问题背景

关系型数据库最核心的功能是支持事务，这一特性使得其故障后的恢复处理过程会比较复杂。通常来说，事务会遇到三类故障：

  • 事务级别的故障
    比如死锁、超时，数据库可以通过 rollback 来保证事务数据的一致性。
  • 系统级别的故障
    比如进程被 killed、服务器故障，数据库需要通过 failure recovery 机制来恢复数据一致。
  • 存储级别的故障
    这需要数据备份、日志归档、灾备来保证事务数据的一致性。

这其中的 failure recovery 机制，在不同的数据库中有不同的叫法，比如 Informix 称之为 fast recovery，而 Db2 称之为 crash recovery，但不管怎么叫，指的都是数据库重启后，如何根据事务 ACID 属性（主要是原子性 A 和持久性 D）给用户的承诺，将事务数据恢复到一个正确的状态。

业界 failure recovery 算法的开山鼻祖来自于 IBM 1992 年的论文“ARIES: A Transaction Recovery Method Supporting Fine-Granularity Locking and Partial Rollbacks Using Write-Ahead Logging”，从名字可以知道，这个算法结合了提前写日志、行级锁、部分回滚等特性。

目前主流数据库的 failure recovery 中，有的完全采用了这个算法，有的则借鉴了它的思想。

基本概念

在理解 ARIES 算法前先要先介绍几个概念

WAL

WAL 指的是 write-ahead logging，一言蔽之，就是要求事务在提交前，其日志必须写到磁盘。也就是事务提交是日志落盘的充分非必要条件。

steal 和 force

这两个是 buffer 管理的策略。

如果事务提交前，允许 buffer 中该事务的 page 持久化到磁盘上，则称之为 steal 策略，否则称之为 no-steal 策略。所以 steal 策略暗示了：failure recovery 的时候 undo 是必须的，因为没有提交的事务，其数据可能已经写到了磁盘上。显然 steal 是一种更加灵活的策略，使得在某个情况下（比如 buffer 写满了）可以将 buffer 中的脏页（dirty page）flush 到磁盘。

如果事务提交前，buffer 中该事务的 page 必须全部持久化到磁盘上，则称之为 force 策略，否则称之为 no-force 策略，所以 force 策略暗示了：failure recovery 的时候是不需要 redo 的，因为事务一旦提交，其数据必然已经在磁盘上持久化。显然 no-force 是一种对性能更有利的策略。

所以主流数据库都使用 steal + no-force 的策略组合，也就暗示了：failure recovery 必须要考虑 redo 和 undo 两个过程。

日志记录

在一条数据库日志中，和 ARIES 相关的字段包含如下：

  • LSN
    每一条日志记录的地址，单调递增，可以用来方便定序。
  • Type
    日志记录类型，比如 update 表示 DML 操作；compensation 表示补偿日志，用于 failure recovery 的 undo 阶段再次发生 failure 时可以继续 recovery；prepare 和 rollbck 表示事务相关操作；OSfile_return 表示脏页写回磁盘。
  • TransID
    事务 ID
  • PrevLSN
    同一个事务的前序 LSN
  • PageID
    如果 Type 是 update 或者 compensation，PageID 表示这条日志记录修改了哪些磁盘上的 page
  • UndoNxtLSN
    只在补偿日志（CLR）才有用，表示该事务中下一条需要 rollback 的 LSN，相当于是普通 update 日志的 PrevLSN
  • Data
    这条日志的数据部分，包含 redo 和 undo 信息。

物理页

物理页 page 会记录 page_LSN，表示最近一次更新这个 page 的 LSN

事务表

事务表记录了当前所有的活动事务（未提交的）

  • TransID
    事务 ID
  • State
    事务的提交状态，比如 P 表示 prepare，U 表示非 prepare
  • LastLSN
    该事务写的最后一个 LSN
  • UndoNxtLSN
    如果该事务的最近一次 LSN 是非 CLR 日志，则是 LastSCN，如果是 CLR 日志，则是这条 CLR 日志记录的 UndoNxtLSN

