Oracle体系结构

 Oracle体系结构

1 Oracle Server

Oracle server由例程（Instance）和数据库（Database）两部分组成。例程是一组内存结构和后台进程的集合，内存结构主要包括数据高速缓存、重做日志缓冲区和共享池3部分，内存结构总称为SGA（System Global Area）；后台进程包括SMON、PMON、DBWR、CKPT、LGWR、ARCH等。数据库是一组OS文件的集合，由数据文件、控制文件和重做日志组成。如下图所示。

 

 

2 SGA

SGA（System Global Area）由一组内存结构组成，它由所有用户进程共享的一块内存区域。启动例程时，Oracle自动分配SGA；关闭例程时，Oracle自动释放SGA占用内存空间。SGA主要包括共享池（Shared Pool）、数据高速缓存（Database Buffer Cache）和重做日志缓冲区（Redo Log Buffer）3个部分。

 

 

 

 

 

Oracle9i和Oracle10g中，允许DBA在数据库运行状态下动态改变数据高速缓存、共享池和大缓冲区的尺寸，但SGA动态尺寸总计不能超过初始化参数SGA_MAX_SIZE的值。

SQL> show parameter sga_max_size;

NAME                   TYPE   VALUE

------------------------------------ ----------- ------------------------------

sga_max_size             big integer 584M

2.1 共享池

    共享池（Shared Pool）用于存放最近执行的SQL语句和数据字典信息，尺寸由初始化参数SHARED_POOL_SIZE定义。

共享池主要由库高速缓存（Library Cache）和数据字典高速缓存（Dictionary Cache）两部分组成。

 

 

 

库高速缓存（Library Cache）用于存放最近执行的SQL语句的信息，包括SQL语句文本、解析代码值及其执行计划。执行计划是Oracle执行SQL语句的内部操作步骤。

库高速缓存包含许多上下文区（Context Area），每个上下文区包含相应SQL语句的执行计划，这些上下文区被称为共享游标。当客户端执行SQL语句时，服务器集成首先检查共享游标是否存在，若存在则按照其执行计划直接执行语句；若不存在则生成SQL语句执行计划，并将执行计划放到相应的上下文区中，然后执行该SQL语句。通过共享游标，可以最小化SQL语句解析次数，从而提高SQL语句的执行性能。

 

 

 

    如上图所示，因为SELECT语句1和SELECT语句2文本不同，所以它们将占用不同的上下文区，而对于文本完全相同的SELECT语句1来说，它们可以共享相同的上下文区。

数据字典高速缓存（Dictionary Cache）用于存放数据字典的信息，包括表、列的定义以及权限信息。库高速缓存和数据字典的尺寸是动态变化的

从9i开始，DBA可以使用ALTER SYSTEM 命令动态改变共享池的尺寸。示例如下：

SQL> alter system set shared_pool_size=60M;

System altered

SQL> show parameter shared_pool_size;

NAME                                 TYPE        VALUE

------------------------------------ ----------- ------------------------------

shared_pool_size                     big integer 60M

2.2 数据高速缓存

数据高速缓存（Database Buffer Cache）用于存放最近访问的数据块信息，它由许多小缓冲区（缓冲区尺寸=数据块尺寸）组成。Oracle10g中DB_CACHE_SIZE和DB_nk_CACHE_SIZE来定义数据缓存的尺寸，其中DB_CACHE_SIZE定义标准数据高速缓存的尺寸，DB_nk_CACHE_SIZE定义非标准数据高速缓存的尺寸。

Oracle采用LRU（Least Recently Used）算法管理数据高速缓存，类似于排队机制，最先入队的最先出队，最后入队的最后出队。

 

    假定数据高速缓存包括10个缓冲区，数据已经沾满了这10个缓冲区，并且B1是最早访问的缓冲区，B10是最近访问的缓冲区。假定需要执行新的数据访问操作（SELECT或DML），并且要访问的数据都不在这10个缓冲区中，那么服务器进程就会清除B1缓冲区数据，将新数据块B11的数据放到该缓冲区中，并且将该缓冲区标识为“最近访问”的缓冲区；如果要访问的数据在缓冲区中已经存在，服务器进程就会直接读取或修改该数据，并将相应缓冲区标识为“最近访问”的缓冲区。

