Oracle体系结构

Oracle的体系结构大致上分为两部分：Instance（实例）和Database（数据库）。

如图1所示：

图1 Oracle 数据库体系结构

咱们平时说的Oracle Server（Oracle服务器）就是由 Oracle Instance 和 Oracle Database 组成的，如图2：

图2 Oracle Server

Oracle Instance

Instance中主要包含 SGA 以及一些 Backgroud Process （后台进程）（例如：PMON、SMON、DBWR、LGWR、CKPT等）。

SGA

SGA包含6 个基本组件：Shared Pool（Library Cache,Data Dictionary Cache）、Database Buffer Cache、Redo Log Buffer、Java Pool、Large Pool、stream pool。

下面将分别介绍这6个基本组件的功能。

1） shared pool

• 共享池是对 SQL、PL/SQL 程序进行语法分析、编译、执行的内存区域。

• 共享池由 Library Cache（库缓存）、Data Dictionary Cache（数据字典缓存）和 Server Result Cache（结果缓存）等组成。

它们分别都有哪些做用呢？

• Library Cache： SQL 和 PL/SQL 的解析场所，存放着通过编译解析后的SQL和PL/SQL语句的内容，以备全部用户共享。
  
  * 若是下次再执行一样的 SQL 语句的时候，就不须要解析了，当即从 Library Cache 获取执行。
  
  * Library Cache的 SIZE 会决定着编译解析 SQL 语句的频度，从而决定了性能。
  
  * Library Cache中又包含两部份内容：Shared SQL Area和Shared PL/SQL Area。

• Data Dictionary Cache： 存放重要的数据字典信息，以备数据库使用。
  
  * Data Dictionary是使用最频繁的，几乎全部的操做都须要到数据字典去查询。为了提升访问Data Dictionary的速度，此时须要一个Cache，须要的时候访问内存便可。
  
  * Data Dictionary Cache里面的信息包含了Database Files、Tables、Indexes、Columns、Users、Privileges和其余的数据库对象。

• Server Result Cache: 存放服务器端的 SQL 结果集及 PL/SQL 函数返回值。

看了上面的讲解，或许会以为有些抽象，下面将经过一个例子进行讲解。

假设在客户端提交一个命令，以下：

SELECT ename，sal FROM emp WHERE empno=7788;

若是数据库是第一次被提交这条语句，则须要进行解析，解析过程分为硬解析和软解析。

• 硬解析：检查语法、语义、权限，分析绑定变量等，最终生成一个执行计划；
• 软解析：依据执行计划去具体执行它。如果select语句，执行完后还会返回结果集，如果update、delete语句则无需返回结果集。

Library Cache会把这条 sql 语句和执行计划装入其中。
装入这些东西有什么做用呢？
下次再敲一摸同样（标点符号、大小写、空格彻底一致）的语句时，就不须要硬解析了。
 
小问答：
若是此时客户端再提交一条命令：

select ename，sal from emp where empno=7788；

猜想一下，这条语句须要被解析吗？
答案：须要。
 
小说明：注意哦，语句必须彻底同样才不须要解析哦。标点符号、大小写、空格等都要彻底一致哦！平时规范书写的好处在这里就体现啦。

前面有说到，如果 select 语句，执行完后还会返回结果集。那结果集存放在哪里呢？

select ename，sal from emp where empno=7788；

该语句执行返回的结果集将存放在 Server Result Cache 中。

2） Database Buffer Cache

• Database Buffer Cache用于存储从磁盘数据文件中读入的数据，为全部用户共享。
• Server Process（服务器进程)将读入的数据保存在数据缓冲区中，当后续的请求须要这些数据时能够在内存中找到，则不须要再从磁盘读取。