脏页表

脏页表记录了所有 buffer 中的脏页（dirty page，在 buffer 中发生了修改但还没有写回磁盘）。

  • PageID
    脏页 ID
  • RecLSN
    该 page 第一次从 nondirty 转为 dirty 的 LSN，也就是如果这个 page 被多次修改，那么脏页表里记录的是最早修改这个 page 的 LSN。

checkpoint

数据库会周期性的执行 checkpoint，checkpoint 可以缩短 failure recovery 的进程。比如在某个时间点，所有的脏页都刷到磁盘上。当后续发生 failure recovery 时，这个 checkpoint 就会被作为起点，根据 LSN 进行后续的 redo 和 undo。但是这样的 checkpoint 为了保证数据一致，会阻止用户线程访问敏感区域，对系统可用性或性能有较大的影响，因此实际会采用名为“fuzzy checkpoint”的做法，fuzzy checkpoint 是异步发生的，意味着在 fuzzy checkpoint 进行时，事务可以同步进行，fuzzy checkpoint 不要求将所有的脏页都刷到磁盘上，仅仅要求事务表和脏页表落盘（还有一些其他的映射信息）。fuzzy checkpoint 动作的 begin 和 end 也会写入事务日志。

算法描述

ARIES 算法中 failure recovery 分为三部分：Analysis、Redo 和 Undo。Analysis 找到日志中最近一次完整的 checkpoint，分析之后的日志，并恢复出事务表、脏页表。脏页表用于 Redo，事务表用于 Undo。
大致的示意图如下：
在这里插入图片描述

Analysis

在 Analysis 的过程中，输入是最近一次完成的 checkpoint 的 LSN（也就是 Master Addr），经过 Analysis，输出则是自从这个 checkpoint 以来的事务表、脏页表，以及 Redo 的起点（RedoLSN）。注意这个最近一次完成的 checkpoint 意味着在日志中存在成对的 begin_chkpt 和对应的 end_chkpt。如果没有 end_chkpt 只有 begin_chkpt，那么就是一个未完成的 checkpoint，是不能作为 Master Addr 的。

具体算法是这样的（灰色字体加了注释）：

RESTART_ANALYSIS(Master_Addr, Trans_Table, Dirty_Pages, RedoLSN);
initialize the tables Trans_Table and Dirty_Pages to empty;
Master_Rec := Read_Disk(Master_Addr);
/* 找最近一次 checkpoint */
Open_Log_Scan(Master_Rec.ChkptLSN); 
/* 读 Begin_Chkpt 日志 */
LogRec := Next_Log(); 
/* 读 Begin_Chkpt 的下一条日志 */
LogRec := Next_Log(); 
WHILE NOT(End_of_Log) DO;
	/* 如果是事务相关日志记录，并且不在事务表中 */
	IF trans related record & LogRec.TransID NOT in Trans_Table THEN 
		/* 写入事务表 */
		insert (LogRec.Trans_ID, 'U' ,LogRec.LSN, LogRec.PrevLSN) into Trans_Table; 
	SELECT (LogRec.Type)
		WHEN('update' | 'compensation') DO;
			/* 更新事务表事务记录的 LastLSN 为最新的 LSN */
			Trans_Table[LogRec.TransID].LastLSN := LogRec.LSN; 
			IF LogRec.Type = 'update' THEN
				/* 按照事务表的定义，如果是 update 则 UndoNxtLSN = LastLSN */
				IF LogRec is undoable THEN Trans_Table[LogRec.TransIO].UndoNxtLSN := LogRec.LSN; 
			/* 同样按照事务表的定义，如果是 CLR 则 UndoNxtLSN = 日志记录的 UndoNxtLSN */
			ELSE Trans_Table[LogRec.Trans_ID].UndoNxtLSN := LogRec.UndoNxtLSN; 
			IF LogRec is redoable & LogRec.PageID NOT IN Dirty_Pages THEN
				/* 如果脏页表里没有这个记录 LSN 对应的 PageID，则插入脏页表，
				注意如果有这个 PageID，是不会更新 LSN 的，这是因为因为脏页表的定义是 Page 的最早修改 LSN，也就是 redo 的起点 */
				insert (LogRec.PageID, LogRec.LSN) into Dirty_Pages; 
		END; /* WHEN( 'update' | 'compensation') */
		/* 如果发现了 begin_chkpt，说明有可能是未完成的 checkpoint，什么都不用做 */
		WHEN('Begin_Chkpt'); 
		/* 如果发现了 end_chkpt，则其就是 Master Addr，说明其一定是这次 failure recovery 的起点，
		那么这个 checkpoint 所持久化的事务表和脏页表需要写到当前 failure recovery 的事务表和脏页表中 */
		WHEN('End_Chkpt') DO;
			FOR each entry in LogRec.Tran_Table DO;
				IF TransID NOT IN Trans_Table THEN DO;
					/* 如果 analysis 的事务表中没有这个事务，则添加这个事务 */
					insert entry(TransID, State, LastLSN, UndoNxtLSN) In Trans_Table;
				END;
			END; /* FOR */
			FOR each entry in LogRec.Dirty_PagLst DO;
				/* 如果 checkpoint 的脏页表不在 analysis 的脏页表中，则插入这条记录*/
				IF PagelID NOT IN Dirty_Pages THEN insert entry (PageID, RecLSN) in Dirty_Pages;
				/* 如果 checkpoint 的脏页表对应的 pageid 在 analysis 的脏页表的 pageid 中，则将其 RecLSN 更新为 checkpoint 中的 LSN
				这是因为 checkpoint 一定是 analysis 的起点，也是 analysis 最早开始分析的 */
				ELSE set RecLSN of Dirty_Pages entry to RecLSN in Dirty_PagLst;
			END; /* FOR */
		END; /* WHEN('End Chkpt') */
		/* 如果日志记录是 prepare，rollback 的处理，修改事务表的 state 和 LastLSN 信息 */
		WHEN('prepare' | 'rollback') DO;
			IF LogRec.Type = 'prepare' THEN Trans_Table[LogRec.TransID].State := 'P';
			ELSE Trans_Table[LogRec.TransID].State := 'U';
			Trans_Table[LogRec.TransID].LastLSN := LogRec.LSN;
		END; /* WHEN( 'prepare' | 'roll back') */
		/* 如果日志记录是 commit，则从事务表中删除这条记录 */
		WHEN('end') delete Trans_Table entry for which TransID = LogRec.Trans ID;
		/* 如果日志记录是 OSfile_return，表示脏页刷到了磁盘上，就从脏页表中删除这条记录 */
		WHEN('OSfile_return') delete from Dirty_Pages all pages of returned file;
	END; /* SELECT */
	LogRec := Next_Log();
END; /* WHILE */
/* 回滚刚开始的，没有写入的事务 */
FOR EACH Trans_Table entry with (State = 'U') & (UndoNxtLSN = O) DO; 
	write end record and remove entry from Trans_Table;
END; /* FOR */
/* 返回 Redo 的起点，也就是脏页表中所有脏页最早修改的 LSN */
RedoLSN := minimum(Dirty_Pages.RecLSN) ; 
RETURN;