数据高速缓存按照缓冲区使用情况可以将其划分为脏缓冲区（Dirty Buffer）、空闲缓冲区（Free Buffer）、忙缓冲区（Pinned Buffer）三种。脏缓冲区是指内容与相应数据块不一致的缓冲区，当执行DML操作时，服务器进程会修改缓冲区数据，此时缓冲区和数据块内容不一致；空闲缓冲区是指内容与数据块一致或不包含数据的缓冲区，当执行SELECT操作时，缓冲区与数据块内容一致；忙缓冲区是指服务器正在存取的缓冲区。

从9i开始，DBA可以使用ALTER SYSTEM命令动态修改数据高速缓存的尺寸。示例如下：

ALTER SYSTEM SET DB_CACHE_SIZE=60M;

ALTER SYSTEM SET DB_4K_CACHE_SIZE=20M;

2.3 重做日志缓冲区

重做日志缓冲区（Redo Log Buffer）用于记载例程变化，其尺寸由初始化参数LOG_BUFFER定义。

当执行DDL或DML语句时，服务器进程首先将事务变化记载到重做日志缓冲区，然后才会修改数据高速缓存。重做日志缓冲区由很多重做记录（Redo Record）组成，并且每条重做记录记载了被修改数据块的位置以及变化后的数据。

 

    如上图所示，当执行UPDATE操作时，新数据2000将被放到EMP段所对应的缓冲区B1中，旧数据1000将被放到UNDO段所对应的缓冲区U1中。在修改这两个缓冲区之前，首先将他们的变化写到重做日志缓冲区，然后再修改它们的数据。

3 后台进程

后台进程是指有Oracle Server隐含执行的进程。启动例程时，Oracle不仅会分配SGA，还会启动后台进程；关闭例程时，Oracle不仅释放SGA所占用的内存空间，而且还会释放后台进程所占用的CPU和内存资源。

Oracle提供很多后台进程，常见的有SMON、PMON、DBWR、LGWR、CKPT、ARCH。

3.1 SMON

SMON（System Monitor）用于执行例程恢复、合并空间碎片并释放临时段。假定在数据库运行过程中出现了例程失败（断电、内存故障、后台进程例外等），此时SGA信息尚未被完全写入磁盘（数据文件、重做日志）。当重新打开数据库时，后台进程SMON会按照以下步骤自动执行例程恢复：

REDO：重新应用那些被记载道重做日志，但尚未记载到数据文件中的数据。因为所有被提交的事务已经记载到了重做日志，所以可以确保恢复事务数据。

打开数据库：在打开数据库时，既包含了被提交的数据，也包含了未被提交的数据（加锁）。

UNDO：取消未提交的数据。打开数据库之后，Oracle会自动使用UNDO段回退未提交的数据。

3.2 PMON

PMON（Process Monitor）用于监视服务器进程的执行，并且在服务器进程失败时清除该服务器进程。访问Oracle Server时，Oracle会在服务器端为用户进程分配服务器进程。

3.3 DBWR

DBWR（Database Writer）用于将数据高速缓存的脏缓冲区数据写入到数据文件中。如下图所示。

默认情况下只有一个DBW0进程，通过设置初始化参数db_writer_processes可以定义最多10个DBWR进程。当执行DML操作时，服务器进程就会修改缓冲区，并且将这些缓冲区标识为脏缓冲区，将来这些脏缓冲区会由后台进程DBWR写入到数据文件中。出现以下情况时，DBWR进程会开始工作：

Ø         系统发出检查点（CheckPoint）

Ø         服务器进程找不空空闲缓冲区

Ø         删除或截断表

Ø         使表空间脱机

Ø         开始表空间备份

 

 

 

3.4 LGWR

LGWR（Log Writter）用于将重做日志缓冲区所记载的全部内容写入到重做日志文件中。

 

 

 

当执行select或dml操作时，服务器进程首先将数据文件读取到数据高速缓存，然后从数据高速缓存提取数据或修改数据高速缓存的数据。Oracle总是“先日志后修改”（先记载变化然后修改数据）。因此，将脏缓冲数据写入到数据文件之前，Oracle先将事务变化写入到重做日志文件，也就是说，在DBWR工作之前，LGWR首先将事务变化写入到重做日志。出现以下情况，LGWR开始工作：

