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  第5题      
  知识点:   恢复   日志文件   数据库   数据库系统

 
数据库系统采用数据转储方式对数据和日志文件进行离线备份,用检查点机制进行恢复
假设部分其日志文件如表5-1所示。日志记录内容中:

 
问题:5.1   假设各数据项的初始值为: 1-22, J=45, K-9,系统出错恢复后,I,J,K的数值会恢复为多少?
 
问题:5.2   请给出系统恢复时需要重做(Redo)的事务列表和需要撤销(undo)的事务列表。
 
问题:5.3   假设掉电造成磁盘介质损坏,数据库无法启动,请用100字以内的文字简要说明其恢复过程。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 恢复    · 日志文件    · 数据库    · 数据库系统
 
       恢复
        数据恢复有3个步骤。
        (1)反向扫描文件日志,查找该事务的更新操作。
        (2)对事务的更新操作执行逆操作。
        (3)继续反向扫描日志文件,查找该事务的其他更新操作,并做同样的处理,直到事务的开始标志。
 
       日志文件
        事务日志是针对数据库改变所做的记录,它可以记录针对数据库的任何操作,并将记录结果保存在独立的文件中,这种文件就称为日志文件。对于任何一个事务,事务日志都有非常全面的记录,根据这些记录可以将数据文件恢复成事务前的状态。从事务动作开始,事务日志就处于记录状态,事务执行过程中对数据库的任何操作都记录在内,直到用户提交或回滚后才结束记录。
        日志文件是用来记录对数据库每一次更新活动的文件,在动态备份方式中,必须建立日志文件,后援副本和日志文件综合起来才能有效地恢复数据库;在静态备份方式中,也可以建立日志文件,当数据库毁坏后可重新装入后援副本把数据库恢复到备份结束时刻的正确状态,然后利用日志文件,把已完成的事务进行重做处理,对故障发生时尚未完成的事务进行撤销处理。这样不必重新运行那些已完成的事务程序就可把数据库恢复到故障前某一时刻的正确状态。
        例如,在热备份期间的某时刻t1,系统把数据A=100备份到了磁带上,而在时刻t2,某一事务对A进行了修改使A=200。备份结束,后备副本上的A已是过时的数据了。为此,必须把备份期间各事务对数据库的修改活动登记下来,建立日志文件。这样,后备副本加上日志文件就能把数据库恢复到某一时刻的正确状态。
        事务在运行过程中,系统把事务开始、事务结束(包括COMMIT和ROLLBACK),以及对数据库的插入、删除、修改等每一个操作作为一个登记记录存放到日志文件中。每个记录包括的主要内容有:执行操作的事务标识、操作类型、更新前数据的旧值(对插入操作而言此项为空值)、更新后的新值(对删除操作而言此项为空值)。登记的次序严格按并行事务操作执行的时间次序,同时遵循“先写日志文件”的规则。写一个修改到数据库中和写一个表示这个修改的日志记录到日志文件中是两个不同的操作,有可能在这两个操作之间发生故障,即这两个写操作只完成了一个,如果先写了数据库修改,而在日志记录中没有登记这个修改,则以后就无法恢复这个修改了。因此,为了安全,应该先写日志文件,即首先把修改记录写到日志文件上,然后再写数据库的修改。这就是“先写日志文件”的原则。
 
       数据库
        数据库(DataBase,DB)是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储,具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性,并可为各种用户共享。
        系统使用的所有数据存储在一个或几个数据库中。
 
