在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的世界里，無(wú)論硬件多可靠，軟件多健壯，意外崩潰（Crash）都是一個(gè)我們必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。電源故障、操作系統(tǒng) Bug、硬件失靈……任何一個(gè)都可能讓數(shù)據(jù)庫(kù)瞬間“宕機(jī)”。當(dāng)系統(tǒng)重啟時(shí)，我們最關(guān)心的問(wèn)題莫過(guò)于：我的數(shù)據(jù)還好嗎？事務(wù)是成功了還是失敗了？數(shù)據(jù)庫(kù)是否還處于一個(gè)一致的狀態(tài)？

為了回答這些問(wèn)題，并確保數(shù)據(jù)的 原子性（Atomicity） 、 持久性（Durability） 和 一致性（Consistency） ，數(shù)據(jù)庫(kù)工程師們?cè)O(shè)計(jì)了復(fù)雜的崩潰恢復(fù)（Crash Recovery）機(jī)制。而在眾多恢復(fù)算法中， ARIES (Algorithms for Recovery and Isolation Exploiting Semantics) 無(wú)疑是現(xiàn)代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的基石和事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

今天，就讓我們一起深入探索 ARIES 的奧秘，看看它是如何通過(guò)一套精妙的機(jī)制，讓數(shù)據(jù)庫(kù)在崩潰后能夠安全、高效地“起死回生”。

一切的前提：高并發(fā)的緩沖池策略

在深入 ARIES 協(xié)議之前，我們必須先理解它所服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境。現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)為了追求高性能，廣泛采用 緩沖池（Buffer Pool） 來(lái)緩存磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)頁(yè)。為了最大化并發(fā)和減少 I/O 瓶頸，ARIES 協(xié)議被設(shè)計(jì)為在以下兩種緩沖池策略下工作：

• STEAL ：允許將 尚未提交 的事務(wù)所修改的“臟頁(yè)”（Dirty Pages）寫(xiě)入磁盤(pán)。這避免了緩沖池被巨大的事務(wù)占滿(mǎn)，提升了內(nèi)存利用效率。
• NO-FORCE ：事務(wù)提交時(shí)， 不強(qiáng)制 要求將該事務(wù)所修改的所有臟頁(yè)立即刷回磁盤(pán)。只需要確保相關(guān)的日志記錄被持久化即可。這極大地降低了提交操作的延遲，提升了系統(tǒng)的吞吐量。

STEAL + NO-FORCE 的組合性能極佳，但它也給恢復(fù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)：

• STEAL 的存在意味著磁盤(pán)上可能包含未提交事務(wù)的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)崩潰，這些數(shù)據(jù)必須被撤銷(xiāo)（Undo）。
• NO-FORCE 的存在意味著磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)可能落后于已提交事務(wù)的狀態(tài)。如果系統(tǒng)崩潰，這些已提交的修改必須被重做（Redo）。

ARIES 的核心使命，正是在這個(gè)高性能但復(fù)雜的環(huán)境下，提供一個(gè)可靠的恢復(fù)方案，同時(shí)處理好 Undo 和 Redo 的問(wèn)題。

ARIES 的三大核心思想

ARIES 的設(shè)計(jì)哲學(xué)可以概括為三個(gè)核心原則，它們共同構(gòu)成了整個(gè)恢復(fù)協(xié)議的基石：

預(yù)寫(xiě)式日志（Write-Ahead Logging - WAL）

這是數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)的“黃金法則”。任何對(duì)數(shù)據(jù)頁(yè)的修改，都必須 先 將描述該修改的日志記錄（Log Record）寫(xiě)入穩(wěn)定的存儲(chǔ)（如磁盤(pán)）， 然后 才能將修改后的數(shù)據(jù)頁(yè)寫(xiě)入磁盤(pán)。這個(gè)順序至關(guān)重要，它確保了我們總是有足夠的信息來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。日志是所有真相的來(lái)源。