小说明：逻辑读（从内存读）的速度是物理读（从磁盘读）的1万倍呦，因此仍是想办法尽可能多从内存读哦。
因此，数据缓冲区的大小对数据库的读取速度有直接的影响。

例如用户访问一个表里面的记录时，数据库接收到这个请求后，首先会在Database Buffer Cache中查找是否存在该数据库表的记录，若是有所需的记录就直接从内存中读取该记录返回给用户（有效提高了访问的速度），不然只能去磁盘上去读取。

继续看上面的例子：

select ename，sal from emp where empno=7788；

该条语句以及它的执行计划被放在Library Cache里，但语句涉及到的数据，会放在 Database Buffer Cache 里。

小问答：
Database Buffer Cache是怎么工做的呢？
 
这就要说一说Database Buffer Cache的设计思想了。
磁盘上存储的是块（block），文件都有文件号，块也有块号。
若要访问磁盘上的块，并非CPU拿到指令后直接访问磁盘，而是先把块读到内存中的Database Buffer cache里，生成副本，查询或增删改都是对内存中的副本进行操做。如图3所示。
另外，若是是增删操做，操做后会造成脏块，脏块会在恰当时机再写回磁盘原位置，注意哦，可不是马上写回呦。
 
也许你会问，为何不马上写回呢？
由于:
（1）减小物理IO；
（2）可共享，若后面又有对该块的访问，可直接在内存中进行逻辑读。

图3 访问数据块

小问答：
为何要经过内存访问数据块，而不是CPU直接访问磁盘呢？
答：由于相较于CPU，IO的速度实在是太慢了，CPU的速度是IO 的100万倍呢？若是CPU直接访问磁盘的话，会形成大量的IO等待，CPU的利用率会很低。因此，利用速度至关的内存（CPU速度为内存的100倍）作中间缓存，能够有效减小物理IO，提升CPU利用率。

可是，这里会有一个问题。前面说到查询或增删改都是对内存中的副本进行操做，当增删改操做产生脏块时不会马上写回磁盘。

小问答：
咱们设想一下，若是在 Database Buffer Cache 中存放大量将来得及写回磁盘的脏块时，忽然出现系统故障（好比断电），致使内存中的数据丢失。而此时磁盘中的块存放的依然是修改前的旧数据，这样岂不是致使前面的修改无效？
要怎样保持事务的一致性呢？
答：若是咱们可以保存住提交的记录，在 Database Buffer Cache 中一旦有数据更改，立刻写入一个地方记录下来，不就能够保证事务一致性了嘛。

小说明：Instance在断电时会消失，Instance在内存中存放的数据将丢失。这就须要 Redo Log Buffer 发挥它的做用啦。

3）Redo Log Buffer

• 日志条目（Redo Entries ）记录了数据库的全部修改信息(包括 DML 和 DDL）,一条Redo Entries记录一次对数据库的改变 ，为的是数据库恢复。日志条目首先产生于日志缓冲区。
• 日志缓冲区较小，它是以字节为单位的，它极其重要。
• 在Database Buffer Cache中一旦有数据更改，立刻写入Redo Log Buffer，Redo Log Buffer在内存中保留一段时间后，会写入磁盘，而后归档（3级结构）。

4）Large Pool（可选）

• 为了进行大的后台进程操做而分配的内存空间，与 shared pool 管理不一样，主要用于共享服
  务器的 session memory，RMAN 备份恢复以及并行查询等。

5）Java Pool(可选）

• 为了 java 虚拟机及应用而分配的内存空间，包含全部 session 指定的 JAVA 代码和数据。

6）Stream Pool（可选）

• 为了 stream process 而分配的内存空间。stream 技术是为了在不一样数据库之间共享数据，
  所以，它只对使用了 stream 数据库特性的系统是重要的。

