隔離性（isolation）盡管多個事務可以并發(fā)執(zhí)行，但系統(tǒng)必須保證，對任一事務Ti和Tj，在Ti看來Tj或者在Ti開始之前已經(jīng)停止執(zhí)行，或者在Ti完成之后開始執(zhí)行。這樣，每個事務都感覺不到系統(tǒng)中有其他事務在并發(fā)地執(zhí)行。④持久性（durability）一個事務成功完成后，它對數(shù)據(jù)庫的改變必須是永久的，即使系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。這些特性通常被稱為ACID特性。解決事務并發(fā)執(zhí)行問題的一種方法是串行地執(zhí)行事務，即一個接一個地執(zhí)行。但這樣性能較低，事務并發(fā)執(zhí)行能顯著地改善性能。因此，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中有一個并發(fā)控制部件，它保證事務隔離性，即確保事務并發(fā)執(zhí)行后的系統(tǒng)狀態(tài)與這些事務以某種次序一個接一個地執(zhí)行后的狀態(tài)是等價的。成功完成執(zhí)行的事務稱為已提交事務。已提交事務使數(shù)據(jù)庫進入一個新的一致狀態(tài)，即使出現(xiàn)系統(tǒng)故障，這個狀態(tài)也必須保持。未能成功完成的事務稱為中止事務，中止事務必須對數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)不造成影響，即中止事務對數(shù)據(jù)庫所做的任何改變必須撤銷。一旦中止事務造成的變更被撤銷，則稱事務已回滾。
二、故障恢復（一）故障的類型
（1）事務故障用兩種錯誤可能造成事務執(zhí)行失敗:①邏輯錯誤。②系統(tǒng)錯誤。事務故障意味著事務沒有達到預期的終點，因此，數(shù)據(jù)庫可能處于不一致狀態(tài)?；謴妥酉到y(tǒng)需要強行回滾該事務，即撤銷該事務對數(shù)據(jù)庫已做的所有的修改，這稱做事務的撤銷或回滾。（2）系統(tǒng)故障硬件故障或者是數(shù)據(jù)庫軟件或操作系統(tǒng)的漏洞，導致系統(tǒng)停止運行。主存儲器內(nèi)容丟失，而外存儲器仍完好無損。發(fā)生系統(tǒng)故障時，可能有些未完成事務所做的數(shù)據(jù)庫修改已經(jīng)寫入到外存的數(shù)據(jù)庫中，因此，數(shù)據(jù)庫可能處于不一致狀態(tài)。為保證一致性，在系統(tǒng)重新啟動時必須強行回滾由于系統(tǒng)故障而非正常終止的事務（UNDO）。另一方面，發(fā)生系統(tǒng)故障時，可能有些已完成事務所做的數(shù)據(jù)庫修改仍部分或全部留在系統(tǒng)緩沖區(qū)，尚未寫入到外存的數(shù)據(jù)庫中，這也會使數(shù)據(jù)庫處于不一致狀態(tài)。在系統(tǒng)重新啟動時恢復子系統(tǒng)必須重做（REDO）所有已提交的事務，以保證事務的持久性和數(shù)據(jù)庫的一致性。（3）磁盤故障在數(shù)據(jù)傳送操作過程中由于磁頭損壞或故障造成磁盤塊上的內(nèi)容丟失。這類故障比前兩類故障發(fā)生的可能性小，但危害大。發(fā)生磁盤故障時，可以利用其他磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝，或三級介質(zhì)（如磁帶）上的備份來進行恢復。
（二）基于日志的恢復
保證在故障發(fā)生后仍保持數(shù)據(jù)庫一致性以及事務的原子性的算法稱為恢復算法，它由兩部分組成:
（1）在正常事務處理時采取措施，記錄數(shù)據(jù)庫中的更新活動，保證有足夠的信息可用于故障恢復。
