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たつやさどひら
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データベース論 ( 第 8 回 ): トランザクションと障害時回復北村泰彦関西学院大学理工学部情報科学科トランザクショントランザクション (transaction)

応用プログラムレベル論理的に意味のある操作レベル SQL レベルとは異なるトランザクションの振替送金トランザクション A 氏 ( 依頼人 ) が自分の口座から C 円 ( 金額 ) を B 氏 (

トランザクション内の二つのデータベース更新 A 氏の残高から C 円を引き, それを新たな残高とする. B 氏の残高に C 円を加え, それを新たな残高とする.

1 データベース論 ( 第 8 回 ): トランザクションと障害時回復北村泰彦関西学院大学理工学部情報科学科トランザクショントランザクション (transaction) データベースに対する応用プログラムレベルでの一つの原子的作用原子的 (atomic) それ以上分解できないこと作用 (action) データの読み (read), 書き (write) 応用プログラムレベル論理的に意味のある操作レベル SQL レベルとは異なるトランザクションの振替送金トランザクション A 氏 ( 依頼人 ) が自分の口座から C 円 ( 金額 ) を B 氏 ( 受取人 ) の口座に振替送金する. もし A 氏の口座残高が C 円未満なら, 残高不足であることを A 氏に伝えて終了. 残高が C 円以上であれば送金する. トランザクション内の二つのデータベース更新 A 氏の残高から C 円を引き, それを新たな残高とする. B 氏の残高に C 円を加え, それを新たな残高とする. 一貫性 (integrity) データベース全体でデータの整合性がとれていること. : 残額の総和は一定. 一貫性が保証されるように, トランザクションの原子性を定義する. トランザクションの実行トランザクション実行の三つのパターン COMMIT: 完遂 ROLLBACK: 未遂 DBMS による ROLLBACK: 異常終了

2 トランザクションの状態遷移 ACID 特性原子性 (Atomicity) トランザクションは, それが全て行われるか, まったく行われないかのいずれかである. 一貫性 (Consistency) トランザクションは結果データベースの一貫性を保証する. 隔離性 (Isolation) 各々のトランザクションは他のトランザクションの影響を受けない. 耐久性 (Durability) コミットしたトランザクションが行ったデータベースの変化は, その後どのような障害が発生しても失われることはない. 障害時回復目的 : データベースの一貫性を保つ. 分類トランザクション障害 (transaction failure): 論理の誤りによる異常終了. トランザクションのアボート. 応用プログラムの強制終了. デッドロックによる強制終了. システム障害 (system failure):dbms,os の障害. 停電. ディスクからデータを読み出すことはできる. システムは再起動される. メディア障害 (media failure): 二次記憶装置の障害. ディスクからデータの読み出しは不可能. 障害時回復方法トランザクション UNDO: トランザクション障害時, 異常終了したトランザクションを UNDO する ( データベースに対して行ったすべての作用を取り消す ).ROLLBACK 処理. 全局的 UNDO: システム障害時, 未完の全てのトランザクションを UNDO する. 局所的 REDO: システム障害時,COMMIT していたが, 一時的 ( 二次記憶に転送されていない ) 状態にあるトランザクションは再起動時に REDO する. 全局的 REDO: メディア障害時, データベースの保存用ダンプをもとに, 障害発生まで COMMIT された全てのトランザクションを REDO する. UNDO および REDO はべき等である ( 何度繰り返しても同じ結果になる ).

障害時回復の分類障害の振替送金トランザクション begin read(a,x) read(b,y) x:=x-c if x < 0 then rollback y:=y+c write(a,x) write(b,y) commit ケース 1:write(A,x) の直後にシステム障害が発生 A の値のみが変更されているので, 再起動のときに begin の状態に戻っている必要がある.

