Oracle SCN 机制

SCN是什么？The System Change Number
system change number (SCN)是一个非常重要的标记，Oracle使用它来标记数据库在过去时间内的状态和轨迹。

Oracle使用SCN来保存所有变化的轨迹。SCN是一个逻辑时钟来记录数据库事件。它非常的重要，并不是只是为了恢复。
SCN有点类似于sequence，Oracle在SGA中增加它。当一个事务修改或者插入数据，Oracle首先写入一个新的SCN到回滚段中。log writer进程立刻把提交的记录写入到重做日志中，这条提交的记录将拥有唯一的SCN。事实上，把SCN写入到日志，就意味着一个事务的完成。SCN帮助Oracle决定在一次突然中断或者SHUTDOWN ABORT后，是否需要一个崩溃恢复。每当数据库发生checkpoint，Oracle写一个START SCN命令到数据文件头。控制文件维护着每个数据文件的SCN，称为STOP SCN，通常是无穷大，每当实例正常关闭（SHUTDOWN NORMAL or SHUTDOWN IMMEDIATE），Oracle会复制数据文件头START SCN到控制文件的STOP SCN。如果是正常的重启数据库，是不需要恢复的，因为控制文件和数据文件的SCN是吻合的。反之，突然中断系统就没法同步SCN，SCN不匹配，Oracle就认为需要做恢复。
另外Oracle还使用数据块的SCN来维护查询的一致性和多版本。

Checkpoint是一个数据库事件，用来同步所有的datafile，controlfile和redo logfile。当发出ckpt时（回顾什么时候oracle会发出ckpt呢），ckpt会将检查点时刻的scn写入到控制文件和数据文件头部，同时会促使dbwr进程将data buffer中的所有的脏数据写入到数据文件中。而dbwr进程工作时又会促使lgwr写log buffer中的日志数据到redo logfile中。所以当发出检查点时CKPT，DBWR和LGWR同时工作，三种文件的scn完全一致，从而能保持完全同步。

一次checkpoint包含以下步骤:
1. 把redo buffers的内容刷到redo log中。
2. 在redo log file中留下一个checkpoint记录。
3. 把database buffer cache的变更刷新到磁盘。
4. 在checkpoint完成后，更新数据文件头和控制文件。

Checkpoint的具体工作包括：
• 触发DBWn向磁盘写入Dirty data。
• 把checkpoint信息更新到datafile header上。
• 把checkpoint信息更新到control file里。
• Checkpoint做的事情之一是触发DBWn把buffer cache中的Dirty cache磁盘。另外就是把最近的系统的SCN更新到datafile header和control file（每一个事务都有一个SCN），做第一件事的目的是为了减少由于系统突然宕机而需要的恢复时间，做第二件事实为了保证数据库的一致性。

checkpoint的作用就是：
1.减少系统崩溃导致的恢复时间
2.保证数据库的一致性

确保定期向磁盘写入内存中发生修改的数据块，以便在系统或数据库失败时不会丢失数据
•缩短例程恢复所需的时间。只需处理最后一个检查点后面的重做日志条目以启动恢复操作
•确保提交的所有数据在关闭期间均已写入数据文件
由 CKPT 写入的检查点信息包括检查点位置、系统更改号、重做日志中恢复操作的起始位置以及有关日志的信息等等。


checkpoint触发：

一、log switch

二、data buffer cache达到指定块

三、达到checkpoint指定时间

具体如下：

1.当发生日志组切换的时候，减少crash后的recovery时间。
2.当符合 LOG_CHECKPOINT_TIMEOUT，LOG_CHECKPOINT_INTERVAL，fast_start_io_target，fast_start_mttr_target参数设置的时候
    LOG_CHECKPOINT_TIMEOUT默认1800秒
    LOG_CHECKPOINT_INTERVAL默认 0
    fast_start_mttr_target 默认，如果被指定，会覆盖LOG_CHECKPOINT_INTERVAL
    fast_start_io_target，10g以后已经抛弃。
3.当 ALTER SYSTEM SWITCH LOGFILE,ALTER SYSTEM CHECKPOINT
4.当 alter tablespace XXX begin backup，end backup 
5.当 alter tablespace ,datafile offline ;

 

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1、SCN的介绍

Oracle中的SCN有下面几种：

①系统检查点scn(v$database(checkpoint_change#))

当一个检查点动作完成之后，Oracle就把系统检查点的SCN存储到控制文件中

select checkpoint_change# from v$database;

②数据文件检查点scn (v$datafile(checkpoint_change#))

当一个检查点动作完成之后，Oracle就把每个数据文件的scn单独存放在控制文件中

select name,checkpoint_change# from v$datafile;

③数据文件终止scn (v$datafile(last_change#))