重做時(shí)重復(fù)歷史（Repeating History During Redo）

在恢復(fù)的重做（Redo）階段，ARIES 會(huì)嚴(yán)格按照日志的記錄，從一個(gè)已知的正確狀態(tài)（檢查點(diǎn)）開(kāi)始，重新執(zhí)行所有記錄在案的操作，將數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到 崩潰發(fā)生前的確切狀態(tài) 。這包括所有已提交事務(wù)的修改，也包括那些最終需要被回滾的未提交事務(wù)的修改。這個(gè)階段的目標(biāo)是“回到現(xiàn)場(chǎng)”，而不是“清理現(xiàn)場(chǎng)”。

撤銷(xiāo)時(shí)記錄更改（Logging Changes During Undo）

在恢復(fù)的撤銷(xiāo)（Undo）階段，當(dāng)系統(tǒng)回滾一個(gè)未提交的事務(wù)時(shí)，這個(gè) 撤銷(xiāo)操作本身也會(huì)被記錄為一種特殊的日志記錄 ——補(bǔ)償日志記錄（Compensation Log Records, CLRs）。這確保了撤銷(xiāo)操作的持久性和冪等性。即使在撤銷(xiāo)過(guò)程中再次發(fā)生崩潰，系統(tǒng)重啟后也能知道哪些操作已經(jīng)被撤銷(xiāo)過(guò)，從而避免重復(fù)撤銷(xiāo)，保證恢復(fù)過(guò)程的正確性。

ARIES 的“語(yǔ)言”：日志與 LSN

為了精確地追蹤和管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一次變更，ARIES 引入了一套關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和概念。

日志序列號(hào)（Log Sequence Number - LSN）

每個(gè)日志記錄都被賦予一個(gè) 全局唯一且單調(diào)遞增的 LSN 。LSN 不僅僅是日志的編號(hào)，它像一個(gè)時(shí)間戳，貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)頁(yè)、事務(wù)和日志之間的狀態(tài)。

以下是幾個(gè)至關(guān)重要的 LSN：

• pageLSN ：記錄在每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)的頭部，代表 對(duì)此頁(yè)的最后一次修改所對(duì)應(yīng)的日志記錄的 LSN 。
• flushedLSN ：一個(gè)內(nèi)存中的變量，表示已成功持久化到磁盤(pán)的 最后一個(gè)日志記錄的 LSN 。WAL 協(xié)議的核心約束可以表示為：在將一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)寫(xiě)入磁盤(pán)前，必須保證該頁(yè)的 pageLSN ≤ flushedLSN。
• recLSN （Recovery LSN）：記錄在臟頁(yè)表（DPT）中，表示某個(gè)臟頁(yè) 首次被修改 時(shí)所對(duì)應(yīng)的日志記錄的 LSN。它標(biāo)記了重做操作需要關(guān)注的“最早起點(diǎn)”。
• lastLSN ：記錄在事務(wù)表中，表示該事務(wù)產(chǎn)生的 最新一條日志記錄的 LSN 。
• MasterRecord LSN ：一個(gè)持久化在磁盤(pán)上的特殊位置，指向 最近一次成功完成的檢查點(diǎn)（Checkpoint）的起始 LSN ，是恢復(fù)流程的入口點(diǎn)。

事務(wù)的生命周期日志

事務(wù)提交（Commit）

當(dāng)用戶(hù)執(zhí)行 COMMIT 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)寫(xiě)入一條 COMMIT 日志記錄，并 同步地（synchronously） 將其連同之前該事務(wù)的所有日志一起刷入磁盤(pán)。只有當(dāng)刷盤(pán)成功后，系統(tǒng)才會(huì)向用戶(hù)確認(rèn)事務(wù)已提交。隨后，系統(tǒng)會(huì)再寫(xiě)入一條 TXN-END 日志記錄，標(biāo)記該事務(wù)的徹底終結(jié)。

事務(wù)撤銷(xiāo)（Abort）與補(bǔ)償日志記錄（CLR）

當(dāng)一個(gè)事務(wù)需要被撤銷(xiāo)時(shí)，ARIES 使用日志記錄中的 prevLSN 字段來(lái)高效地回溯。prevLSN 指向由同一個(gè)事務(wù)生成的上一條日志記錄，從而將一個(gè)事務(wù)的所有修改串成一個(gè)反向鏈表。