3 障害時回復の分類障害の振替送金トランザクション begin read(a,x) read(b,y) x:=x-c if x < 0 then rollback y:=y+c write(a,x) write(b,y) commit ケース 1:write(A,x) の直後にシステム障害が発生 A の値のみが変更されているので, 再起動のときに begin の状態に戻っている必要がある.(UNDO) ケース 2:commit の直後にシステム障害が発生再起動のとき,A,B の値がともに変更されているという commit の状態を保証する必要がある.(REDO) 階層型記憶アーキテクチャデータベースの更新は, 更新したいデータの入っているページを主記憶の一部であるデータベースバッファに呼び出し, 更新し, 二次記憶に書き出す. 主記憶は揮発性, 二次記憶は不揮発性である. プログラムにおける読み書き (read/write) と, 二次記憶上の読み書き (read-page/write-page) とは一致していない. write が実行されてバッファ上では書き込みが行われているものの, まだその書き込みがディスクに反映されていないページのことをダーティページ (dirty page) という. ダーティページをディスク上に強制的に書き込むことをフラッシュ (flush) という. ログ法 (log): トランザクション実行の記録. ジャーナル (journal) と呼ぶこともある. 法 (logging): ログを用いる障害回復の方法. は ( ディスクの二重化などの ) 安定記憶 (stable storage) に格納されることが望ましい.

4 ロギング法レコードトランザクション T の開始 (begin):[b:t] トランザクション T による書き込み (write(a,x)): [W:T,A,Old,New] ただし Old は更新前の値 (before image),new は更新後の値 (after image) トランザクション T による読み出し (read(a,x)):[r:t,a] トランザクション T のコミット (commit):[c:t] トランザクション T のアボート (abort):[a:t] 各ログレコードには LSN(Log Sequence Number) と呼ばれる作成順の識別子が付けられることが多い. WAL プロトコルロギングの操作 : 以下の同期をとる必要がある. データベースバッファを介するデータベース更新作業バッファを介するログ更新作業レコードなしにはディスク中の項目を元の値に戻すことは不可能である. WAL プロトコル (Write Ahead Log protocol) データベースの更新はそれをまずログファイルに書き出してから行う. トランザクションを COMMIT する前に, 全てのデータベース更新をログファイルに書き出す. COMMIT によるトランザクションの終了は, それがログファイルに記録された時点である. No-undo/redo 方式 write 操作はログにのみ記録し, コミットするまで二次記憶中のデータ更新は行わない.before image が二次記憶に保持されているので, ログレコードに記録する必要はない. トランザクションの開始 :[B:T] をログ用バッファに書き込む. トランザクションによる書き込み :[W:T,A,New] をログ用バッファに書き込む. トランザクションのコミット :[C:T] を書いた後, ログ用バッファをフラッシュする. さらにトランザクション中の write 操作を二次記憶に反映させる. トランザクションのアボート :[A:T] をログ用バッファに書き込む. リスタート処理 (REDO):[C:T] のあるコミット済みトランザクションを検出する.[W:T,A,New] として記録されている write 操作をデータベースに反映させる. Undo/no-redo 方式コミットするまでに write 操作に関する二次記憶中のデータ更新を行う.after image が二次記憶に保持されているので, ログレコードに記録する必要はない. トランザクションの開始 :[B:T] をログ用バッファに書き込む. トランザクションによる書き込み :[W:T,A,Old] をログ用バッファに書き込む.WAL プロトコルに従う限り,write 操作を二次記憶に反映させてもよい. トランザクションのコミット : トランザクション中の write 操作を二次記憶に反映させる.[C:T] を書いた後, ログ用バッファをフラッシュする. トランザクションのアボート :[A:T] をログ用バッファに書き込む. トランザクション中で write 操作に関して before image に書き戻す. リスタート処理 (UNDO):[C:T] のないアボート済みあるいはアボートすべきトランザクションを検出する.[W:T,A,Old] として記録されている write 操作に関して before image に二次記憶を書き戻す

