Oracle架构_数据库底层原理、机制 (授人以渔)

2024-01-16 12:36
文章标签 oracle 原理 数据库 架构 底层 机制 授人以渔

本文主要是介绍Oracle架构_数据库底层原理、机制 (授人以渔)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

Oracle架构，讲述了Oracle RDBMS的底层实现原理，是Oracle DBA**调优和排错的基础理论。深入理解Oracle架构，能够让我们在Oracle的路上走的更远。本文主要是在对RDBMS的底层组件功能和实现原理有一定的了解的情况下，结合自身的工作经验提出了对Oracle调优和排错的思路。**当然，对Oracle体系结构的理解是一个深远的过程，需要不断的更新修改，如有不对，还望指正。：）

Oracle RDBMS架构图

这里写图片描述

一般我们所说的Oracle指的是Oracle RDBMS(Relational databases Management system)，一套Oracle数据库管理系统，也称之为Oracle Server。而Oracle Server主要有两大部分：

Oracle Server = 实例 + 数据库 (Instance和Database是相互独立的)

  • 数据库 = 数据文件 + 控制文件 +日志文件
  • 实例 = 内存池 + 后台进程

所以可以细分为： Oracle Server = 内存池 + 后台进程 + 数据文件 + 控制文件 + 日志文件

一台Oracle Server支持创建多个Database，而且每个Datacase是互相隔离而独立的。不同的Database拥有属于自己的全套相关文件，例如：有各自的密码文件，参数文件，数据文件，控制文件和日志文件。

Database由一些物理文件(如：存放在存储设备中的二维表文件)组成。二维表存储在Database中，但Database的内容不能被用户直接读取，用户必须通过Oracle instance才能够访问Database，一个Instance只能连接一个Database，但是一个Database可以被多个Instance连接。

将上面的Oracle RDBMS架构图进行抽象分类，可以将Oracle架构抽象为：Oracle体系 = 内存结构 + 进程结构 + 存储结构
这里写图片描述

内存结构

Oracle Instance是Oracle RDBMS的核心之一，负责RDBMS的管理功能。Oracle Instance主要由内存池SGA和后台进程组成。
这里写图片描述

系统全局区SGA

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内存池SGA的默认Size，会在安装Oracle的时候会根据LinuxOS的sysctl.conf参数文件来决定：

kernel.shmall = 2097152
kernel.shmmax = 2147483648
kernel.shmmni = 4096
kernel.sem = 250 32000 100 128
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
net.core.rmem_default = 1048576
net.core.rmem_max = 1048576
net.core.wmem_default = 262144
net.core.wmem_max = 262144

查看SGA的Size：

SQL> conn /as sysdba
Connected.
SQL> show user;
USER is "SYS"
SQL> select * from v$sga;
NAME              VALUE
-------------------- ----------
Fixed Size      2022144
Variable Size         503317760
Database Buffers     1627389952
Redo Buffers           14753792SQL> show sga
Total System Global Area 2147483648 bytes     #对应kernel.shmmax = 2147483648
Fixed Size          2022144 bytes
Variable Size         503317760 bytes
Database Buffers     1627389952 bytes
Redo Buffers           14753792 bytes

SGA(System Global Area)是与Oracle性能关系最大的核心部分，也是对Oracle进行调优的主要考量。SGA内存池会在Instance启动时被分配，在Instance关闭时被释放。在一定范围内，SGA可以在Instance运行时通过自动方式响应DBA的指令。如果想对SGA进行调优还必须理解SGA所包含如下几种数据结构：

高速缓存缓冲区(数据库缓冲区)

数据库缓冲区是oracle执行SQL语句的区域。
例如在更新数据时，用户执行的SQL语句不会直接对磁盘上的数据文件进行更改操作，而是首先将数据文件复制到数据库缓冲区缓存(就是说数据库缓冲区里会存放着SQL相关数据文件副本)，再更改应用于数据库缓冲区缓存中这些数据块的副本。而且数据块副本将在缓存中保留一段时间，直至其占用的缓冲区被另一个数据库覆盖为止(缓冲区Size有限)。