更關(guān)鍵的是，每當(dāng) ARIES 撤銷(xiāo)一個(gè)更新操作時(shí)，它會(huì)生成一條 CLR (Compensation Log Record) 并寫(xiě)入日志。CLR 描述了“為了撤銷(xiāo) LSN 為 X 的操作，我做了 Y”。

為什么 CLR 至關(guān)重要？ 想象一下在撤銷(xiāo)過(guò)程中系統(tǒng)再次崩潰。重啟后，恢復(fù)過(guò)程會(huì)進(jìn)入 Redo 階段，它會(huì)重放所有日志，包括這些 CLR。通過(guò)重放 CLR，系統(tǒng)能將已經(jīng)完成的撤銷(xiāo)操作恢復(fù)，然后從中斷處繼續(xù)撤銷(xiāo)，而不會(huì)錯(cuò)誤地去撤銷(xiāo)一個(gè)已經(jīng)被撤銷(xiāo)過(guò)的原始操作。 CLR 自身是不需要被撤銷(xiāo)的 ，這巧妙地避免了無(wú)限循環(huán)的撤銷(xiāo)問(wèn)題。

檢查點(diǎn)（Checkpointing）：為快速恢復(fù)鋪路

如果每次恢復(fù)都需要從頭掃描所有日志，那將是一場(chǎng)災(zāi)難。 檢查點(diǎn)（Checkpointing） 的目的就是定期創(chuàng)建一個(gè)“快照”，以限定恢復(fù)時(shí)需要處理的日志范圍。

早期的檢查點(diǎn)機(jī)制是阻塞式的，它會(huì)暫停所有事務(wù)處理，這嚴(yán)重影響了系統(tǒng)可用性。ARIES 采用了一種更優(yōu)雅的方案—— 模糊檢查點(diǎn)（Fuzzy Checkpoint） 。

模糊檢查點(diǎn) 不會(huì)暫停系統(tǒng) ，它在允許事務(wù)正常運(yùn)行的同時(shí)，悄悄地完成以下工作：

1. 寫(xiě)入一條 CHECKPOINT-BEGIN 日志記錄。
2. 掃描緩沖池，記錄下當(dāng)前 活動(dòng)事務(wù)表（Active Transaction Table - ATT） 和 臟頁(yè)表（Dirty Page Table - DPT） 的快照。

a.ATT ：包含檢查點(diǎn)開(kāi)始時(shí)所有尚未完成的事務(wù)及其狀態(tài)（如 Running, Committing）。

b.DPT ：包含緩沖池中所有臟頁(yè)的 ID 及其 recLSN。

3. 將 ATT 和 DPT 的快照信息寫(xiě)入一條 CHECKPOINT-END 日志記錄。
4. 將 CHECKPOINT-BEGIN 的 LSN 更新到 MasterRecord 中。

通過(guò)這個(gè)快照，恢復(fù)系統(tǒng)就不再需要從日志的“創(chuàng)世紀(jì)”開(kāi)始掃描，而只需從最近的檢查點(diǎn)開(kāi)始，大大縮短了恢復(fù)時(shí)間。

王者歸來(lái)：ARIES 的三階段恢復(fù)協(xié)議

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)從崩潰中重啟，ARIES 將嚴(yán)格按照以下三個(gè)階段執(zhí)行恢復(fù)，確保數(shù)據(jù)最終的正確性。

階段一：分析（Analysis）

目標(biāo) ：確定崩潰時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)——哪些事務(wù)是“失敗者”（需要回滾），哪些頁(yè)是“臟”的（可能需要重做）。

