oracle数据库的存储原理

Posted 2022-06-09 klb561

表空间，oracle逻缉存储结构，表空间下包含一个或者多个物理的文件存储。
所有用户对象存放在表空间中。
与系统有关的对象存放在系统表空间中。

数据库的作用就是实现对数据的管理和查询。任何一个数据库系统，必然存在对数据的大量读或者写或者两种操作都大量存在。I/O 问题也往往是导致数据库性能问题的重要原因。

1. Oracle结构

（图 1）Oracle 结构

1.1. Orac le 实 例（ Instance） 
（图 1.1）Oracle 实例 
 
一个 Orac le 实例: 
1．是访问 Oracle database 的途径 
2．只能打开一个数据库 
3．由 SGA 内存区和一组后台进程组成

1.2. 数 据库 文件

（图 1.2）数据库文件 

Orac le 数据库的物理结构是硬盘上的一组文件。主要有三类文件：即数据文件,日志文件和控制文件。 
? 数据文件包含数据库的实际数据，数据存于用户定义的表中，此外数据字典数据、回滚数据、索引等 
均存于数据文件中。 
? 日志文件记录对数据库的所有修改，用于数据库的恢复。 
? 控制文件记录日志文件和数据文件的信息，用于保证数据库文件的一致性和完整性。 
归档日志文件是在线日志的拷贝，在归档模式下在线日志在重复使用之前必须归档。

1. Oracle中IO的产生 
   I/O 包括了读、写两部分，先介绍 Oracle 中写操作的产生。

2.1. 写

介绍写操作之前，先简单的看下 Oracle 的物理结构：Oracle 的物理文件包括以下三种文件：控制文件（Control 
Files）、重做日志文件（Redo Log Files）、数据文件（datafiles）。而数据文件中，根据功能的不同，还可以 
分为：系统数据文件、用户数据文件、临时空间文件和回滚段文件。另外，如果数据库的 Archive Log 模 
式被激活，还存在归档日志文件。Oracle 的 I/O 产生，就是对这些文件的数据读、写操作。下面再详细看 
下几种主要写操作的产生及其过程。

2.1.1. 控制文件

控制文件中记录了整个数据库的物理结构信息。同时控制文件还记录系统和各个数据文件的 SCN（System 
Change Number，关于 SCN 可以参见文章《Orac le SCN 机制详解》）信息，以用于数据恢复，因此数据文 
件上的 SCN 变化后，Oracle 也会相应修改控制文件上的 SCN 信息。

2.1.2. Redo Log

在非直接写（Direct Write）的情况下，事务中的写操作都会产生 Redo Log，作为数据块异常关闭时的恢复 
记录。同样，和写用户数据类似，Redo Log 也不会被直接写入 Redo Log 文件，而是先写入 Log Buffer 中。

Log Buffer 是一个可以循环重用的缓存区。LGWR 进程负责将 Log Buffer 中的记录写入 Redo Log File 中去。 
一旦 Log Buffer 中的条目被写入了 Redo Log 文件中，就可以被重用了。

为了保证事务尽快获得 Log Buffer，LGWR 进程一般会尽快将 Log Buffer 中的数据写入 Redo Log 文件中去。 
在以下几种情况下，LGWR 会将一个连续的 Log Buffer 写入 Redo Log 文件中去： 
1．当一个事务提交（COMMIT）时。 
2．每 3 秒钟写一次 Log Buffer。 
3．当 Log Buffer 满 1/3 时。 
4．当 DBWn 进程将“脏”数据写入磁盘时。

2.1.3. 用户数据文 件 
由于内存的读写效率比磁盘的读写效率高万倍，因此，为了降低 I/O wait，Orac le 会将数据 cache 在内存 
（Buffer Cache，对 Buffer Cache 的详细介绍可以参见《Oracle 内存全面分析》）中，对数据的读写尽量在 
内存中完成。当 Buffer Cache 中的数据缓存块被修改过了，它就被标记为“脏”数据。根据 LRU Least Recently 
Used）算法，如果一个数据块最近很少被使用，它就称为“冷”数据块。进程 DBWn（系统中可以存在多个 
DBW 进程，n 为序号）负责将“冷”的 “脏”数据写入数据文件中去。DBWn 进程会在以下两种情况下将“脏” 
数据写入磁盘中去： 
1. 当服务进程扫描一定数量（阀值）的 Buffer Cache 后还没有找到干净、可重用的缓存块后，它会通知 
DBWn 进程将“脏”数据写入文件中去，以释放出空闲缓存。 
2. 当发生检查点（Checkpoint）时。 检查点的作用： 
? 将数据缓存中所有改变的数据块写入数据文件（不管事物是否提交） 
? 将数据文件的头部标为一致，并且在控制文件当中记录检查点序号。 
? 该检查点号与日志文件中 SCN 号对应。 
? 检查点操作的频繁程度可由数据库参数调节

