11/16/11 6. トランザクション管理（２） データベース 第１２回 6.3 障害回復 (1) 障害とその回復 (a) トランザクションと障害 障害回復 (recovery) の目的 データベース操作の実行中や実行後に， 何らかの障害やエラーが起きたとき，データ ベースの一貫性を保つこと データベースには失われたり，不整合になったりして はいけないデータなどが格納される ↓ 障害回復処理により，正しい状態に回復する 障害回復では → 原子性と耐久性を重視した管理 ① 残高チェックなどの処理中に障害が発生し，中断 した場合 → データベースの内容に変更なし ↓ もう一度最初からやり直せばよい ② １番目の UPDATE が終了して，２番目の UPDATE の前まで処理したところで障害が発生し，中断し た場合 → 依頼人の口座残高から振替金額が引かれ た状態 ↓ もう一度最初からやり直すと，依頼人の口座 から振替金額が２回引かれてしまう ■ 図 6.1 の例 begin 残高チェックなどの処理 UPDATE 口座 SET 残高 = 残高 – 振替金額 WHERE 口座番号 = 依頼人 UPDATE 口座 SET 残高 = 残高 + 振替金額 WHERE 口座番号 = 受取人 end 図 6.1 振替送金処理 一般に，処理が中断した場合，どのような状態にな るのかを後から判断することは困難 トランザクションの原子性 → トランザクションを一体として扱う ↓ トランザクションの行った効果をすべて有効とするか， または，すべて無効とするかを保証することを意味 する 1 11/16/11 先の例で，送金が完了した後に障害が発生した場合 データの入った記憶装置（ハードディスクなど）に 障害がなければ，そのままで問題ない ↕ もしも記憶装置の内容が失われると → 耐久性が保障されない ↓ 何らかの方法で，データ内容を回復する必要あり (b) 障害の種類 ① トランザクション障害 単一のトランザクションに限定された障害 プログラムのバグや，端末の障害などにより，トラ ンザクションが異常終了する場合 ② システム障害 ハードウェア，ソフトウェアの障害により，システム 全体がダウンする場合 処理中のプログラムが主記憶に展開していた情 報は失われるが，既に書き込まれたディスク内容 は保持 ③ メディア障害 データを格納したディスクの内容が失われる障害 ハードウェア障害と，誤操作などにより発生 • データベースの障害回復では，ディスクに書き込ま れたデータの状態が重要 • データベースへのアクセスを媒介するバッファを調 査し，未書き込みのバッファ内容をディスクに書き込 む操作（フラッシュ）などを行うことがある (c) UNDO , REDO と障害回復 障害回復の基本的な処理 → トランザクションの UNDO と REDO UNDO トランザクションがデータベースに対して行ったす べての処理の取り消しを行う （トランザクション開始 前の状態に戻す） REDO コミットしたトランザクションの再実行を行う UNDO と REDO を用いた障害回復の原則 ・ 実行中でコミットしていないトランザクションは， UNDO する ・ コミットしたトランザクションの結果が失われた場 合は，REDO する この原則を障害別に適用すると，以下のようになる (i) トランザクション障害の回復 ・ 該当する単一の実行中トランザクションを UNDO する （トランザクション UNDO） ・ トランザクションの再実行は，ユーザが判断 ・ 他のトランザクションは，そのまま実行 (ii) システム障害の回復 ・ 主記憶の内容が失われるので，すべてのトラン ザクションに影響 ・ ハードウェアの修理，OS によるシステム回復処 理の後，データベースの回復処理を次のように 行う 2 11/16/11 ① 実行中のトランザクションは UNDO する （全局的 UNDO） ② コミットしたトランザクションの更新したデータ が失われた場合は，REDO する （局所的 REDO） (iii) メディア障害の回復 ・ データを格納したディスクの内容が失われるので， 多くのトランザクションに影響 ・ ハードウェアを修理し，システムを回復した後，以 下の処理を行う ① バックアップデータ（アーカイブ）をもとに，デー タベースを以前の状態に戻す ② データのバックアップ以後に実行したトランザ クションのうち，コミットしたものを REDO する （全局的 REDO） → 実行中だったトランザクションの情報 は，UNDO しなくても，そのまま失われ るので，何もしなくてよい ・ メディア障害への対策 アーカイブを作成しておくこと (2) 障害回復の方法 (a) ロギングによる障害回復 ・ データベースの障害回復で，最もよく用いられ る方法 ・ ログ（ジャーナル） → データベース処理の記録 （データの変更をどのように行ったのか） ↓ データベースへの書込みの記録が最も重要 (i) ログの基本 データベースへの書込みが発生する度に，データ の更新前後の内容が，ログに書き込まれる (ii) ログによる REDO と UNDO REDO : ログに記録されたデータの更新後の内容を 書き込む UNDO : ログに記録されたデータの更新前の内容を 