過(guò)程 ：

1. 從 MasterRecord 指向的最后一個(gè)檢查點(diǎn)開(kāi)始， 向前 掃描日志，直至日志末尾。
2. 根據(jù)日志內(nèi)容，動(dòng)態(tài)地重建 ATT 和 DPT 。
3. 如果日志記錄屬于一個(gè)新事務(wù)，則將其加入 ATT。
4. 如果日志記錄是 COMMIT 或 TXN-END，則更新或移除 ATT 中的對(duì)應(yīng)事務(wù)。
5. 如果日志記錄是一個(gè)更新操作，且其影響的頁(yè)不在 DPT 中，則將該頁(yè)加入 DPT。

結(jié)果 ：分析階段結(jié)束后，我們得到一個(gè)精確的 ATT（包含所有在崩潰時(shí)仍活躍的事務(wù)）和 DPT（包含所有在崩潰時(shí)可能仍在內(nèi)存中且未刷盤(pán)的臟頁(yè)）。

階段二：重做（Redo）

目標(biāo) ：重復(fù)歷史，將數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到崩潰前的確切物理狀態(tài)。

過(guò)程 ：

1. 從分析階段得到的 DPT 中最小的 recLSN 開(kāi)始， 向前 掃描日志。這是個(gè)重要的優(yōu)化，因?yàn)槿魏卧诖酥暗男薷目隙ㄒ呀?jīng)被包含在檢查點(diǎn)之前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)刷盤(pán)了。
2. 對(duì)于每一條更新日志記錄或 CLR，檢查它所影響的數(shù)據(jù)頁(yè)。
3. 如果頁(yè)面的 pageLSN小于 當(dāng)前日志記錄的 LSN，意味著這個(gè)修改尚未在頁(yè)面上體現(xiàn)，因此 執(zhí)行重做操作 （即重新應(yīng)用修改），并更新頁(yè)面的 pageLSN。否則，跳過(guò)。
4. 此階段 不會(huì) 生成新的日志記錄。

結(jié)果 ：重做階段完成后，數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)與崩潰瞬間完全一致。所有已提交的修改都被應(yīng)用，所有未提交的修改也暫時(shí)被應(yīng)用。

階段三：撤銷(xiāo)（Undo）

目標(biāo) ：清理現(xiàn)場(chǎng)，將所有在分析階段被確定為“失敗者”的事務(wù)（即 ATT 中未提交的事務(wù)）的所有修改進(jìn)行回滾。

過(guò)程 ：

1. 從 ATT 中 identified 的“失敗者”事務(wù)集合（Loser Transactions）開(kāi)始。
2. 以 LSN 降序 （即從后往前）的方向，利用 prevLSN 鏈表，撤銷(xiāo)這些事務(wù)的每一個(gè)操作。
3. 對(duì)于每一次撤銷(xiāo)操作，都生成一條對(duì)應(yīng)的 CLR 日志記錄 ，并寫(xiě)入日志。
4. 當(dāng)一個(gè)“失敗者”事務(wù)的所有修改都被撤銷(xiāo)后，為其寫(xiě)入一條 TXN-END 日志記錄。

結(jié)果 ：撤銷(xiāo)階段完成后，所有未提交事務(wù)的影響被徹底消除。數(shù)據(jù)庫(kù)達(dá)到了一致且持久的狀態(tài)，可以安全地開(kāi)放給新的事務(wù)。

總結(jié)

ARIES 協(xié)議通過(guò)預(yù)寫(xiě)式日志、重復(fù)歷史的重做、記錄日志的撤銷(xiāo)，以及高效的模糊檢查點(diǎn)機(jī)制，完美地解決了高性能 STEAL/NO-FORCE 策略下的崩潰恢復(fù)難題。它的三個(gè)恢復(fù)階段——分析、重做、撤銷(xiāo)——分工明確，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，確保了無(wú)論在何時(shí)發(fā)生崩潰，數(shù)據(jù)庫(kù)都能被恢復(fù)到一個(gè)正確的狀態(tài)。

盡管 ARIES 的細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，但理解其核心思想，對(duì)于我們深入認(rèn)識(shí)現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)的健壯性與可靠性至關(guān)重要。正是因?yàn)橛邢?ARIES 這樣強(qiáng)大的“守護(hù)者”，我們才能放心地將數(shù)據(jù)托付給數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。