每个数据文件的终止scn都存储在控制文件中。在正常的数据库操作过程中，所有正处于联机读写模式下的数据文件的终止scn都为null

select name,last_change# from v$datafile;

④数据文件启动scn (v$datafile_header(checkpoint_change#)

Oracle把这个检查点的scn存储在每个数据文件的文件头中，这个值称为启动scn，因为它用于在数据库实例启动时，检查是否需要执行数据库恢复

select name,checkpoint_change# from v$datafile_header;

2、SCN的工作机制：

①在数据库打开并运行之后，控制文件中的系统检查点scn、控制文件中的数据文件检查点scn和每个数据文件头中的启动scn都是相同的


②控制文件中的每个数据文件的终止scn都为null


③NORMAL或IMMEDIATE关闭数据库的过程中，系统会执行一个检查点动作，这时所有数据文件的终止scn都会设置成数据文件头中的那个启动scn的值。


④在数据库重新启动的时，Oracle将执行两次检查

       ◆看数据文件头中的ckpt计数器是否与对应控制文件中的ckpt计数器一致。若相等，进行第二次检查

       ◆比较文件头中的启动scn和对应控制文件中的终止scn进行比较，如果终止scn等于启动scn，则不需要对那个文件进行恢复


⑤数据库打开之后，存储在控制文件中的数据文件终止scn的值再次被更改为null，这表示数据文件已经打开并能够正常使用了


注：当ABORT强制关闭数据库时不进行检查点处理，所以终止scn仍然为无穷大。在下次启动期间，发现启动scn和终止scn不同，需要进行线程恢复。


3、SCN的增加


①SCN(System Change Number)只要数据库被修改，就会+1，而不是一定要进行checkpoint，例如DML的发生即使没有提交也会使SCN+1


注：SCN增加并不代表会在数据文件头中表现出来，而是需要等到checkpoint执行后才写入(当然可能已经增加了很多)


②如果一个DML导致产生事务，则会产生一个SCN。这个意思是说如果一个事务包含多个dml，则只有第一个初始产生事务的dml产生scn，提交的时候又是一个scn，如果一个事务只有一个dml，拿看起来就是dml产生一个scn，提交或者回滚产生一个scn。


③Oracle 10g内部的SCN会默认不管有没有动作，每隔3s自动增加一次。其他需要增加的情况则再加。


④只有ckpt进程才会修改文件头中的checkpoint计数器和SCN，DBWR只会修改数据块，即ckpt通知dbwr写数据文件，写完之后 ckpt更新控制文件和数据文件头。此时若DBWR发现数据块的log block还没有被写入日志文件，则在dbwr写块之前通知llgwr把log buffer中的日志写入log文件。


注：总结一下，日志切换必定出发ckpt，但ckpt不一定会出发llgwr，但是一定会触发dbwr



4、其他的SCN

①日志文件头中包含了Low scn、Next scn，表示给日志文件包含有从Low scn到Next scn的redo record

注：当系统运行时，日志文件的Next scn同样为无穷大。而且需要注意：在恢复时不是用日志文件中的Low scn和Next scn来选择恢复的日志文件，而是通过数据文件头中的信息。


②数据块中的SCN

data block里面的SCN是当block被更改的时候的SCN，而数据文件有那么多block，自然不同的block有不同的SCN，block中存在 block SCN和ITL中的commit SCN。block SCN又在块头和块位都有，若不一致意味着block损坏。而ITL中的commit SCN则跟consistent gets and delay block cleanout有关。

③v$database中的checkpoint_change#和dbms_flashback.get_system_change_number不同。前者是作为数据库的最后一次checkpoint是的SCN，而后者是系统的最新SCN，所以一般后者都会比前者大，而当刚做完 checkpoint时两者会差不多。


④当begin backup命令发出后，相关数据文件的checkpoint scn被冻结(以及状态标志被改变)，其他一切照旧。例如：日志切换时checkpoint count正常递增/检查点照常写文件，自然文件中的数据块内的各种scn也照常递增。

 

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SCN（System Chang Number）作为oracle中的一个重要机制，在数据恢复、Data Guard、Streams复制、RAC节点间的同步等各个功能中起着重要作用。

理解SCN的运作机制，可以帮助你更加深入地了解上述功能。


在理解SCN之前，我们先看下oracle事务中的数据变化是如何写入数据文件的：

1、事务开始；
2、在buffer cache中找到需要的数据块，如果没有找到，则从数据文件中载入buffer cache中；
3、事务修改buffer cache的数据块，该数据被标识为“脏数据”，并被写入log buffer中；
4、事务提交，LGWR进程将log buffer中的“脏数据”写入redo log file中；
5、当发生checkpoint，CKPT进程更新所有数据文件的文件头中的信息，DBWn进程则负责将Buffer Cache中的脏数据写入到数据文件中。