Redo

Redo 阶段简单来说就是要把故障前还在内存中，没来得及写到磁盘的数据写到磁盘，不论这个事务是否提交。主要思路是根据 analysis 得到的 RedoLSN，逐条分析日志，并依据脏页表来确定是否需要修改磁盘 page。

具体算法是这样的（灰色字体加了注释）：

/* Redo 只需要用到脏页表 */
RESTART_REDO(RedoLSN, Dirty_Pages);
/* 以 analysis 阶段得到的 RedoLSN 作为 Redo 阶段的起点 */
Open_Log_Scan(RedoLSN); 
/* 定位到 redo point，读日志 */
LogRec := Next_Log(); 
/* 处理每一条日志直到日志结尾 */
WHILE NOT(End_of_Log) DO; 
	IF LogRec.Type = ('update' | 'compensation') & LogRec is redoable &
		LogRec.PageID IN Dirty_Pages & 
		LogRec.LSN >= Dirty_Pages[LogRec.PageID].RecLSN
		/* 如果这条日志记录是个更新或者补偿，并且涉及的 page 在脏页表，
		并且 LSN 大于脏页表中 page 的最早 LSN，则将脏页写回磁盘*/
		THEN DO;
			/* 给这个 page 加上 latch */
			Page := fix&latch(LogRec. PageID, 'X');
			/* 如果磁盘上的 page LSN 小于日志记录中的 LSN，也说明是脏页*/
			IF Page.LSN < LogRec.LSN THEN DO 
				/* 写回磁盘 */
				Redo_Update(Page, LogRec);
				/* 更新磁盘 page 的 LSN 为日志的 LSN */
				Page.LSN := LogRec.LSN;
			END;
			/* 如果脏页已经写回磁盘了，则将脏页表中的对应 page 的 RecLSN 更新为磁盘 page LSN 的后续 LSN */
			ELSE Dirty_Pages[LogRec.PageID].RecLSN := Page.LSN+1;
			unfix&unlatch(Page);
		END;
	LogRec := Next_Log();
END; 
RETURN;

