【数据库】数据库中的备份与恢复，保障容灾时的数据一致性与完整性

数据库的备份机制

专栏内容：

手写数据库toadb
本专栏主要介绍如何从零开发，开发的步骤，以及开发过程中的涉及的原理，遇到的问题等，让大家能跟上并且可以一起开发，让每个需要的人成为参与者。
本专栏会定期更新，对应的代码也会定期更新，每个阶段的代码会打上tag，方便阶段学习。

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文章目录

数据库的备份机制
前言
概述
备份的机制
- 备份的类型
- 备份流程
- - 静止转储
  - 非静止转储
恢复的机制
- 全量数据恢复
- 增量数据恢复
总结
结尾

前言

随着信息技术的飞速发展，数据已经渗透到各个领域，成为现代社会最重要的资产之一。在这个大数据时代，数据库理论在数据管理、存储和处理中发挥着至关重要的作用。然而，很多读者可能对数据库理论感到困惑，不知道如何选择合适的数据库，如何设计有效的数据库结构，以及如何处理和管理大量的数据。因此，本专栏旨在为读者提供一套全面、深入的数据库理论指南，帮助他们更好地理解和应用数据库技术。

数据库理论是研究如何有效地管理、存储和检索数据的学科。在现代信息化社会中，数据量呈指数级增长，如何高效地处理和管理这些数据成为一个重要的问题。同时，随着云计算、物联网、大数据等新兴技术的不断发展，数据库理论的重要性日益凸显。

因此，本专栏的分享希望可以提高大家对数据库理论的认识和理解，对于感兴趣的朋友带来帮助。

概述

现代数据库都管理者非常多的数据，数据库作为一个核心节点，需要考虑到各种故障的发生，数据库日志可以防止系统级的故障，但是对于介质级的故障却无能为力，这就需要在一个相对安全的距离上对数据进行备份。

本文就来分享一下数据库中关于备份的相关机制和面临的问题。

备份的机制

针对介质故障，一个或多个磁盘损坏时的故障应对。日志可以应对，系统故障的发生，当系统缓存中的脏数据丢失，而持久化到磁盘上的数据并不会丢失，此时使用日志进行回退撤销和重做，达到数据完整和一致性。

当磁盘损坏或者整个机房停电时，日志也是无法访问到的，此时就需要在一个安全距离的另一个地方对数据库进行备份，那么如何备份，备份所有数据，还是只备份日志就可以呢？

备份的类型

关于上面的几个问题，就涉及到我们的备份类型，一般会有以下几种备份类型：

全量备份，也就是将数据库所有文件打包，然后备份到另外一个地方，包括数据，数据库运行产生的数据，以及日志数据等。
增量备份，只备份与前一次备份的变化的数据，所有它需要基于一个全量备份才可以；如何找到与前一次的差异部分呢？通过数据文件是很难区分的，一般是备份增加的日志，这样日志中记录的就是增量部分。
差异备份，这是延伸出来的一种备份类型，它指与第一次备份之后，产生的差异都进行备份；每次差异备份，都会与第一次备份进行比较，对变化的数据进行备份；

下面我们重点介绍前两种备份类型，对于差异备份，可以通过前两种来实现，也可以通过对数据标记的或者比较的方法来实现，理论上只是前两种的延伸，并没有改变备份的目的。

备份流程

在备份时，为了能够备份得到正确的数据，又可以分为在静止状态下备份和在运行时备份两种备份方式。

静止转储

静止状态，也就是数据库服务要停止，没有数据的访问产生。假设如果有数据的访问产生，会发生什么情况呢？

当我们在备份时，也就是拷贝数据文件时，该文件正在被写入，就会出现几种情况：

我们拷的文件中，一个数据块被写了一部分，没有写全；
我们拷的文件中，含有事务没有结束的数据；该事务可能提交，也可能中止，或者回退；

当然，在全量备份时为了避免上述问题，可以采用静止状态下的转储；

而对于增量备份，只是对于日志的备份，为了及时性，可以在日志落盘时同步进行复制，此时并不需要数据库业务停止，但是只有备份完此条日志了，才可以进行一下步。

非静止转储

对于静止状态的全量备份，在某此时候是非常不容易实现的，当业务运行时需要一个全量备份，又不能停止业务时，又如何办呢？
这就需要增加一些机制来解决上面提到的两个问题：

对于数据块写不全的问题，在检查点之后，脏页写redo日志时会记录一次全量数据，这样即使数据文件中不正确时，可以通过redo日志来恢复；
对于数据文件中的数据可能包括未结束事务的数据；在全量备份开始时，就要记录一个检查点，也可以称为数据库的快照，在拷贝过程中数据虽然可以发生变化，但在还可以通过日志恢复到数据库快照的时刻，达到数据的一致性；所以在数据备份完后，需要再备份全量的日志；

全量备份完成后，就要定期对增量产生的日志进行转储，或者实时流式的对产生的日志进行转储，这里需要注意，全量备份和增量备份之间的日志不能有丢失，要保持连续性，不然会有数据丢失。

恢复的机制

当故障发生时，就需要启用远程备份数据了，对于不同类型的备份数据，恢复的方法并不一样。

全量数据恢复

在启用备份数据时，肯定先要启用最近的一次全量备份的数据。

全量数据启用时，先启动备份数据库服务，此时数据的一致性并不确定；
需要通过备份时记录的快照和日志，对于检查点之后的日志进行redo操作，这样就可以数据的一致性；

当然这里单纯undo日志并不适合，需要redo日志或者redo/undo混合日志。

增量数据恢复

全量数据并不一定是最新数据，还需要在此基础上恢复后续的增量备份；

增量备份需要进行连续的进行redo日志恢复，从最早到最近一次，依次进行，最后数据达到最近一次备份时的数据状态。

当然增量备份与运行库之间的时间差越小，故障时数据丢失的越少。

总结

数据库管理的数据越来越多，而且越来越重要，对于数据库的故障和容灾保护机制也越来越复杂，甚至超越了数据库本身。

有菜也有肉的分享，下面插一段hello world的代码；

section .data  
    message db 'Hello, World!',0xa ; 定义字符串常量，0xa表示换行符  
  
section .text  
    global _start  
  
_start:  
    ; 输出Hello World字符串  
    mov eax, 4 ; 系统调用号，4表示输出字符串  
    mov ebx, 1 ; 文件描述符，1表示标准输出  
    mov ecx, message ; 字符串地址  
    mov edx, 13 ; 字符串长度  
    int 0x80 ; 发起系统调用  
  
    ; 退出程序  
    mov eax, 1 ; 系统调用号，1表示退出程序  
    xor ebx, ebx ; 返回值，0表示程序正常退出  
    int 0x80 ; 发起系统调用