在查询数据时，为了提高执行效率，查询的数据也要经过缓存。建立的Session会计算出那些数据块包含关键的行，并将它们复制到数据库缓冲区中进行缓存。此后，相关关键行会传输到Session的PGA作进一步处理。这些数据块也会在数据库缓存区缓存中保留一段时间。

一般情况下，被频繁访问的数据块会存在于数据库缓冲区缓存中，从而最大程度地减少对磁盘I/O的需要。

那什么时候会将被更新的数据块副本写入到磁盘中的数据文件呢？
答案就是：如果在缓冲区缓存中存储的数据块与磁盘上的数据块不同时，那么这样的缓冲区常称为”脏缓冲区”，脏缓冲区中的数据块副本就必须写回到磁盘的数据文件中。

调优：数据库缓冲区缓存的大小会对性能产生至关重要的影响，具体需要多大的Size才能成为最佳配比还要结合实际的生产环境而言。总体而言可以依据以下两点基本要求来判断：
1. 缓存应足够大，以便能缓存所有被频繁访问的数据块。如果缓存过小，那么将导致磁盘I/0活动过多，因为频繁访问的数据块持续从磁盘读取，并由其他数据块使用和重写，然后再从磁盘读取。
2. 但也不能太大，以至于它会将极少被访问的块也一并加入到缓存中，这样会增长在缓存中搜索的时间。

数据库缓冲区缓存在Instance启动时被分配。从数据库9i开始，可以随时将其调大或调小。可以采用手动方式重调，也可以根据工作负荷自动重调大小(事务)。
修改缓冲区DB_CACHE_SIZE地方法：

#Step1. 查看SGA的大小：因为DB_CACHE_SIZE的size受SGA的影响
SQL> show parameter sga_max_size;
NAME                     TYPE    VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
sga_max_size                 big integer 2G#Step2. 查看show parameter shared_pool_size的大小
SQL> show parameter shared_pool_size;                   NAME                     TYPE    VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
shared_pool_size             big integer 0#Step3. 计算DB_CACHE_SIZE的大小：shared_pool_size + db_cache_size = SGA_MAX_SIZE * 70%#Step4. 修改DB_CACHE_SIZE的大小
SQL> alter system set db_cache_size=1433M scope=spfile sid='demo';System altered.SQL> conn sys /as sysdba
Enter password: ********
Connected.
SQL> shutdown immediate
Database closed.
Database dismounted.
ORACLE instance shut down.
SQL> startup
ORACLE instance started.Total System Global Area 2147483648 bytes
Fixed Size          2022144 bytes
Variable Size         503317760 bytes
Database Buffers     1627389952 bytes
Redo Buffers           14753792 bytes
Database mounted.
Database opened.SQL> show parameter db_cache_size

日志缓冲区

日志缓冲区是小型的、用于短期存储将写入到磁盘上的重做日志的变更向量的临时区域。主要作用是提供更加快的日志处理效率。

共享池

共享池的大小也对性能产生重要影响
1. 它应该足够大，以便缓存所有频繁执行的代码和频繁访问的对象定义。如果共享池过小，则性能下降，因为服务器会话将反复抢夺其中的空间来分析语句，此后，这些语句会被其他语句重写，在重新执行时，将不得不再次分析。如果共享池小于最优容量，则性能将下降。但有一个最小容量，如果低于此限度，则语句将失败。
2. 但也不能过大，以至于连仅执行一次的语句也要缓存。过大的共享池也会对性能产生不良影响，因为搜索需要的时间过长。

确定最优容量是一个性能调整问题，大多数数据库都需要一个数百MB的共享池。有些应用程序需要1GB以上的共享池，但很少有应用程序能够在共享池小于100MB时充分运行。共享池内有下列三种数据结构：