5 Undo/redo 方式二次記憶中のデータ更新とコミット処理を独立させる. フラッシングに関する制約が少なく, ディスクアクセスが減少する. トランザクションの開始 :[B:T] をログ用バッファに書き込む. トランザクションによる書き込み :[W:T,A,Old,New] をログ用バッファに書き込む.WAL プロトコルに従う限り,write 操作を二次記憶に反映させてもよい. トランザクションのコミット : [C:T] を書いた後, ログ用バッファをフラッシュする. トランザクションのアボート :[A:T] をログ用バッファに書き込む. トランザクション中で write 操作に関して UNDO 処理をする. リスタート処理 (UNDO/REDO):[C:T] のあるコミット済みトランザクションと, それがないアボート済みあるいはアボートすべきトランザクションを検出する.[W:T,A,Old,New] として記録されている write 操作に関して前者に関しては REDO 処理, 後者に対しては UNDO 処理を行う. (Undo/Redo 方式 ) 逆方向にスキャンする. [C:T 2 ] によりトランザクション T 2 がコミット済みであることを認識する. [W:T 3,D,d 1,d 2 ] があるトランザクション T 3 はコミット済みでないのでこの write 操作の UNDO 処理を行う.

6 [W:T 2,C,c 1,c 2 ] はコミット済みのトランザクションによるものなのでひとまず読み飛ばす. [W:T 3,B,b 1,b 2 ] があるトランザクション T 3 はコミット済みでないのでこの write 操作の UNDO 処理を行う. [C:T 1 ] より T 1 をコミット済みのトランザクションに加える. [W:T 1,A,a 1,a 2 ] はコミット済みのトランザクション T 1 によるものなのでひとまず読み飛ばす.

7 今度はログを先頭から順方向にスキャンする. コミット済みのトランザクション T 1 による [W:T 1,A,a 1,a 2 ] に対する REDO 操作を行う. コミット済みのトランザクション T 2 による [W:T 2,C,c 1,c 2 ] に対する REDO 操作を行う. チェックポイント法チェックポイント法 (checkpointing): 障害時回復を能率良く行うための手法. 一定の周期でバッファの内容をフラッシュする. チェックポイントでの作業実行中のトランザクションの全てを一時停止 (suspend) する. データベースバッファの内容をデータベースに書き出す. チェックポイントレコード ( 実行中トランザクションリスト ) をログファイルに書き出す. 中断されていたトランザクションを再開 (resume) する. チェックポイントを導入すると, チェックポイント以前に終了しているトランザクションはシステム再スタート時に回復作業をする必要がないという利点がある. チェックポイント法チェックポイントレコードから UNDO /REDO をするトランザクションを見つけるアルゴリズム 1.UNDO トランザクションのリストをチェックポイント時に実行中であったトランザクションのリストとする. REDO トランザクションのリストを NIL とする. 2. ログファイルをそのチェックポイントレコードから障害発生時まで順に検査するもし BEGIN TRANSACTION レコードを見つければ, そのトランザクションを UNDO リストに追加するもし COMMIT レコードを見つければ, そのトランザクションを UNDO リストから REDO リストに移動するログファイルの終わりにきたら終了する.

8 コミットコンシステントチェックポイント法 (commit consistent checkpointing) 手順 1. 新たなトランザクションの開始を禁止する. 2. アクティブなトランザクションがすべてコミットかアボートするまで処理を続ける. 3. ログ用バッファとデータ用バッファをこの順にフラッシュする. 4. ログ用バッファにログレコード [CHECKPOINT] を書き込んだ後フラッシュする. コミットコンシステントチェックポイント法 (commit consistent checkpointing) 特徴チェックポイントをとるためにはアクティブなトランザクションがない状態に入らなければならない. 長時間続くトランザクションが存在する場合には多くの処理要求を長時間にわたって待たせることになる. フラッシュ時のデータ書き込みに多くの時間を必要とする. キャッシュコンシステントチェックポイント法 (cache consistent checkpointing) 手順 1. 新たな基本操作の開始を禁止する. 2. 処理中の基本操作の終了を待つ. 3. ログ用バッファとデータ用バッファをこの順にフラッシュする. 4. ログ用バッファにログレコード [CHECKPOINT:TL] を書き込んだ後フラッシュする. ただし,TL は現在アクティブなトランザクションの集合である. キャッシュコンシステントチェックポイント法 (cache consistent checkpointing) 特徴リスタート処理では最新のログレコード [CHECKPOINT:TL] までの範囲ではなく,TL の中にアボート済みあるいはアボートすべきトランザクションがあった場合には, そのトランザクションの開始時点までログをさかのぼる必要がある.