Background process

在正式介绍 Background Process 以前，先简单介绍 Oracle 的 Process 类型。

Oracle Process 有三种类型：

• User Proces
  客户端要与服务器链接，在客户端启动起来的进程就是 User Process，通常分为三种形式（sql*plus, 应用程序，web 方式（OEM））。
• Server Process
  User Process 不能直接访问 Oracle，必须经过相应的 Server Process 访问实例，进而访问数据库。
  用户登陆到 Oracle Server 就是 User Process 和 Server Process 创建Connection。
• background process
  Oracle Instance的重要组成部分。接下来会对其作详细讲解。

小补充：
Connection & Session
Connection是指一个Oracle的客户端和后台和后台的进程（Server Process）创建的TCP链接。如图4所示：

图4 Connection

Connection 创建过程可简单描述以下：

1.首先创建 TCP 链接，Oracle 对用户的身份进行认证、进行安全审计等等;
2.当这些都经过后, Oracle 的 Server Process 才会容许客户端使用Oracle提供的服务;
3.当 Oracle 的链接创建起来之后，就意味着开始了一个 Session (会话)，当链接断开的时候这个会话就消失了。

Session 是和 Connection 相辅相成的。Session信息会存储在 Oracle 的 Data Dictionary 中。
可经过图5直观看出 Connection 和 Session 的区别。

图5 Connection & Session

Background Process（后台进程）主要包括：SMON（系统监控器进程 ）、PMON（进程监控器进程）、DBWR（ 数据库写入程序进程）、LGWR（日志写入程序进程）、CKPT（检查点进程）。

1）PMON（Process Monitor）

PMON的主要做用以下：

• 监控各个Oracle后台进程是否正常，发现异常的进程将其清除掉，从新生成该进程。
  （说明：当用户进程断掉时，Server Process 留着就没用了，可是还占着空间，PMON 会定时检查 Server Process ，若是和 User Process 链接不上了，PMON 会把 Server Process 收回，把 PGA 空间收回，里面的锁也收回。）
• 监控空闲会话是否到达阀值。
• 动态注册监听。

2）SMON（System Monitor）

SMON的主要做用以下：

• 当Oracle运行时忽然宕机，下次启动须要实例恢复（Instance Recovery），SMON负责实例恢复的全程监控；
• 当Oracle运行时忽然宕机，在下一次启动Oracle Instance的时候，它里面一些没有释放的资源会由SMON进行清理；
• 一些事务失败的时候也由SMON进行清理；
• 内存空间很分散（不连续）时须要SMON将这个分散的空间整合起来；
• 释放再也不使用的临时段（Segment）。

3）DBWR（Database Writer）

DBWn是Oracle中工做最繁重的进程。主要做用以下：

• 将 Database Buffer Cache 中的脏块（Dirty Buffer）写到 Data File 中。
• 释放Data Buffer Cache空间。

小说明：
若是数据库的负荷比较大，来自于客户端的请求比较多，存在大量的IO操做，须要频繁的将缓冲区的内容写到磁盘文件上，那么这时就能够配置多个DBWn（一共Oracle支持20个DBWn，DBW0-DBW9,DBWa-DBWg）。一般一个中小型的Oracle只须要一个DBW0 Process就能够了。

注意：如下几种状况发生时，都会触发DBWR Process将 Database Buffer Cache 的内容写到Data Files ：

• Checkpoint Occurs
• Dirty Buffer reach threshold
• There are no free Buffers
• Timeout occurs
• RAC ping request is made
• Tablespace OFFLINE
• Tablespace READ ONLY
• Table DROP or TRUNCATE
• Tablespace BEGIN
• BACKUP

小补充：
服务器进程对数据文件执行读操做，而 DBWR 负责对数据文件执行写操做。

小问答：
Commit 时 DBWR 有何动做？
答：什么也不作！

4）LGWR（（LOG Writer））

Oracle Instance中只有一个LGWR Process，这个Process的工做和DBWR Process相似。主要做用以下：

• 将 Redo Log Buffer 中的内容写入到 Redo Log Files 中（必须在 DBWR 写脏块以前写入日志）。
  （Redo Log Buffer 是一个循环的Buffer，对应的 Redo Log Files 也是一个循环的文件组，从文件头开始写，当文件写满了，又会从文件头开始写，会把前面的内容覆盖掉，为了不将 Redo Log Files 覆盖掉能够选择将其写入到 Archived Redo Log Files 中。）