2.1.4. 临时表空间

当 Oracle 在执行一些 SQL 时，会需要一些临时空间来存储执行时产生的中间数据。这些临时空间由 Orac le 
从指定的临时表空间中分配给进程。主要有三种情况会占用临时空间：临时表/索引操作、排序和临时 LO B 
对象操作。 
1．临时表/索引： 
在会话中，当第一次对临时表进行 INSERT（包括 CTAS）时 ，Orac le 会从临时表空间中为临时表 
及其索引分配临时空间一存储数据。 
2．排序： 
任何会使用到排序的操作，包括 JOIN、创建（重建）INDEX、ORDER BY、聚合计算（GROUP 
BY）以及统计数据收集，都可能使用到临时表空间。排序操作首先会选择在内存中的 Sort Area 
进行（Sort In Memory），一旦 Sort Area 不足，则会使用临时空间进行排序操作（Sort In Disk）。 
看下面的例子： 
SQL> alter session set sort_area_size = 10000000; 
Session altered. 
SQL> select owner, object_name from t_test1 order by objec t_id; 
47582 rows selected.

Exec ution Plan 
Plan hash value : 1312425564 
Id | Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time | 
| 0 | SELECT STATEMENT | | 47582 | 1486K| 155 (4)| 00:00:02 | 
| 1 | SORT ORDER BY | | 47582 | 1486K| 155 (4)| 00:00:02 | 
| 2 | TABLE ACCESS FULL| T_TEST1 | 47582 | 1486K| 150 (1)| 00:00:02 | 
Statistics 
1 recursive calls 
0 db block gets 
658 c onsistent gets

0 physic al reads 
0 redo size 
1566184 bytes sent via SQL*Net to c lient

35277 bytes received via SQL*Net from client 
3174 SQL*Net roundtrips to/from c lient 
1 sorts (memory) 
0 sorts (disk) 
47582 rows processed

SQL> alter session set sort_area_size = 10000; 
Session altered. 
SQL> select owner, object_name from t_test1 order by objec t_id; 
47582 rows selected.

Exec ution Plan 
Plan hash value : 1312425564 
| Id | Operation | Name | Rows | Bytes |TempSpc| Cost (%CPU)| Time| 
| 0 | SELECT STATEMENT | | 47582 | 1486K| | 1251 (1)| 00:00:16 | 
| 1 | SORT ORDER BY | | 47582 | 1486K| 4136K| 1251 (1)| 00:00:16 | 
| 2 | TABLE ACCESS FULL| T_TEST1 | 47582 | 1486K| | 150 (1)| 00:00:02 | 
Statistics 
6 recursive calls 
20 db bloc k gets 
658 c onsistent gets 
629 physical reads 
0 redo size 
1566184 bytes sent via SQL*Net to c lient 
35277 bytes received via SQL*Net from client 
3174 SQL*Net roundtrips to/from c lient 
0 sorts (memory) 
1 sorts (disk) 
47582 rows processed

3．临时 LOB 对象： 
LOB 对象包括 BLOB、CLO B、NCLOB、和 BFILE。在 PLSQL 程序块中，如果定义了 LOB 变量， 
则这些 LOB 变量就是临时 LOB 对象。临时 LOB 对象被创建在临时表空间上，直到 LOB 数据被 
释放，或者会话结束。

2.1.5. 回滚段

我们知道，一个事务在未被提交 前，其做的任何修改都 是可以被回滚（Rollbac k）的。这些回滚数据就被 
放到回滚段（Rollback Segment）上。此外，一致性读（Read Consistency）、数据库恢复（Recover）都会用到回滚段。 
任何数据块的修改都会被记录在回滚段中，甚至 Redo Log 也会产生回滚记录。当任何一个非只读（只有 
查询）的事务开始时，oracle 会自动为其指定下一个可用的回滚段。事务中任何数据变化都被写入回滚段 
中。如果事务回滚，Oracle 根据回滚段中的回滚记录将 buffer cache 中的“脏”数据恢复，释放回滚段空间。 
当事务被提交，由于要保证一致性读，Oracle 并不会立即释放回滚段中的数据，而是会保留一段时间。

2.1.6. Archive Log

当 Oracle 的 Archive Log 模式被激活后，所有 Redo Log 数据都会被写入 Archive Log 文件中以便日后进行 
恢复。当发生日志组切换时，ARCn（Arc hive 进程，可以存在多个）进程就会将 Redo Log 文件拷贝到指 
定存储目录中去，成为 Archive Log 文件。