经过上述5个步骤，事务中的数据变化最终被写入到数据文件中。但是，一旦在上述中间环节时，数据库意外宕机了，在重新启动时如何知道哪些数据已经写入数据文件、哪些没有写呢？

SCN机制就能比较完善的解决上述问题。

SCN是一个数字，确切的说是一个只会增加、不会减少的数字。正是它这种只会增加的特性确保了Oracle知道哪些应该被恢复、哪些应该被复制。

总共有4中SCN：系统检查点（System Checkpoint）SCN、数据文件检查点（Datafile Checkpoint）SCN、结束SCN（Stop SCN）、开始SCN（Start SCN）。其中其面3中SCN存在于控制文件中，最后一种则存在于数据文件的文件头中。

在控制文件中，System Checkpoint SCN是针对整个数据库全局的，因而之存在一个，而Datafile Checkpoint SCN和Stop SCN是针对每个数据文件的，因而一个数据文件就对应在控制文件中存在一份Datafile Checkpoint SCN和Stop SCN。在数据库正常运行期间，Stop SCN(通过视图v$datafile的字段last_change#可以查询)是一个无穷大的数字或者说是NULL。

在一个事务提交后（上述第四个步骤），会在redo log中存在一条redo记录，同时，系统为其提供一个最新的SCN（通过函数dbms_flashback.get_system_change_number可以知道当前的最新SCN），记录在该条记录中。如果该条记录是在redo log被清空（日志满做切换时或发生checkpoint时，所有变化日志已经被写入数据文件中），则其SCN被记录为redo log的low SCN。以后在日志再次被清空前写入的redo记录中SCN则成为Next SCN。

当日志切换或发生checkpoint（上述第五个步骤）时，从Low SCN到Next SCN之间的所有redo记录的数据就被DBWn进程写入数据文件中，而CKPT进程则将所有数据文件（无论redo log中的数据是否影响到该数据文件）的文件头上记录的Start SCN(通过视图v$datafile_header的字段checkpoint_change#可以查询)更新为Next SCN，同时将控制文件中的System Checkpoint SCN（通过视图v$database的字段checkpoint_change#可以查询）、每个数据文件对应的Datafile Checkpoint（通过视图v$datafile的字段checkpoint_change#可以查询）也更新为Next SCN。但是，如果该数据文件所在的表空间被设置为read-only时，数据文件的Start SCN和控制文件中Datafile Checkpoint SCN都不会被更新。


那系统是如何产生一个最新的SCN的？实际上，这个数字是由当时的timestamp转换过来的。每当需要产生一个最新的SCN到redo记录时，系统获取当时的timestamp，将其转换为数字作为SCN。我们可以通过函数SCN_TO_TIMESTAMP（10g以后）将其转换回timestamp：

SQL> select dbms_flashback.get_system_change_number, SCN_TO_TIMESTAMP(dbms_flashback.get_system_change_number) from dual;


GET_SYSTEM_CHANGE_NUMBER

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

SCN_TO_TIMESTAMP(DBMS_FLASHBACK.GET_SYSTEM_CHANGE_NUMBER)

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

                 2877076756

17-AUG-07 02.15.26.000000000 PM


也可以用函数timestamp_to_scn将一个timestamp转换为SCN：


SQL> select timestamp_to_scn(SYSTIMESTAMP) as scn from dual;



          SCN

----------

2877078439


最后，SCN除了作为反映事务数据变化并保持同步外，它还起到系统的“心跳”作用——每隔3秒左右系统会刷新一次系统SCN。

下面，在简单介绍一下SCN如何在数据库恢复中起作用。

数据库在正常关闭（shutdown immediate/normal）时，会先做一次checkpoint，将log file中的数据写入数据文件中，将控制文件、数据文件中的SCN（包括控制文件中的Stop SCN）都更新为最新的SCN。数据库异常/意外关闭不会或者只更新部分Stop SCN。

#########################摘自EYGLE博客########################################

在数据库open的过程中,Oracle要进行两次检查.

第一次检查数据文件头中的Checkpoint cnt是否与对应控制文件中的Checkpoint cnt一致.
如果相等,进行第二次检查.

第二次检查数据文件头的开始SCN和对应控制文件中的结束SCN是否一致
如果结束SCN等于开始SCN,则不需要对那个文件进行恢复.

对每个数据文件都完成检查后,打开数据库.同时将每个数据文件的结束SCN设置为无穷大.

#########################摘自EYGLE博客########################################
SCN作为Oracle中的一个重要机制，在多个重要功能中起着“控制器”的作用。了解SCN的产生和实现方式，帮助DBA理解和处理恢复、DG、Streams复制的问题。

最后提一句，利用SCN机制，在Oracle10g、11g中又增加了一些很实用的功能——数据库闪回、数据库负载重现等。