書き込む ログは通常，データベース本体の情報とは別の媒 体に書き込む (iii) ログをとるタイミング ・ ログをとる前にデータ更新を行うと，UNDO できな くなる ・ コミットしたトランザクションのログがとれていない と，REDO できなくなる ↓ ログをとるタイミング → WAL プロトコルを使用 (write Ahead Log) (iv) WAL プロトコル ・ データ更新前にログに書く ・ コミットする前に，該当トランザクションのすべて のデータ更新をログに書く (v) UNDO / REDO アルゴリズムでのトランザクション 中の処理 ① トランザクションの開始をログに記録する ② トランザクション中の読込みは，ログをとらずに 行う ③ トランザクション中の書込みは，まずログを書き 込み，次にデータを書き込む ↓ このとき，ログとデータはバッファ内に残ってい ても良いが，ディスクに書き込むときは，WAL に 従い，ログを先にディスクに書き込む 3 11/16/11 ④ トランザクションのコミット時は，ログを書き込ん だ後，ログのバッファをフラッシュし，ディスクに 確実に書き込む ⑤ トランザクションのロールバック時は，ログに書 き込んだ後で，データを UNDO する システム障害後のログを用いた障害回復処理 ログを逆順に調べ，コミットしていないトランザクショ ン（終了していないか，ロールバックがログにある） を UNDO し，その後，コミットしたトランザクションを 順に REDO するのが基本 UNDO / REDO アルゴリズム以外にも，いくつかのロ ギングによる障害回復アルゴリズムが考案されて いる (b) チェックポイント バッファを定期的にフラッシュし，それ以後のログ だけを用いて障害回復を行う方法 → この処理を行う時点を，チェックポイントと 呼ぶ チェックポイントを用いた代表的な障害回復の方法 (i) 新たなトランザクションの開始を禁止し，実行中の トランザクションのデータベースへのアクセスを一 時停止させる (ii) バッファの内容をフラッシュし，データベースに書 き出す (iii) 実行中のトランザクションをログに記録する この方法により， • チェックポイント時点で実行中のトランザクションは， チェックポイント以前のログが必要 • それ以外は，チェックポイント以降のログをチェック することで，どのように回復すればよいか判定可能 • チェックポイント時に実行中のトランザクションは，障 害時点までにコミットしていれば REDO され，それ以 外は UNDO される チェックポイント 障害 時間 T1 回復処理の対象外 T2 REDO T3 UNDO T4 REDO T5 UNDO 図 6.14 チェックポイント 7. データベース管理システム 7.1 データベース管理システムの概要 (1) データベース管理システムの機能 データベース管理システム (Database Management System , DBMS) は，ユーザやアプリ ケーションに対し，データベース処理機能を提供 DBMS の基本機能は以下の３つに大別される 4 11/16/11 ① データ定義機能 ・ データベースのスキーマを記述し，定義する機能 ・ スキーマ情報は，メタデータとしてデータベースに 格納 ・ データ定義を行う言語 → データ定義言語 ② データ操作機能 ・ 問合せによるデータの検索や，データの更新を行 う機能 ・ データ操作を行う言語 → データ操作言語 （SQL は，データ定義言語とデータ操作言語の両方 の機能を持つ） ③ データ制御機能 ・ データ定義やデータ操作時に，データベースの内 容を正常に維持管理するための機能 ・ セキュリティ保持のためのアクセス権制御，デー タの整合性維持のための一貫性制約，同時実行 制御，障害回復などの機能がある データ操作機能 上記の３つの機能のうち，一般のユーザが最も多 く使用する データ定義機能 データベース管理者 (Database Administrator , DBA) が使用することが多い データ制御機能 データ定義言語などで指定される データ操作時のデータ制御は，一般ユーザには 見えない（裏方で処理される）ことが多い (2) データベース管理システムの構成 DBMS の構成は，システムごとに異なる 一般的には， ・ クエリ（問合せ）プロセッサ ・ 記憶マネージャ に大別できる 問合せ データ更新 トランザクション マネージャ クエリプロセッサ 記憶マネージャ データ定義 データ／ メタデータ 図 7.1 DBMS の構成 データ定義言語 プロセッサ クエリプロセッサ： ・ 一般ユーザやアプリケーションプログラムからの データベース操作要求を処理 ・ 問合せをコンパイルし，問合せプランを作成して 処理を行うことが多い → 問合せ処理の効率化には，最適化が重要 記憶マネージャ ・ 格納されたデータを管理し，クエリプロセッサに高 速なアクセス機能を提供 ・ OS のファイルシステムと，そのバッファ管理機構 を利用して構成されることもあるが，効率向上の ため，独自のファイル管理を行うことが多い 5
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