Undo

Undo 阶段是把未提交事务所做的数据变化回退掉。主要思路是根据事务表中的记录，结合日志，倒序处理需要回退的数据修改。需要注意的是，undo 一条记录也会记录一条 compensation 日志，以防在 undo 阶段发生 failure 也可以继续 undo。

具体算法是这样的（灰色字体加了注释）：

RESTART_UNDO(Trans_Table);
WHILE EXISTS (Trans with State = 'U' in Trans_Table) DO;
/* Undo 的起点是事务表中所有未提交事务中最晚的那个 LSN */
	UndoLSN := maximum(UndoNxtLSN) from Trans_Table entries with State = 'U' ;
	/* 读 Undo 起点的 LSN */
	LogRec := Log_Read(UndoLSN); 
	SELECT(LogRec.Type)
		/* 对 update 日志记录进行回滚处理 */
		WHEN( 'update') DO;
			IF LogRec is undoable THEN DO;
				/* 对相关 page 加锁 */
				Page := fix&latch(LogRec.PageID, 'X');
				/* 回滚数据 */
				Undo_Update(Page, LogRec);
				/* 写下一条 compensation 日志，以防在回滚阶段发生 failure */
				/* 注意这条 CLR 日志中，LSN 是新序号 LgLSN */
				/* PrevLSN 是回滚原始 update 的 LSN */
				/* UndoNxtLSN 是回滚原始 update 的 PrevLSN */
				Log_Write('compensation', LogRec.TransID, 
					Trans_Table[LogRec.TransID].LastLSN, LogRec.PageID, LogRec.PrevLSN, 
					..., LgLSN, Data); 
				/* 将回滚 page LSN 设置为 CLR LSN */
				Page.LSN := LgLSN; 
				/* 将事务表该事务的 LastLSN 设置为 CLR LSN */
				Trans_Table[LogRec.TransID].LastLSN := LgLSN;
				unfix&unlatch(Page);
			END; 
			/* 如果是不可 undo 的，则忽略 */
			ELSE;
			/* 在事务表中，将这个事务的 UndoNxtLSN 设置为日志记录的 PrevLSN */
			/* 因为外部 while 循环是按照事务表的 UndoNxtLSN 来的，相当于是说，undo 完这一条 undo 这个事务的前一条语句 */
			Trans_Table[LogRec.TransID].UndoNxtLSN := LogRec.PrevLSN; 
			/* 如果当前记录的 PrevLSN 是 0，则意味着这个事务的 undo 已经结束了 */
			IF LogRec.PrevLSN = O THEN DO;
				/* 在日志记录里写下一条事务结束的记录 */
				Log_Write('end', LogRec.TransID, 
					Trans_Table[LogRec.TransID].LastLSN, ...);
				/* 从事务表里删除这个事务 */
				delete Trans_Table entry where TransID.LogRec.TransID;
			END; 
		END; /* WHEN('update') */
		/* 如果这是一条 CLR 日志，处理这条记录意味着在 undo 阶段发生过 failure */
		/* 所以什么都不用做，直接将事务表的 UndoNxtLSN 设置为 CLR 记录的 UndoNxtLSN */
		/* 其实也就是原始事务的 Prev.LSN */
		WHEN('compensation') 
			Trans_Table[LogRec.TransID].UndoNxtLSN := LogRec.UndoNxtLSN;
		/* 如果这是一条 rollback 或者 prepare，直接将事务表 UndoNxtLSN 设置为日志的同事务前一条日志 */
		WHEN('rollback'|'prepare') 
			Trans_Table[LogRec.TransIO].UndoNxtLSN := LogRec.PrevLSN;
	END; /* SELECT */
END; /* WHILE */
RETURN ;

实例

最后通过一个实例来演示下 ARIES 是如何工作的。假设某个时间段数据库产生了如下事务（交错执行）：

  • T1 更新了 Page1，Page3 并提交
  • T2 更新了 Page2，Page5，Page7
  • T3 更新了 Page4，Page3 并提交
  • T4 更新了 Page6 并提交