  • 库缓冲：存储最近执行的代码
  • 数据字典缓存：存储最近使用的对象定义
  • PL/SQL缓冲区：存储的PL/SQL对象是过程、函数、打包的过程、打包的函数、对象类型定义和触发器。

手动的调整共享池的大小：

select COMPONENT,CURRENT_SIZE,MIN_SIZE,MAX_SIZE from v$sga_dynamic_components;   //显示可以动态重设大小的SGA组件的当前最大和最小容量ALTER SYSTEM SET SHARED_POOL_SIZE = 110M;

其他结构

这里暂时不做详细介绍。
大型池
主要用途是供共享的服务器进程使用。
JAVA池
只有当应用程序需要在数据库中运行java存储程序时，才需要java池。

进程结构

进程结构主要有后台进程和用户连接进程两大类。

用户连接进程

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用户连接进程是连接用户和Oracle Instance的桥梁。只有在User与Instance建立了连接以后，User才能够对Oracle Server进行操作。

用户连接进程 = 用户进程 + 服务进程 + PGA

用户进程User Process

当一个Database User请求连接到Oracle Server时，Oracle Server会创建User Process。
User Process的作用：

  • 为Database User与Server Process建立连接
  • 并不会直接与Oracle Server交互

connect连接：是User和Server Process之间的通信通道。

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Server Process服务进程

用于处理Database User和Oracle Server之间的连接。
当一个User与User Process建立了一个connect后，Oracle Server会创建一个Server Process。然后再由User Process与Server Process建立了连接之后，Server Process会通过用户提交的请求信息来确定与oracle instance建立一个会话。
Server Process的作用：

  • 与Oracle Server直接交互
  • 复制执行和返回结果

Session会话：一个用户通过User Process(本质是通过Server Process)与Oracle Instance建立连接后称之为一个会话，一个用户可以建立多个会话，即同时使用同一个用户可以多次的连接到同一个实例，也就是说多个session可以使用同一个connect。

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程序全局区PGA

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PGA：Oracle Server Process分配来专门用于当前User Session的内存区。该区域是私有的，不同的用户拥有不同的PGA。

PGA包含了Server Process数据和控制信息的内存区域。，由下列3个部分组成：
1. 栈空间：存储Session的变量、数组等的内存空间。
2. Session Info：如果运行的不是多线程服务器，会话信息将保存在PGA中，如果是多线程服务器，则保存在SGA中。
3. 私有SQL区：用来保存绑定变量(binding variables)和运行时缓冲区(runtime buffers)等信息。

Oracle的connect连接和session会话与User Process紧密相关

注意：在RDBMS中由db\_name和instance\_name共同确定一个Database，所以Instance_name被用于Oracle与OS之间的联系同时也被用于Oracle Server与外部连接时使用。

所以在User提交连接请求的时候，User Process首先会与Server Process建立Connect，然后Server Process会通过请求中所包含的db\_name和Instance\_name来确定需要且可以被连接的数据库(RDBMS可以存在多个数据库)，这样就确保了RDBMS在拥有多个数据库的情况下，还能够保证每一个Database的独立性。而且同一个Database可以被多个属于这个Databse的不同用户发起的Instance连接。这一个功能是非常有必要的，因为每一个不同的数据库中都包含有同名的sys、system等系统用户。

后台进程

后台进程主要是完成数据库管理任务 ，后台进程是Oracle Instance和Oracle Database的联系纽带，分为核心进程和非核心进程。
1. 核心进程：核心进程，必须存在，有一个终止，所有数据库进程全部终止，实例崩溃！其中五大进程全都是核心进程。
2. 非核心进程：完成数据库的额外功能，非核心进程死亡数据库不会崩溃！

常用的核心进程：
这里写图片描述

在用户访问数据库时，首先会提交请求，再分配SGA内存，创建并启动后台进程和实例，最后建立连接和会话。Oracle Server运行过程中必须启动上面的前五个进程。否则实例无法创建。

