数据库崩溃怎么恢复?ARIES 算法三阶段(27/38)

flushed-LSN 与 page-LSN 决定哪页能刷盘;崩溃后靠分析、Redo、Undo 三阶段恢复到一致状态

数据库内核实践第 27 课封面:数据库内核27:数据库崩溃怎么恢复?ARIES 算法三阶段

flushed-LSN 与 page-LSN 决定哪页能刷盘;崩溃后靠分析、Redo、Undo 三阶段恢复到一致状态

《数据库内核原理》第 27 篇:数据库崩溃恢复与 ARIES 算法。

今天来聊两个问题:

1. 如果缓冲池(buffer pool)满了,哪些数据页(page)要刷盘,哪些数据页不刷盘?

2. 数据库崩了,怎么利用检查点(checkpoint)与预写日志恢复数据?

缓冲池满时的刷盘策略

首先来回顾一下第 26 篇《数据库预写日志 WAL 的核心思路》中相关的一些知识点:

1. 检查点记录了某一个时刻,缓冲池中所有数据页的状态信息;

2. 预写日志(write-ahead logging,WAL)中记录了,事务在执行过程中,对数据库进行的所有写操作;

3. 日志序列号(log sequence number,LSN),可以标识所有操作序列时序的依据;

再来介绍两个新的知识点:

其一,在数据库中,需要存储一个信息:

flushed-LSN:预写日志已刷盘的最大LSN。

这是日志刷盘。

其二,每个数据页X,还要包含两个信息:

page-LSN:最近修改数据页的LSN。

每一页数据,都会存储这个LSN。

rec-LSN:上次刷盘以来,最早修改数据页的LSN。

每一页数据,也会存储这个LSN。

这是两个边界LSN。

也就是说,在[rec-LSN, page-LSN]之间的所有操作,都将这一页数据变成了脏数据。

这是数据页刷盘。

如果flushed-LSN >= page-LSN(X)

说明:我们可以将页面X刷到磁盘上,因为在那之前的所有日志,都已经刷到了磁盘上。

这是WAL原则,先刷日志,才能刷数据。

反之,如果flushed-LSN =< page-LSN(X)

说明:有些对数据页X的操作,还没有被刷到预写日志磁盘上,此时我们不能将数据页X刷到磁盘。

四个事务 T1-T4 依次将 A 由 1 改为 9 的 WAL 与数据页状态示例

如上图例子所示,共有四个事务:

T1,将A由1改为2;

T2,将A由2改为3;

T3,将A由3改为4;

T4,将A由4改为9;

对于预写日志来说:

LSN 001-010都已经刷到磁盘上

LSN 011-013都还在WAL buffer里

对于数据库来说:

flushed-LSN=10

这是预写日志已刷盘的最大LSN。

对于数据页X来说:

page-LSN(X)=12

数据buffer里,T4已经将A由4改为了9。

此时,flushed-LSN =< page-LSN(X)

于是,我们不能将数据页X刷到磁盘,因为预写日志还没有完成。我们只能刷盘其他数据页,来腾出缓冲池的内存空间哈。

数据库崩溃时的数据恢复算法

数据库崩溃后,所有内存buffer(WAL buffer以及buffer pool)中的数据都会丢失,我们如何利用检查点与预写日志,对数据进行恢复呢?

最常见故障恢复(crash recovery)算法是ARIES,Algorithms for Recovery and Isolation Exploiting Semantics,语义恢复与隔离算法。

这个算法的核心包含三个阶段:

分析阶段:分析预写日志,对事务进行分类

分析哪些预写日志?

假设刷新检查点日志的时刻是LSN,需要分析所有检查点LSN之后的预写日志。

如何对事务进行分类?

从检查点LSN开始,从前往后扫描预写日志:

1. 每条日志记录对应事务Tx,将Tx加入undo-Tx集合;

2. 遇到<Ti, Commit>记录,将Ti移出undo-Tx集合;

Redo阶段:重做检查点LSN之后,预写日志中的所有操作

从检查点LSN开始,从前往后扫描预写日志:

遇到<Ti, update>记录,修改检查点中对应的数据页X,将对应的数据进行修改,如此一来,就恢复到了数据库崩溃前的缓冲池数据页镜像。

这些数据页能全部刷盘吗?

不能,没有提交的事务的操作,必须进行回滚。

Undo阶段:对于没有提交的事务,恢复这些事务对数据页的修改

从flushed-LSN开始,从后往前逆向扫描预写日志,直到检查点LSN:

遇到<Ti, update>记录,如果Ti在undo-Tx集合中,就将对应的数据页进行回滚修改,如此一来,所有未提交事务的修改,就进行了回滚。

ARIES算法是数据恢复的典型算法,很多消息系统,存储系统,事务系统对算法进行过效率改良,但其内核,万变不离其宗。思路,比结论更重要。

检验一下

检索练习 · 刷盘判定

缓冲池满时,数据页 X 能被刷到磁盘上的判定条件是什么?

检索练习 · 三个 LSN

page-LSN 和 rec-LSN 分别表示什么?

检索练习 · 分析阶段

ARIES 分析阶段如何对事务分类?

检索练习 · Redo 与 Undo

ARIES 的 Redo 阶段和 Undo 阶段分别做什么?

ARIES 讲的是崩溃后怎么恢复,而 MySQL 里 redo log 具体什么时候刷盘,由一个关键参数控制——配错了,已提交的事务也会丢数据。下一篇:innodb_flush_log_at_trx_commit。

知其然,知其所以然。思路比结论更重要。

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