Ø         提交事务（commit）

Ø         每隔3秒钟

Ø         当重做信息超过1M时

Ø         重做日志缓冲区已经有三分之一填满

Ø         在DBWR进程将脏缓冲区写入到数据文件之前

3.5 CKPT

CKPT（CheckPoint Process）用于发出检查点（Checpoint），检查点会同步数据库的数据文件、控制文件和重做日志。当发出检查点时，后台进程CKPT将检查点时刻的SCN（System Change Number）写入到控制文件和数据文件头部。同时促使后台进程DBWR将所有脏缓冲区写入到数据文件中。

当发出检查点时，不仅后台进程CKPT和DBWR要开始工作，LGWR也会将重做日志缓冲区写入到重做日志，从而确保数据文件、控制文件和重做日志的一致性。出现以下情况时CKPT会开始工作：

Ø         日志切换

Ø         关闭例程（SHUTDOWN ABORT除外）

Ø         手工检查点操作（ALTER SYSTEM CHECKPOINT）

Ø         由初始化参数fast_smart_mttr_targer强制发出检查点

3.6 ARCH

ARCH（Archive Process）用于将重做日志的事务变化复制到归档日志中，该后台进程只有在ARCHIVELOG模式下才有意义。默认情况下只有一个ARC0进程，通过初始化参数log_archive_max_processes最多可以定义10个归档进程。在ARCHIVELOG模式下，进行日志切换时会自动生成归档日志。如下图所示。

 

 

 

4 数据库物理结构

4.1 数据文件

数据文件（Data file）用于存储数据库数据，包括系统数据（数据字典）、用户数据（表、索引、簇）、UNDO数据等。当建立数据库或表空间时，数据文件通过DATAFILE选项制定。数据库逻辑上由一个和多个表空间（tablespace）组成，而表空间物理上由一个和多个数据文件组成。

 

 

 

    当建立临时表空间时，使用TEMPFILE选项可以指定临时文件。临时文件（Temperary File）用于存放排序操作产生的临时数据。当执行排序操作时，如果临时数据超过排序区尺寸，服务器进程会将临时数据放到临时表空间中。

4.2 重做日志

重做日志（Redo Log）用于记录数据库变化，当进行例程恢复或介质恢复时需要使用重做日志。当执行DDL或DML操作时，事务变化会被写到重做日志缓冲区，在特定时刻LGWR会将重做日志缓冲区内容写入重做日志。数据库至少包含两个重做日志组，并且这些重做日志组是循环使用的。

 

 

 

假定数据库包含三个日志组，初始阶段LGWR会将事务变化写入到日志组一；日志组一写满后，Oracle自动进行日志切换，并且LGWR会将事务变化写入到日志组二；日志组二写满后，LGWR会将事务变化写入到日志组三；日志组三写满后，LGWR会将事务变化写回到日志组一。依次类推。

4.3 控制文件

控制文件（Control File）用于记录和维护数据库的物理结构，并且每个Oracle数据库至少包含一个控制文件。当使用Oracle Server时，一个例程只能访问一个数据库，Oracle通过控制文件在例程和数据库之间建立联系的。当装载数据库时，Oracle会根据初始化参数control_files定位控制文件；打开数据库时，Oracle会根据控制文件记载的信息打开所有数据文件和重做日志。

 

 

 

4.4 归档日志

归档日志（Archive Log）是非活动重做日志的备份。通过使用归档日志，可以保留所有重做历史记录。当数据库出现介质损坏时，使用数据文件副本和重做历史记录可以完全恢复数据库。只有在ARCHIVELOG模式下才能生成归档日志，并且进行日志切换时Oracle可以自动生成归档日志。

4.5 参数文件

参数文件（Parameter File）用于定义启动例程所需要的初始化参数，如参数DB_CACHE_SIZE、DB_BLOCK_SIZE、LOG_BUFFER等都是在参数文件中定义的。参数文件包括文本参数文件（Text Parameter File）和服务器参数文件（Server Parameter File）两种类型。

在Windows平台中，参数文件默认位置在%ORACLE_HOME%/database中，文本参数文件的名称格式为init<SID>.ora，服务器参数文件的名称格式为SPFILE<SID>.ora，其中SID为例程名。

