4. Журнал транзакций.

Реализация принципа сохранения промежуточных состояний, подтверждения или отката транзакции обеспечивается специальным механизмом, для поддержки которого создана системная структура, называемая журналом транзакций. Журнал транзакций содержит последовательность записей об изменении БД. Он предназначен для обеспечения надежного хранения данных в БД. Это предполагает возможность восстановления согласованного состояния БД после любого рода аппаратных и программных сбоев. Общие принципы журнализации и восстановления:

• результаты зафиксированных транзакций должны быть сохранены в восстановленном состоянии БД;

• результаты незафиксированных транзакций не должны присутствовать в восстановленном состоянии БД.

Это означает, что восстанавливается последнее по времени согласованное состояние БД.

Возможны следующие ситуации, при которых требуется производить восстановление состояния БД:

• Восстановление после внезапной потери содержимого оперативной памяти (мягкий сбой). Такая ситуация может возникнуть в следующих случаях: при аварийном выключении электропитания или при возникновении неустранимого сбоя процессора. Ситуация характеризуется потерей той части базы данных, которая находилась к моменту сбоя в буферах оперативной памяти.

• Восстановление после поломки основного внешнего носителя БД (жесткий сбой).

Система должна обеспечивать восстановление как после небольших нарушений (например, после неудачно завершенных транзакций), так и после серьезных сбоев, (например сбоев питания, жестких сбоев).

При мягком сбое необходимо восстановить содержимое БД по содержимому журналов транзакций, хранящихся на дисках. При жестком сбое необходимо восстановить содержимое БД по архивным копиям и журналам транзакций, которые хранятся на неповрежденных внешних носителях.

Возможны два основных варианта ведения журнальной информации. В 1-м варианте для каждой транзакции поддерживается отдельный локальный журнал изменений БД этой транзакцией. Такие журналы называют локальными журналами. Они используются для локальных откатов транзакций. Кроме того, поддерживается общий журнал изменений БД, используемый для восстановления БД после мягких и жестких сбоев.

Этот подход позволяет быстро выполнять индивидуальные откаты транзакций, но приводит к дублированию информации в локальных и общем журналах. Поэтому чаще используют второй вариант – поддержание только общего журнала изменений БД, который используется и при выполнении индивидуальных откатов.

Общая структура журнала может быть представлена в виде некоторого последовательного файла, в котором фиксируется каждое изменение БД, происходящее в ходе выполнения транзакции. Все транзакции имеют внутренние номера, поэтому в журнале транзакций фиксируются все изменения, проводимые всеми транзакциями.

Каждая запись в журнале помечается номером транзакции, к которой она относится, и значениями атрибутов, которые она меняет, кроме того, для каждой транзакции в журнале фиксируется команда начала и завершения транзакции.

Для большей надежности журнал транзакций часто дублируется системными средствами СУБД, именно поэтому объем внешней памяти во много раз превышает реальный объем данных в базе.

Имеется 2 варианта ведения журнала транзакций: протокол с отложенными обновлениями и протокол с немедленными обновлениями.

Ведение журнала по принципу отложенных обновлений предполагает следующий механизм выполнения транзакций:

1. Когда транзакция Т1 начинается, в протокол заносится запись

Т1 Begin Transaction

2. На протяжении выполнения транзакции в протоколе для каждой изменяемой записи записывается новое значение

Т1.ID_RECORD, атрибут, новое значение

(ID_RECORD – уникальный номер записи)

3. Если все действия, из которых состоит транзакция, успешно выполнены, то транзакции частично фиксируется и в протокол заносится:

T1 COMMT

4. После того, как транзакция зафиксирована, записи протокола, относящиеся к Т1, используются для внесения изменений в БД.

5. Если происходит сбой, то СУБД просматривает протокол и выясняет, какие транзакции необходимо переделать. Транзакцию Т1 необходимо переделать, если протокол содержит обе записи Т1 Begin Transaction и T1 COMMT. БД может находиться в несогласованном состоянии, однако все новые значения измененных элементов данных содержатся в протоколе, и это требует повторного выполнения транзакции. Для этого используется системная процедура REDO(), которая заменяет все значения элементов данных на новые, просматривая протокол в прямом порядке.

6. Если в протоколе не содержится команда фиксации транзакции СOMMIT, то никаких действий проводить не требуется, а транзакция запускается заново.

Альтернативный механизм с немедленным выполнением предусматривает внесение изменений сразу в БД, а в протокол заносятся не только новые, но и все старые значения изменяемых атрибутов, поэтому каждая запись выглядит так:

Т1.ID_RECORD, атрибут, новое значение старое значение

При этом запись в журнал предшествует непосредственному выполнению операции над БД. Когда транзакция фиксируется, то есть встречается команда T1 COMMIT, и она выполняется, то все изменения оказываются уже внесенными в БД и не требуется никаких дальнейших действий по отношению к этой транзакции.

При откате транзакции выполняется системная процедура UNDO(), которая возвращает все старые значения в отмененной транзакции, последовательно проходя по протоколу, начиная с команды BEGIN TRANSACTION.

Для восстановления при сбое используется следующий механизм:

• Если транзакция содержит команду начала транзакции, но не содержит команду фиксации с подтверждением ее выполнения, то выполняется последовательность действий как при откате транзакции, то есть восстанавливаются старые значения.

На самом деле восстановление происходит по более сложным алгоритмам, т.к. изменения, как в журнал, так и в БД заносятся не сразу, а буферизуются. Журнализация изменений тесно связана не только с управлением транзакциями, но и с буферизацией страниц БД в оперативной памяти. Если бы запись об изменении БД, которая должна поступать в журнал при выполнении любой операции модификации БД, на самом деле немедленно записывалась во внешнюю память, это привело бы к существенному замедлению работы системы. Поэтому записи в журнале тоже буферизуются: при нормальной работе очередная страница выталкивается во внешнюю память журнала только при полном заполнении записями.