       数据库系统
        简单地说,数据库系统就是基于数据库的计算机应用系统。这样一个系统包括以下内容。
        ①以数据为主体的数据库。
        ②管理数据库的系统(DBMS)。
        ③支持数据库系统的计算机硬件环境和操作系统环境。
        ④管理和使用数据库系统的人——数据库管理员。
        1)数据库的定义和特征
        数据库,顾名思义就是存放数据的仓库,这种想当然的理解是不准确的。数据库对应的英文单词是DataBase,如果直译则是数据基地;而数据仓库则另有其词DataWarehouse。所以数据库和数据仓库不是同义词,数据仓库是在数据库技术的基础上发展起来的又一新的应用领域。
        数据库技术发展到今天已经是一门成熟的技术,但却没有一个被普遍接受的、严格的定义。数据库是相互关联数据的集合,这是大家公认的数据库的基本特征之一。下面一段话概括了数据库应该具备的一些特征,也可以把它作为数据库的定义。
        数据库是相互关联数据的集合,它用综合的方法组织数据,具有较小的数据冗余,可供多个用户共享,具有较高的数据独立性,具有安全控制机制,能够保证数据的安全、可靠,允许并发地使用数据库,能有效、及时地处理数据,并能保证数据的一致性和完整性。
        (1)相互关联的数据集合。数据库中的数据不是孤立的,数据与数据之间是相互关联的。也就是说,在数据库中不仅要能够表示数据本身,还要能够表示数据与数据之间的联系。比如在学籍管理中,有学生和课程两类数据,在数据库中除了要存放这两类数据之外,还要存放哪些学生选修了哪些课程或哪些课程由哪些学生选修这样的信息,这就反映了学生数据和课程数据之间的联系。
        (2)用综合的方法组织数据。数据库能够根据不同的需要按不同的方法组织数据,如可以用顺序组织方法、索引组织方法、聚集(Cluster)组织方法等。
        (3)低冗余与数据共享。由于在数据库技术之前,数据文件都是独立的,所以任何数据文件都必须含有满足某应用的全部数据。比如,人事部门有一个职工文件,教育部门也有一个职工文件,两个部门的职工文件中都有"职工基本情况"的数据,也就是说这一部分数据是重复存储的,如果还有第三、第四个部门也有类似的职工文件,那么重复存储所造成的空间浪费是很大的。在数据库中,可以共享类似"职工基本情况"这样的共用数据,从而降低数据的冗余度。
        (4)数据具有较高的独立性。数据独立性是指数据的组织和存储方式与应用程序互不依赖、彼此独立的特性。在数据库技术之前,数据文件的组织方式和应用程序是密切相关的,当改变数据结构时,相应的应用程序也必须随之修改,这样就大大增加了应用程序的开发代价和维护代价。而数据库技术却可以使数据的组织和存储方法与应用程序互不依赖,从而大大降低应用程序的开发代价和维护代价。
        (5)保证数据的安全、可靠。数据库技术要能够保证数据库中的数据是安全、可靠的。数据库要有一套安全机制,以便可以有效地防止数据库中的数据被非法使用或非法修改;数据库还要有一套完整的备份和恢复机制,以便保证当数据遭到破坏时(软件或硬件故障引起的),能立刻将数据完全恢复,从而保证系统能够连续、可靠地运行。
        (6)最大限度地保证数据的正确性。保证数据正确的特性在数据库中称为数据完整性。在数据库中可以通过建立一些约束条件保证数据库中的数据是正确的。比如输入年龄小于0或者大于200时,数据库能够主动拒绝这类错误。
        (7)数据可以并发使用并能同时保证数据的一致性。数据库中的数据是共享的,并且允许多个用户同时使用同一数据,这就要求数据库能够协调一致,保证各个用户之间对数据的操作不发生矛盾和冲突,即在多个用户同时使用数据库的情况下,能够保证数据的一致性和正确性。
        2)数据库管理系统
        数据库的各种功能和特性,并不是数据库中的数据所固有的,而是靠管理或支持数据库的系统软件——数据库管理系统(DataBase Management System, DBMS)提供的。一个完备的数据库管理系统应该具备上一节提到的各种功能,其任务就是对数据资源进行管理,并且使之能为多个用户共享,同时还能保证数据的安全性、可靠性、完整性、一致性,并要保证数据的高度独立性。一个数据库管理系统应该具备以下功能。
        (1)数据库定义功能。可以定义数据库的结构和数据库的存储结构,可以定义数据库中数据之间的联系,可以定义数据的完整性约束条件和保证完整性的触发机制等。
        (2)数据库操纵功能。可以完成对数据库中数据的操纵,可以装入、删除、修改数据,可以重新组织数据库的存储结构,可以完成数据库的备份和恢复等操作。
