單機存儲系統中的故障恢復

一、故障與恢復

本文中介紹的故障恢復主要是只單機存儲系統中的故障恢復，就是只有一台電腦，與之相對的是分散式存儲系統，暫且不談。

所謂故障，就是指電腦中途突然掛掉，死機，斷電等等。

所謂恢復，主要是恢復內存中的數據，而不是硬碟上的，因為硬碟上的數據是持久化的，而內存中的數據是易失的。恢復主要通過日誌來進行恢復。

二、日誌

日誌主要分為兩種類型。undo日誌和redo日誌。日誌記錄的最小單位是事務，因為事務是原子性的，一個事務中可能會包含多個操作，一個事務中的操作要麼全部執行成功，要不全部執行失敗。對於每個事務，都會記錄日誌。undo日誌記錄的是事務更改前的狀態，而redo日誌記錄的是事務更改後的狀態。

舉個例子：X最初的值是5，你要在一個事務里將X的值更改為10。那麼undo日誌會記錄事務修改前的狀態<X，5>，而redo日誌會記錄事務更改之後的狀態，<X，10>。

操作系統會在內存中執行事務，並且將內存中的數據定期刷到磁碟中，從而實現將隨機寫轉化為順序寫。

三、redo日誌

重點講一下redo日誌。它記錄的是事務修改後的狀態。redo日誌記錄的順序是這樣的：

將redo日誌以追加的方式寫到磁碟的日誌文件中

將redo日誌記錄的操作在內存中進行真正的執行

返回操作成功或者失敗。

需要注意的點，是對於redo日誌來說，是要先將日誌寫到磁碟中，才能去內存中執行修改。這個順序不能顛倒。當電腦故障的時候，內存中的東西，比如X的值會丟失，但是X得值在日誌中是有記錄的，日誌又是被寫到磁碟上的，斷電不會丟失，所以可以通過讀取redo日誌成功找回X的值，將其在內存中進行恢復。

四、redo操作的優化

我們來看一下redo操作，對於每一個事務，當事務在內存中被真正執行之前，都要先往磁碟里寫redo日誌，但是，寫磁碟這個行為代價是很高的，並且如果同時有大量的事務要執行，每次都要寫磁碟，那麼會帶來較差的性能。

這裡就要分情況了，對於一致性要求高的應用，應該保證每一個事務開始前，redo日誌立刻刷入磁碟。但是對於一致性要求不高的應用，則可以先將redo日誌在內存的緩衝區中先進行緩存，等到一定的時間（如10ms）或者一定的大小（512KB）之後再定期刷入磁碟，這種優化方式被稱為成組提交，這樣就會提高系統吞吐量。但是這樣做的缺點，是如果發生故障，被緩存在內存中的一些redo日誌也會丟失，所以可能會丟失部分操作。另外，會犧牲寫事務的時延，因為提交的寫事務並不是立刻執行，要先等足夠的redo日誌被刷到磁碟才會開始執行。

五、checkpoint 檢查點

除了內存中緩存的redo日誌要被定期刷入磁碟外，內存中的數據也要被定期刷入磁碟，每當內存中的一組數據被刷入磁碟後，需要記錄日誌的回放點，以後的故障恢復只需要redo回放點後邊的日誌即可，回放點之前的日誌不需要被redo了，因為相關數據已經被刷入磁碟，不會丟失。當內存中的數據被刷入磁碟後，會在磁碟上形成一個checkpoint文件，文件中有記錄的日誌回放點。

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