5 数据库逻辑结构

数据库数据（表、索引、簇）物理上存放在数据文件中，而逻辑上存放在表空间中，Oracle使用表空间、段、区、数据块等逻辑存储结构管理对象空间的。

 

 

 

5.1 表空间

表空间（Tablespace）时数据库的逻辑组成部分，Oracle建议将不同类型的数据部署到不同表空间，一方面可以提高数据访问性能，另一方面便于数据管理、备份和恢复等操作。

Oracle数据库中应包含SYSTEM表空间、SYSAUX表空间、临时表空间、UNDO表空间、数据表空间和索引表空间等。SYSTEM表空间用于存放系统数据（数据字典信息）；SYSAUX表空间时10g的新特征，用于存储数据库辅助系统信息（如OEM资料档案库）；数据表空间用于存放表数据；索引表空间用于存放索引数据；临时表空间用于存放临时数据；UNDO表空间用于存放UNDO数据。

5.2 段

段（Segment）用于存储特定逻辑对象（表、簇、索引等）的所有数据，它由一个或多个区组成。Oracle提供了一些常用段：

Ø         表段：也称数据段，用于存储表的所有数据。例如建立表EMP时，Oracle会分配EMP段（段名=表名）来存放其数据。

Ø         索引段：用于存储索引的所有数据。如果建立索引IND_ENAME时，Oracle会分配IND_ENAME段（段名=索引名）来存放其数据。

Ø         临时段：用于存放排序操作所产生的临时数据。当临时数据量超过排序尺寸时，Oracle会分配临时段，并将临时数据暂时存放到临时段中。

Ø         UNDO段：用于存放非事务所修改数据的旧值。例如，执行UPDATE EMP SET SAL=2000 WHERE ename=’SCOTT’时，2000被存储到表段（EMP），旧数据1000则被存放到UNDO段。

5.3 区

区（Extent）是Oracle进行空间分配的逻辑单元，它是由相邻数据块组成的。例如当建立EMP表时，Oracle会自动分配标段EMP（假定初始尺寸时1M）。当数据占满1M空间，并且要插入新数据时，Oracle会自动货栈该表段，并且为其分配一个区，以此类推。            

5.4 Oracle块

Oracle块也称为数据块，是Oracle在数据文件上执行I/O操作的最小单位，其尺寸应该设置为OS块的整数倍。

6 Oracle Servr工作原理

    当客户应用访问Oracle数据库时，必须首先连接到Oracle Server，然后才能执行各种数据访问操作。

6.1 连接到Oracle Server

当应用程序访问Oracle数据库时，必须首先连接到Oracle Server然后才能访问数据库数据。例如在窗口环境下运行SQL*Plus时，弹出对话框：

 

 

 

只有输入了正确的用户名、口令和主机字符串后，才能连接到Oracle Server，然后执行相应的数据访问操作。

1 用户进程和服务器进程

当在客户端运行应用程序时，会启动相应的应用进程，该进程被称为用户进程；当连接到Oracle Server时，Oracle在服务器端会为用户派生一个新的进程，该进程被称为服务器进程。当使用专用服务器连接时，用户进程与服务器进程是一一对应的关系。

 

 

 

应用程序的所有SQL操作都是由服务器进程执行的，而用户进程只是发送SQL语句，并接收SQL语句的结果。由于所有SQL操作都是由服务器进程执行的，所以服务器进程也被称为用户进程的影子进程（Shadow Process）。当连接到Oracle Server时，可能会遇到“ORA-01034:ORACLE not available”错误，该错误表示例程还没有启动。

2 连接和会话

连接（Connection）是用户进程到服务器进程的网络通信通道，连接和用户进程是一一对应的；会话（Session）时特定用户的连接，连接和会话时一对多的关系，但同一时刻一个连接对应于一个会话。

6.2 处理查询操作

    当客户端运行SELECT语句时，该语句首先被发送到Oracle Server端，并由服务器进程处理该SELECT语句，最终结果返回给用户进程。服务器进程处理SELECT语句包括解析（Parse）、执行（Execute）和提取数据（Fetch）三个阶段。下面以处理如下SELECT语句为例，说明处理查询操作的全过程。

SQL> SELECT ename,job,sal,deptno FROM emp

      2  where empno=7788;

ENAME      JOB             SAL DEPTNO

---------- --------- --------- ------

SCOTT      ANALYST     3000.00     20

 