之后数据库发生 failure（并假设在 failure recovery 过程中又发生了 failure），也就是 failure 时候日志的顺序如下：

LSN Type TransID PrevLSN PageID UndoNxtLSN
LSN1 update T1 0 P1
LSN2 update T2 0 P2
LSN3 update T1 LSN1 P3
LSN4 end T1 0
LSN5 update T3 0 P4
LSN6 checkpoint
LSN7 update T3 LSN5 P3
LSN8 update T2 LSN2 P5
LSN9 update T4 0 P6
LSN10 end T4 LSN9
LSN11 end T3 LSN7
LSN12 update T2 LSN8 P7

此时数据库重启时，其 failure recovery 的过程是这样的。

Analysis

  1. 先将最近一次完整的 checkpoint 的 LSN6 作为 Master Address，开始分析
  2. 根据 ARIES 的机制，fuzzy checkpoint 的时候会持久化事务表和脏页表，因此分析 LSN6 的 checkpoint 可以得到如下结果：
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN2 LSN2
T3 U LSN5 LSN5
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
  1. 依次读取 checkpoint 之后的 LSN7 - LSN12
    分析 LSN7（红色字体表示更新的部分）
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN2 LSN2
T3 U LSN7 LSN7
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
  1. 分析 LSN8
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN8 LSN8
T3 U LSN7 LSN7
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
P5 LSN8
  1. 分析 LSN9
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN8 LSN8
T3 U LSN7 LSN7
T4 U LSN9 LSN9
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
P5 LSN8
P6 LSN9
  1. 分析 LSN10
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN8 LSN8
T3 U LSN7 LSN7
T4 U LSN9 LSN9
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
P5 LSN8
P6 LSN9
  1. 分析 LSN11
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN8 LSN8
T3 U LSN7 LSN7
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
P5 LSN8
P6 LSN9
  1. 分析 LSN12
TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN12 LSN12
PageID RecLSN
P1 LSN1
P2 LSN2
P3 LSN3
P4 LSN5
P5 LSN8
P6 LSN9
P7 LSN12

至此 Analysis 完成，输出了事务表和脏页表，已经 Redo 的起点是 LSN1，下一步开始 Redo

Redo

根据 Analysis 的结果，Redo 从 LSN1 开始，依次将脏页表中的 Page1，Page2，Page3，Page4，Page5，Page6，Page7，写的过程中，会判断 Page.LSN 和 LogRec.LSN，如果Page.LSN 更大，则说明某些 page 因为 steal 机制已经写到磁盘，这时就不用写入磁盘，而是更新脏页表对应 PageID.RecLSN 为 Page.LSN + 1。

T2 更新了 Page2，Page5，Page7，但没有最终提交，因此需要在下一阶段 Undo。

Undo

Undo 是根据事务表倒序来做的，先找到事务表中 maximum LSN，在本例中是 LSN12，根据日志中记录的 data 回滚这个 LSN12，也就是回写 Page7 并更新 PageLSN，同时写入一条 compensation 日志（为了防止 Undo 阶段发生 failure），最后更新其 UndoNxtLsn 为 LSN8。因此回滚完 LSN12 后，
事务表是这样的：

TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN12 LSN8

日志记录添加一条：

LSN Type TransID PrevLSN PageID UndoNxtLSN
LSN13 compensation T2 LSN12 P7 LSN8

如果当磁盘上的 Page 已经被回滚修改，但是事务表的 UndoNxtLSN 还没有被修改为 LSN8（还是 LSN12）的时候，数据库又发生了 failure，就会遇到再次 Undo 会重复执行回滚 LSN12，这是不希望发生的，但有了 compensation 日志，再次 Analysis 的时候根据上述算法，会将事务表更新为：

TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN13 LSN8

也就是加入新的 compensation LSN。

根据 Undo 的逻辑，现在事务表中 maximum LSN 是 LSN8，也就是从 LSN8 开始回滚，回写 Page5 并更新 PageLSN。

事务表更新为：

TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN8 LSN2

日志记录添加一条：

LSN Type TransID PrevLSN PageID UndoNxtLSN
LSN14 compensation T2 LSN13 P5 LSN2

下一步，事务表中 maximum LSN 是 LSN2，也就是从 LSN2 开始回滚，回写 Page2 并更新 PageLSN。

事务表更新为：

TransID State LastLSN UndoNxtLSN
T2 U LSN2 0

日志记录添加一条：

LSN Type TransID PrevLSN PageID UndoNxtLSN
LSN15 compensation T2 LSN8 P5 0

至此，Page7，Page5，Page2 的数据修改都被回滚了。整个 failure recovery 过程结束，数据恢复到了故障前最新的一致点。

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