上节中提到数据库可能会发生“故障”，实际上数据库的故障类型有很多种，本节主要讨论这些故障的产生和处理方法，并建立数据库的存储管理模型，以便后面讨论事务的并发访问。

故障类型

• 数据输入错误

  数据内容的错误是无法避免的，如果用户在输入姓名或身份证号时输错了一位，那么错误是很难被直接发现的。处理数据输入错误的常见技术就是编写约束和触发器，可以及时找出不满足格式的错误数据。

• 介质故障

  磁盘的部分区域损坏，一般只会影响少数几位数据，可以通过奇偶校验等方式检测到。如果整个磁盘损坏，要么为数据维护一个备份，要么采用 RAID 阵列保存数据。此外还可以将数据的副本保存在多个远程节点上，一个节点的故障不会导致数据丢失，这就是分布式的思想。

• 系统故障

  系统故障主要包括掉电和软件错误，由于内存是“易失性的”，如果数据提交了但没有写入到磁盘，当系统掉电时这部分数据就会丢失。软件错误可能会直接覆盖内存中的数据，就相当于数据已经丢失。解决这类问题的办法就是维护日志，将所有对数据库的修改操作都记录下来，以便重启系统后进行恢复。

• 机房故障

  机房故障有可能是整个机房发生了火灾、爆炸等意外，或是自然灾害导致一片地区受到破坏，这种情况下 RAID 和数据校验都无法发挥作用，只有备份机制（异地）才可以防止数据丢失。

事务模型

为了更好地理解事务机制，这里建立一个如下图所示的模型。

• 事务管理器统筹管理事务的执行。

• 查询处理器负责解析 SQL 命令。

• 缓冲区管理器负责维护内存缓冲区和刷写数据。

• 日志管理器负责维护日志。

• 恢复管理器负责在系统重启后恢复数据。

事务原语

在数据库运行过程中，刚插入的数据往往不会直接写入磁盘，而是先缓存在内存中。对于一个运行中的数据库，可以将其地址空间简单分成三个部分：

1. 持久化保存数据的磁盘空间。

2. 缓冲区对应的内存或虚拟内存空间。

3. 事务的局部地址空间（也在内存中）。

事务要读取数据，首先要将数据取到缓冲区中，然后缓冲区的数据可以被事务读取到局部空间。事务的写入过程与此相反，先在局部空间中创建新值，然后再将新数据拷贝到缓冲区中。缓冲区中的数据通常是由缓冲区管理器决定何时写入磁盘，而不是立刻持久化到磁盘。

为了便于研究日志和事务管理的细节，我们使用一系列原语来描述数据库操作：

1. INPUT(X)：将数据库元素 X 从磁盘拷贝到缓冲区。

2. READ(X, t)：将数据库元素 X 从缓冲区拷贝到事务的局部变量 t。

3. WRITE(X, t)：将局部变量 t 的值拷贝到缓冲区的数据库元素 X，如果 X 不在缓冲区，先执行 INPUT(X)。

4. OUTPUT(X)：将数据库元素 X 从缓冲区拷贝到磁盘。

在这里假设：数据库元素 X 的大小 = 磁盘块大小 = 缓冲区块大小。

【例 5.1】银行转账事务

一个数据库中有 A、B 两个账户（元素），A 和 B 之间进行转账操作，在任何一致的状态中它们的值的总和是固定的。

一个转账事务 T 主要有两个步骤：

A：A 账户减 10

B：B 账户加 10

假设 A 和 B 的初值都为 15，事务 T 从一个一致的状态（A+B=15+15=30）开始，事务正常执行且期间没有发生系统故障，那么最终的状态必然也是一致的，A 和 B 的值发生了变化，但他们的和没有发生变化（A+B=5+25=30）。

T 的执行包括从磁盘读取 A 和 B，执行运算，将 A 和 B 的新值写入缓冲区。之后缓冲区管理器会执行 OUTPUT 原语，将数据写回磁盘。表 5-1 中展示了事务 T 的执行过程，以及每个步骤执行之后 A 和 B 在缓冲区和磁盘中的值。

表 5-1

1. 第 1 步 READ(A, t) 命令将 A 的值拷贝到局部变量 t 中，如果 A 不在缓冲区中，那么就会先执行 INPUT(A) 命令。

2. 第 2 步将 t 减 10，这一步不会改变 A 在缓冲区和磁盘上的值。

3. 第 3 步将 t 写到缓冲区的 A 中，这一步也不会影响磁盘上 A 的值。

4. 直到第 7 步，OUTPUT(A) 将 A 的新值写入磁盘，完成持久化。

如果表 5-1 中的步骤顺利执行，那么事务前后数据库都处于一致性状态。

• 如果在 OUTPUT(A) 之前系统发生故障，因为磁盘上的数据没有任何变化，一致性得以保持。

• 如果系统故障在 OUTPUT(B) 之后发生，磁盘上的 A 和 B 都已经修改，仍然满足一致性要求。

• 如果系统故障发生在 OUTPUT(A) 和 OUTPUT(B) 之间，那么数据库就会处于不一致的状态，这种情况下就需要进行修复，要么将 A 和 B 都重置为原值，要么将它们都更新为新值。