基于单机存储系统故障恢复

一、故障与恢复

本文中介绍的故障恢复主要是只单机存储系统中的故障恢复，就是只有一台电脑，与之相对的是分布式存储系统，暂且不谈。

所谓故障，就是指电脑中途突然挂掉，死机，断电等等。

所谓恢复，主要是恢复内存中的数据，而不是硬盘上的，因为硬盘上的数据是持久化的，而内存中的数据是易失的。恢复主要通过日志来进行恢复。

二、日志

日志主要分为两种类型。undo日志和redo日志。日志记录的最小单位是事务，因为事务是原子性的，一个事务中可能会包含多个操作，一个事务中的操作要么全部执行成功，要不全部执行失败。对于每个事务，都会记录日志。undo日志记录的是事务更改前的状态，而redo日志记录的是事务更改后的状态。

举个例子：X最初的值是5，你要在一个事务里将X的值更改为10。那么undo日志会记录事务修改前的状态《X，5》，而redo日志会记录事务更改之后的状态，《X，10》。

操作系统会在内存中执行事务，并且将内存中的数据定期刷到磁盘中，从而实现将随机写转化为顺序写。

三、redo日志

重点讲一下redo日志。它记录的是事务修改后的状态。redo日志记录的顺序是这样的：

将redo日志以追加的方式写到磁盘的日志文件中

将redo日志记录的操作在内存中进行真正的执行

返回操作成功或者失败。

需要注意的点，是对于redo日志来说，是要先将日志写到磁盘中，才能去内存中执行修改。这个顺序不能颠倒。当电脑故障的时候，内存中的东西，比如X的值会丢失，但是X得值在日志中是有记录的，日志又是被写到磁盘上的，断电不会丢失，所以可以通过读取redo日志成功找回X的值，将其在内存中进行恢复。

四、redo操作的优化

我们来看一下redo操作，对于每一个事务，当事务在内存中被真正执行之前，都要先往磁盘里写redo日志，但是，写磁盘这个行为代价是很高的，并且如果同时有大量的事务要执行，每次都要写磁盘，那么会带来较差的性能。

这里就要分情况了，对于一致性要求高的应用，应该保证每一个事务开始前，redo日志立刻刷入磁盘。但是对于一致性要求不高的应用，则可以先将redo日志在内存的缓冲区中先进行缓存，等到一定的时间（如10ms）或者一定的大小（512KB）之后再定期刷入磁盘，这种优化方式被称为成组提交，这样就会提高系统吞吐量。但是这样做的缺点，是如果发生故障，被缓存在内存中的一些redo日志也会丢失，所以可能会丢失部分操作。另外，会牺牲写事务的时延，因为提交的写事务并不是立刻执行，要先等足够的redo日志被刷到磁盘才会开始执行。

五、checkpoint 检查点

除了内存中缓存的redo日志要被定期刷入磁盘外，内存中的数据也要被定期刷入磁盘，每当内存中的一组数据被刷入磁盘后，需要记录日志的回放点，以后的故障恢复只需要redo回放点后边的日志即可，回放点之前的日志不需要被redo了，因为相关数据已经被刷入磁盘，不会丢失。当内存中的数据被刷入磁盘后，会在磁盘上形成一个checkpoint文件，文件中有记录的日志回放点。