9 [W:T 3,B,b 1,b 2 ], [CHECKPOINT,{T 2,T 3 }], [W:T 2,C,c 1,c 2 ], [W:T 3,D,d 1,d 2 ], [C:T 2 ]} を逆方向にスキャンする. [C:T 2 ] より T 2 をコミット済みトランザクションに加える. [W:T 3,D,d 1,d 2 ] に対する UNDO 処理を行う. [W:T 2,C,c 1,c 2 ] を読み飛ばす. [CHECKPOINT,{T 2,T 3 }] に達しても T 3 はアボートすべきなのでさらにスキャンを続ける. [W:T 3,B,b 1,b 2 ] に対する UNDO 処理を行う. [B:T 3 ] でスキャンを終了する. [CHECKPOINT,{T 2,T 3 }] から順方向にスキャンする. コミット済み T 2 による [W:T 2,C,c 1,c 2 ] に対する REDO 処理を行い終了する. シャドーページ法ディスク中のページをページテーブルというアドレス変換テーブルを介して間接的にアクセスする. トランザクションの開始 : カレントページテーブルというトランザクション用のページテーブル領域を確保する. 元のページテーブルはシャドーページテーブルと呼ぶ. その位置を示すポインタをシャドーページテーブルポインタという. カレントページテーブル読み書きのためのバッファをページテーブル用バッファという. トランザクションによる書き込み : ページテーブル中の i 番目のページ P(i) の更新を行うとする. それが P(i) に対する最初の更新であれば, ディスク中の空ページ P' を確保して P(i) の内容をコピーし, カレントページテーブル i 番目のエントリが指すページを P' に変更する. その後, データ用バッファ上の P' を更新する. トランザクションのコミット : データ用バッファをフラッシュした後, ページテーブル用バッファをフラッシュする. さらにディスク中のシャドーページテーブルポインタをカレントページテーブルを指すようにする. トランザクションのアボート : カレントページを廃棄する. シャドーページ法問題点更新を行う度にディスク中のデータを格納するページが変化するため, ファイルを構成するページ相互の位置関係がバラバラになる. データ読み出しがディスクへのランダムアクセスばかりになり, アクセス時間が増加する. シャドーページテーブルポインタを書き換える直前にシステム障害が生じたとする. その場合, カレントテーブルや更新後のデータを格納していたページがディスク中のゴミとなる. ページアクセスの際にページテーブルによるアドレス変換のオーバヘッドがある. メディア障害回復トランザクション障害やシステム障害に比べてメディア障害が発生する確率ははるかに小さいが, その対処を行わなかった場合の損失は甚大である. メディア障害に対する基本的な対応はダンプ (dump) 処理の実行である. は別々の装置に二重に書き込みを行う必要がある.

10 ダンプ処理アクティブなトランザクションがない状態で, ディスク中のデータの内容を他のディスクあるいは磁気テープなどにコピーする. 障害回復時には, まずバックアップ用のディスクに最新のダンプ内容を復旧する. 次に, ログを用いてダンプごにコミットした全てのトランザクションの write 操作を REDO する.

Chapter Two

Chapter Two Database 第 12 回 : トランザクション処理 ~ 同時実行制御 ~ 上智大学理工学部情報理工学科高岡詠子 No reproduction or republication without written permission. 許可のない転載再発行を禁止します 2012/1/5 2012 Eiko Takaoka All Rights Reserved. 1 今日の授業障害回復機能の復習