（2）故障發(fā)生后采取措施，將數(shù)據(jù)庫內(nèi)容恢復到某個保證數(shù)據(jù)庫一致性、事務原子性及持久性的狀態(tài)。使用最為廣泛的記錄數(shù)據(jù)庫中更新活動的結(jié)構(gòu)是日志。日志是日志記錄的序列，它記錄了數(shù)據(jù)庫中的所有更新活動。1.日志的登記日志文件在數(shù)據(jù)庫恢復中起著非常重要的作用，它能夠很好地支持事務故障的恢復和系統(tǒng)故障的恢復。利用更新日志記錄中的改前值可以進行UNDO，撤銷已做的修改操作，將數(shù)據(jù)項恢復到修改以前的舊值;利用更新日志記錄中的改后值可以進行REDO，重做已完成的操作，將數(shù)據(jù)項置為修改后的新值。登記日志記錄時必須遵循以下原則:登記的順序嚴格按照事務的并發(fā)執(zhí)行中各操作發(fā)生的實際順序;必須先把日志記錄寫到外存的日志文件中，再把相應的數(shù)據(jù)庫修改寫到外存的數(shù)據(jù)庫中。這稱做先寫日志的原則，是為了發(fā)生故障后保持數(shù)據(jù)庫的原子性和持久性所必須遵循的原則。發(fā)生故障后的恢復
（1）事務故障恢復的步驟①反向掃描日志文件，查找該事務的更新操作。②對該事務的每一個更新操作執(zhí)行逆操作，即將日志記錄中“改前值”寫入數(shù)據(jù)庫。于是，若日志記錄對應的是插入操作，則這時做刪除操作;若日志記錄對應的是刪除操作，則這時做插入操作;若日志記錄對應的是修改操作，則這時用修改前的值代替修改后的值。③如此處理下去，直至讀到該事務的開始日志，則事務故障恢復結(jié)束。
（2）系統(tǒng)故障恢復的步驟①正向掃描日志文件，找出在故障發(fā)生前已提交的事務，將其事務標識記入REDO隊列;找出在故障發(fā)生時尚未完成的事務，將其事務標識記入UNDO隊列。②對UNDO隊列中的事務進行UNDO處理，即反向掃描日志文件，對每一個需要UNDO的事務的更新操作執(zhí)行逆操作。③對RREDO隊列中的事務進行REDO處理，即正向掃描日志文件，對每一個需要REDO的事務的更新重新執(zhí)行日志記錄登記的操作。磁盤的恢復需要有DBA介入，裝入最新的數(shù)據(jù)庫后備副本，和有關(guān)的日志文件副本，然后由系統(tǒng)進行恢復工作。
三、并發(fā)控制（一）事務的并發(fā)執(zhí)行
①丟失更新②對未提交更新的依賴③不一致的分析
（二）并發(fā)事務的調(diào)度
這兩個調(diào)度都是串行的。串行調(diào)度由來自各事務的指令序列組成，其中屬于同一事務的指令在調(diào)度中緊挨在一起。當多個事務并發(fā)執(zhí)行時，相應的調(diào)度不一定是串行的。若有兩個并發(fā)執(zhí)行的事務，操作系統(tǒng)可能先選其中的一個事務執(zhí)行一小段時間，然后切換上下文，執(zhí)行第二個事務一段時間，接著又切換到第一個事務執(zhí)行一段時間，如此下去。執(zhí)行順序可能會有多種，因為來自兩個事務的各條指令可以交*執(zhí)行。如果并發(fā)執(zhí)行的控制完全由操作系統(tǒng)負責，許多調(diào)度都是可能的，包括像上述調(diào)度那樣使數(shù)據(jù)庫處于不一致狀態(tài)的調(diào)度。保證任何調(diào)度執(zhí)行后數(shù)據(jù)庫總處于一致狀態(tài)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的職責。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中完成此任務的部件是并發(fā)控制部件。
（三）可串行化
直觀地說，如果多個事務在某個調(diào)度下的執(zhí)行結(jié)果與這些事務在某個串行調(diào)度下的執(zhí)行結(jié)果相同，則稱這個調(diào)度為可串行化的調(diào)度。下面用等價的概念來定義可串行化的概念。如果某個調(diào)度等價于一個串行調(diào)度，則稱這個調(diào)度是可串行化的。并發(fā)調(diào)度3等價于串行調(diào)度1，于是稱調(diào)度3是一個可串行化的調(diào)度?？纱谢嵌鄠€事務并發(fā)執(zhí)行的正確性準則。多個事務在某個調(diào)度下的執(zhí)行是正確的，是能保證數(shù)據(jù)庫一致性，當且僅當該調(diào)度是可串行化的。
（四）可恢復性
因一個事務故障導致一系列事務回滾的現(xiàn)象稱為級聯(lián)回滾。由于級聯(lián)回滾導致撤銷大量工作，因此不希望發(fā)生級聯(lián)回滾。我們希望對調(diào)度加以限制，避免級聯(lián)回滾發(fā)生，這樣的調(diào)度稱為無級聯(lián)調(diào)度。