Write-ahead Logging
### 写前日志(Write-ahead Logging)技术详解 #### 一、引言与目标 **写前日志**(Write-ahead Logging, WAL)是一种广泛应用于数据库系统中的技术,旨在提高系统的高可用性、数据一致性和故障恢复能力。通过在修改数据库内容之前先将相关的更改记录到日志中,WAL能够确保即使在系统崩溃的情况下也能实现数据的一致性和持久性。 **目标:** 1. **提供高可用性与快速修复**:确保在系统故障发生后能够迅速地恢复数据库至故障前的状态。 - **事务失败**: - **逻辑错误**:包括内部错误条件、不良输入、找不到数据或资源不可用等,这些通常对应于软件故障。 - **系统错误**:如死锁或其他系统问题导致事务无法执行。 - **回滚**:应用程序显式调用以使事务失败。术语“回滚”常用于描述以上各种情况,它们都会导致日志进行回滚操作。 - **系统崩溃**: - **操作系统或数据库中的bug**。 - **硬件问题**。 - **环境因素**,例如电源故障。 2. **采用单一事务视图处理恢复**:虽然会讨论多个事务的情况,但不考虑隔离问题,因此WAL主要关注原子性和持久性。至于一致性,则需要额外的机制来保证。 #### 二、数据库日志 **什么是日志?** 日志是一个包含实体所采取行动记录的顺序文件,其中实体是数据库,动作是写入页面。 - **顺序文件**:指日志是以连续递增偏移量的方式被写入的。 - **记录写入尾部**:新的记录总是被添加到日志的末尾。 **日志的存储特点:** 日志通常被存储在一个连续的存储区域(理想情况下是一个完整的磁盘)。 - **为什么连续存储?** 连续存储确保日志的写入操作能够以顺序方式进行,减少了磁盘寻道时间。 - **为什么使用完整磁盘?** 完整磁盘有助于减少磁盘臂的移动,提高效率。如果日志与其他数据共享磁盘空间,可能会导致两个不同的工作负载同时作用于同一磁盘,从而使日志写入过程变得非顺序,增加寻道时间。 #### 三、写操作与更新 **日志与数据库的非易失性存储**: - **日志**:日志记录存储在非易失性存储器上,确保在系统崩溃时仍能保存。 - **数据库**:数据库页也存储在非易失性存储器上,保证数据的持久性。 **页面**:页面是在内存中表示数据库磁盘块的结构。 **更新**:对数据库的更新首先发生在内存副本中。 #### 四、日志内容 **日志记录**:日志包含一系列的日志记录。以ARIES为例,一个更新记录描述了一次数据库写操作,并由以下部分组成: - **事务ID**:标识执行写操作的事务。 - **数据项标识符**:通常是物理位置,例如磁盘地址。 - **旧值**:数据项的旧值。 - **新值**:数据项的新值。 - **操作类型**:执行的操作类型,例如插入、更新或删除。 通过这种方式,WAL能够确保即使在系统发生故障时也能通过日志恢复数据库到一致的状态。此外,WAL还有助于优化写操作性能,因为它允许先将更新写入日志,然后再异步地写入数据库页面,从而减少了磁盘I/O操作的数量。 WAL是一种重要的数据库技术,它不仅提高了系统的可靠性,还通过优化写操作提升了整体性能。对于现代数据库管理系统来说,WAL是实现高性能和高可用性的关键技术之一。