1．解析

解析（Parse）用于检查SQL语句的语法和语义，生成SQL语句的执行计划，并将SQL语句和执行计划存放到共享池中。在解析期间，用户进程首先将SQL语句发送到服务器进程，然后服务器进程执行以下操作：

Ø         搜索库高速缓存，并检查是否存在相同的SQL语句。如果在库高速缓存中存在同一语句的执行计划，服务器进程将直接执行该SQL语句；

Ø         当SQL语句不存在时，服务器进程会检查该SQL语句的语法。如果SQL语句不满足SQL语法规则，服务器进程将语法错误返回到客户端；

Ø         当SQL语法正确时，服务器进程会检查SQL语义，以确定表名、列名是否正确。如果表名、列名不正确，服务器进程将语义错误返回到客户端；

Ø         若SQL语义正确，则获得对象解析锁，以防止在解析期间其他用户改变对象结构；

Ø         检查用户是否具有该对象的访问权限。如果不具备访问权限，返回错误到客户端；

Ø         若具备访问权限，则会由优化器确定该SQL语句的最佳执行计划；

Ø         将SQL语句及其执行计划装载到高速缓存

2．执行

执行（Execute）是指服务器进程按照SQL语句执行计划执行SQL语句。经过语句分析之后，最终生成执行计划，并将执行计划装载到库高速缓存；在执行阶段，服务器进程按照执行计划由所安排的步骤执行SELECT语句。具体过程如下：

Ø         确定被选择行所在数据块是否已经被读取到缓冲区。若数据在缓冲区中已经存在，则直接提取数据。

Ø         若数据不再缓冲区中，则数据从数据文件读取到数据高速缓存；

3. 提取数据

提取数据（Fetch）是指将被选择行数据返回到客户端。执行语句之后，被选择行所在数据将被读取到缓冲区中；在提取数据阶段，服务器进程将被选择行返回到用户进程。

6.3 处理DML语句

    当客户端运行DML语句时，首先将语句发送到Oracle Server端，然后由服务器进程处理DML语句。因为DML语句不会返回数据，所以处理DML语句只包括解析和执行两个阶段。下面以处理UPDATE语句为例，说明处理DML语句的全过程。

SQL> UPDATE emp SET sal=sal+300 WHERE empno=7788;

1 row updated

1．解析

类似于处理SELECT语句，首先将SQL语句发送到服务器进程，然后由服务器进程检查DML语句的语法、语义、权限，最终生成该DML语句的执行计划，并将DML语句及执行计划装载到库高速缓存。

2. 执行

在经过语句解析之后，会生成DML语句执行计划，并将执行计划装载到库高速缓存；在执行阶段，服务器进程按照执行计划执行该DML语句。如下图所示，执行DML语句时，由于涉及到数据修改，所以需要记载事务变化，并存放事务的新、旧数据。具体过程如下：

Ø         检查被修改行数据在数据高速缓存中是否存在，如果不存在，则从数据文件中将数据读取到数据高速缓存；

Ø         在被修改行上加行锁，防止其他用户修改相应行数据；在表上加表锁，防止其他用户该表表结构或删除表；

Ø         将数据变化（表块变化、UNDO变化）写入到重做日志缓冲区；

Ø         修改缓冲区数据，将事务的新数据写入到表块对应的缓冲区中，将事务的旧数据写入到UNDO块对应的缓冲区中。

 

 

6.4 处理COMMIT

当客户端执行COMMIT语句提交事务时，首先将语句发送到服务器进程，然后由服务器进程处理COMMIT语句。SCN时用于记载数据库变化的唯一标识号，该序号顺序等增，并且永远不会用尽，一旦数据库发生任何变化，其值也会随之改变。下图给出了COMMIT的工作原理。

 

 

 

执行CMMMIT操作时，因为要确保数据一致性，所以需要将事务变化写到OS文件中。具体过程如下：

Ø         将COMMIT语句及SCN写入重做日志缓冲区；

Ø         后台进程LGWR将重做日志缓冲区的所有事务变化写入重做日志文件。需要注意的是，Oracle采用快速提交机制，提交时刻只将事务变化写入重做日志，而脏缓冲区的数据不会写入数据文件；

Ø         将提交完成信息返回用户进程；

Ø         释放事务所占用的表锁和行锁