        (3)数据库查询功能。可以以各种方式提供灵活的查询功能,可以使用户方便地使用数据库中的数据。
        (4)数据库控制功能。可以完成对数据库的安全性控制、完整性控制、多用户环境下的并发控制等各方面的控制。
        (5)数据库通信功能。在分布式数据库或提供网络操作功能的数据库中还必须提供数据库的通信功能。
        3)数据库管理员
        从事数据库管理工作的人员称为数据库管理员(DataBase Administrator, DBA)。DBA有大量的工作要做,既有技术方面的工作,又有管理方面的工作,要参加数据库开发和使用的全部工作。总体来说,DBA的工作可以概括如下。
        (1)在数据库规划阶段要参与选择和评价与数据库有关的计算机软件和硬件,要与数据库用户共同确定数据库系统的目标和数据库应用需求,要确定数据库的开发计划。
        (2)在数据库设计阶段要负责数据库标准的制定和共用数据字典的研制,要负责各级数据库模式的设计,要负责数据库安全、可靠方面的设计。
        (3)在数据库运行阶段首先要负责对用户进行数据库方面的培训;要负责数据库的转储和恢复;要负责对数据库中的数据进行维护;要负责监视数据库的性能,并调整、改善数据库的性能,提高系统的效率;要继续负责数据库安全系统的管理;要在运行过程中发现问题、解决问题。
        4)数据库的发展
        数据库的核心任务是数据管理,它包括数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护等。数据管理经历了以下3个阶段。
        (1)人工管理阶段。人工管理阶段是指计算机诞生的初期(20世纪50年代中期以前)。这个时期的计算机技术,从硬件看还没有磁盘这样的可直接存取的存储设备,从软件看没有操作系统,更没有管理数据的软件。这个时期数据管理的特点如下。
        ①数据不保存。因为计算机主要用于科学计算,一般也不需要长期保存数据,只是在完成某一个计算或课题时才将数据输入,然后不仅原始数据不保存,计算结果也不保存。
        ②没有文件的概念。这个时期的数据组织必须由每个程序的程序员自行组织和安排。
        ③一组数据对应一个程序。每组数据只对应一个应用,即使两个程序用到相同的数据,也必须各自定义、各自组织,数据无法共享、无法相互利用和互相参照。因此,程序和程序之间有大量的数据重复。
        ④没有形成完整的数据管理的概念。由于以上几个特点及没有对数据进行管理的软件系统,所以这个时期的每个程序都要包括数据存取方法、输入输出方法和数据组织方法等。因为程序是直接面向存储结构的,所以存储结构的任何一点修改,都会导致程序的修改,程序与数据不具有独立性。
        (2)文件系统阶段。文件系统阶段是指20世纪50年代后期到60年代中期这一阶段。从那时起,计算机不仅大量用于科学计算,也开始大量用于信息管理。像磁盘这样的直接存取存储设备也已经出现,在软件方面也有了操作系统和高级语言,还有了专门用于数据管理的软件,即文件系统(或操作系统的文件管理部分)。这个阶段的数据管理具有以下特点。
        ①数据可以长期保存在磁盘上,也可以反复使用,即可以经常对文件进行查询、修改、插入和删除等操作。
        ②操作系统提供了文件管理功能和访问文件的存取方法,程序和数据之间有了数据存取的接口,程序开始通过文件名和数据打交道,可以不再关心数据的物理存放位置。因此,这时也有了数据的物理结构和数据的逻辑结构的区别。程序和数据之间有了一定的独立性。
        ③文件的形式已经多样化。由于有了磁盘这样的直接存取存储设备,文件也就不再局限于顺序文件,也有了索引文件、链表文件等。因而,对文件的访问可以是顺序访问,也可以是直接访问。但文件之间是独立的,它们之间的联系要通过程序去构造,文件的共享性还比较差。
        ④有了存储文件以后,数据就不再仅仅属于某个特定的程序,而是可以由多个程序反复使用。但文件结构的设计仍然是基于特定的用途,程序仍然是基于特定的物理结构和存取方法编制的。因此,数据的存储结构和程序之间的依赖关系并未根本改变。
        ⑤数据的存取基本上以记录为单位。
        (3)数据库系统阶段。数据库系统阶段从20世纪60年代后期开始,数据库技术的诞生既有计算机技术的发展做依托,又有数据管理的需求做动力。数据库的数据不再是面向某个应用或某个程序,而是面向整个企业(组织)或整个应用。
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