查看后台进程：

SQL>select name,description from v$bgprocess where paddr<>'00';NAME  DESCRIPTION
----- ----------------------------------------------------------------
PMON  process cleanup
PSP0  process spawner 0
MMAN  Memory Manager
DBW0  db writer process 0
LGWR  Redo etc.
CKPT  checkpoint
SMON  System Monitor Process
RECO  distributed recovery
CJQ0  Job Queue Coordinator
QMNC  AQ Coordinator
MMON  Manageability Monitor ProcessNAME  DESCRIPTION
----- ----------------------------------------------------------------
MMNL  Manageability Monitor Process 2

数据库写入进程(DBWn)

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Server process连接Oracle后，通过数据库写进程(DBWn)将数据缓冲区中的“脏缓冲区”的数据块写入到存储结构(数据文件、磁盘文件)

Database writer (DBWn)数据库写进程：
只做一件事，将数据写到磁盘。就是将数据库的变化写入到数据文件。
该进程最多20 个，即使你有36 个CPU 也只能最多有20 个数据库写进程。
进程名称DBW0-DBW9 DBWa-DBWj
注意：数据库写进程越多，写数据的效率越高。该进程的个数应该和cpu的个数对应，如果设置的数据库写进程数大于CPU 的个数也不会有太明显的效果，因为CPU 是分时的。

检查点(CKPT)

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Checkpoint (CKPT)检查点进程：
主要用户更新数据文件头，更新控制文件和触发DBWn数据库写进程。
Ckpt 进程会降低数据库性能，但是提高数据库崩溃时，自我恢复的性能。我们可以理解为阶段性的保存数据，一定的条件满足就触发，执行DBWn存盘操作。

进程监视进程(PMON)

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Process monitor (PMON)进程监测进程：
PMON在后台进程执行失败后负责清理数据库缓存和闲置资源，是Oracle的自动维护机制。

  • 清除死进程
  • 重新启动部分进程（如调度进程）
  • 监听的自动注册
  • 回滚事务
  • 释放锁
  • 释放其他资

系统监视进程(SMON)

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System monitor (SMON)系统监测进程：
SMON启动后会自动的用于在实例崩溃时进行数据库实例自动恢复。
清除作废的排序临时段，回收整理碎片，合并空闲空间，释放临时段，维护闪回的时间点。
在老数据库版本中，当我们大量删除表的时候，会观测到SMON进程很忙，直到把所有的碎片空间都整理完毕。

重做日志文件和日志写入进程

这里写图片描述

主要用于记录数据库的改变和记录数据库被改变之前的原始状态，所以应当对其作多重备份，用于恢复和排错。

激活LGWR的情况：

  • 提交指令
  • 日志缓冲区超过1/3
  • 每三秒
  • 每次DBWn执行之前

归档进程(ARCn)

归档进程(ARCn)是非核心进程。
这里写图片描述

存储结构

Oracle RDBMS存储结构主要由Database组成。
这里写图片描述

又能够将Database分为物理结构和逻辑结构来理解。

物理结构

Database物理结构：是Database在操作系统中的文件集合，即：磁盘上的物理文件，主要由数据文件、控制文件、重做日志文件、归档日志文件、参数文件、口令文件组成。

Data Files

数据文件是数据的存储仓库。
• 包括所有的数据库数据
• 只能属于一个数据库
• 来自于被称为”表空间”的数据库存储逻辑单元
• 可以直接被读进内存，在执行SQL语句的时候，会将相关的数据文件副本加载如数据缓冲区。
• 通过备份策略可以使数据文件得到保护

Redo Log Files

重做日志文件包含对数据库所做的更改操作记录，在Oracle发生故障时能够恢复数据。
能够恢复数据的原理：重做日志文件会按时间的顺序，将应用于数据库的一连串的变更向量(做了什么操作)存储起来(即将变更的地方标记起来)。其中包含了所有已经完成操作的信息和完成操作之前的数据库状态。如果数据文件受损，就可以将这些变更向量应用于数据文件备份来进行重做(重建)工作，将它恢复到发生故障的那一刻前的状态。重做日志文件又分为下面两种类型：

  • 联机重做日志文件：记录连续的数据库操作
  • 归档日志文件Archived Log Files：用于时间点恢复，当RedoLogFiles存满时，会对这些日志进行归档备份，以便以后还原数据时使用。
    • 查看redo log info：
SQL> select member from v$logfile;    # v$logfile数据字典，记录了redolog文件的列表 MEMBER
--------------------------------------------------------------------------------/u01/oradata/demo/redo03.log/u01/oradata/demo/redo02.log/u01/oradata/demo/redo01.log

Control Files

控制文件包含维护和验证数据库完整性的必要的信息。
它记录了联机重做日志文件、数据文件的位置、更新的归档日志文件的位置。它还存储着维护数据库完整性所需的信息，如数据库名。控制文件是以二进制型式存储的，用户无法修改控制文件的内容。控制文件不过数MB，却起着至关重要的作用。

Parameter File

实例参数文件，当启动oracle实例时，SGA结构会根据此参数文件的设置内存，后台进程会据此启动。

Password File

用户通过提交username/password来建立会话，Oracle根据存储在数据字典的用户定义对用户名和口令进行验证。

逻辑结构

表空间就是典型的Oracle逻辑结构类型 —— 里面存放着若干的数据文件
表空间：用于存储数据库对象的逻辑空间，表空间是在数据库中开辟的一个空间，用于存放数据库的对象，它是信息存储的最大逻辑单位，是存放数据库文件的地方，其中数据又被存放在表空间中的数据文件中。一个数据库可以由多个表空间组成，Oracle的调优就是通过表空间来实现的。（Oracle数据库独特的高级应用）

表空间的作用：分类管理、批量处理； 将琐碎的磁盘文件整合、抽象处理成为逻辑结构。这样更加便于我们去管理数据库。

逻辑空间到物理空间的映射

段、区和块：
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执行一条写入的SQL语句时在RDBMS中都发生了什么

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1. 将SQL语句加载入数据库缓冲区
2. 将SQL语句要操作的数据文件副本加载入数据库缓冲区
3. 执行SQL语句，修改数据文件副本，形成“脏缓冲区”
4. CKPT检测到“脏缓冲区”，调用DBWn
5. 在DBWn运行之前，先运行了LGWR，将数据文件的原始状态和数据库的改变记录到Redo Log Files
6. 运行DBWn，将“脏缓冲区的内容写入到数据文件”
7. 同时CKPT修改控制文件和数据文件头
8. SMON回收不必要的空闲资源

最后

最后我们举个例子来看看Oracle RDBMS是怎么运作的
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  1. User访问Oracle Server之前提交一个请求(包含了db_name、instance_name、username、password等信息)，Oracle Server接收到请求并通过Password File的验证后，分配SGA内存池，启动后台进程同时创建并启动实例。
  2. 在启动实例之后User Process与Server Process建立Connect。
  3. 再通过Server process和Oracle Instance完成建立Sesscion。
  4. 用户执行SQL语句，由server process接收到并直接与Oracle交互。
  5. SQL语句通过Server Process到达Oracle Instance，再将SQL载入数据库缓冲区。
  6. Server Process通知Oracle Database将与SQL语句相关的数据块副本加载到缓冲区中。
  7. 在数据库缓存区执行SQL语句，并产生”脏缓冲区”。
  8. 由CKPT检查点进程检查到”脏缓冲区”，并调用DBWn数据库写进程，但在DBWn执行之前，应该由LGWR先将数据文件的原始状态、数据库的改变等信息记录到Redo Log Files。
  9. 将更新的内容写入到磁盘中的数据文件。
  10. 返回结果给用户

这篇关于Oracle架构_数据库底层原理、机制 (授人以渔)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/612627。

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