注意：如下几种状况发生时，都会触发LGWR Process将 Redo Log Buffer 中的内容写到 Redo Log Files ：

• At Commit
• When one-third full
• When there is 1 MB of redo
• Every three seconds
• Before DBWn writes

怎么保证提交的事务永久保留呢？
答：已执行update操做为例 。
1. 当写提交语句的时候，修改已经写到 Redo Log Buffer 里了；
2. 当看到返回提交成功时，说明修改已经写到磁盘 Redo Logfile 里了;
3. 因此提交成功后，改动已经同步到磁盘了，不会丢了。

5）CKPT（Checkpoint）

CKPT的主要做用以下：

• 生成检查点， 通知或督促 DBWR 写脏块;
  *彻底检查点：保证数据一致性。
  *增量检查点：不断更新控制文件中的检查点位置，当发生实例崩溃时，能够尽可能缩短实例恢复的时间。
• 在Data File的在文件头更新检查点信息;
• 在Control File中更新检查点的信息。

6）ARCn（Archiver）

• ARCn是一个可选的后台进程（几乎可看做必选进程）。
• Oracle能够运行在两种模式下：ARCHIVELOG MODE（归档模式）、NOARCHIVELOG MODE（非归档模式）。DBA 必须作出的一个重要决策是，配置数据库在ARCHIVELOG模式下运行，仍是在NOARCHIVELOG模式下运行。
• 联机重作日志文件填满后，oracle实例开始写入下一个联机重作日志文件。从一个联机重作日志文件切换到另外一个联机重作日志文件的过程称为日志切换。

ARCn的主要做用以下：

当Oracle运行在归档模式时

• ARCn进程在每次进行日志切换时都会开始对已填满的日志组进行备份或归档。
• ARCn进程会在能够从新使用日志以前自动归档重作日志文件，所以会保留对数据库所作的全部更改。这样，即便磁盘驱动器损坏，也能够将数据库恢复到故障点。

经过上面的学习，先把图1更新以下：

图6 Oracle 数据库体系结构

Database

Database 其实就是由一堆物理文件组成的，主要是用于存储数据，Database 中主要包含三种类型的文件：Data Files、Control Files、Redo Log Files。
另外还有Parameter File、Password File、Achieved Log Files等。

1）Data Files（数据文件）

• Data Files 就是用于存储数据的，Table 中的数据都是保存在 Data Files 中的。

2）Control Files（控制文件）

• Oracle为了操做Data File，提供了一些 Control Files，这些 Control Files 主要是记录数据库的一些控制信息。

3）Redo Log Files（重作日志文件）

• Redo Log Files 记录着数据库的改变，若是向数据库中放入数据或者是修改里面的数据，只要对数据库做了修改，那么就要将修改以前的状态、修改以后的状态都记录在 Redo Log Files 中，其做用就是恢复Data File。
  * 例如：数据库有一个事务须要提交，可是提交失败了，事务就要回滚，那么事务回滚的依据就来自于这个 Redo Log Files。Redo Log Files 中记录着数据库的改变，关于这个事务的改变，若是须要回滚就须要把Redo Log Files中的数据取出来，依照 Redo Log Files 中的数据把 Data Files 恢复到修改以前的状态。

4）Parameter File（参数文件）

• 任何一个数据库都必需要有参数文件，这个参数文件规定了Oracle中的一些基本的参数、初始化的参数的值。

5）Archived Log Files（归档日志文件）

• Archived Log Files 和 Redo Log Files 是相辅相成的，Redo Log Files 实际上是一个反复利用的过程，会有几个（通常为3个）固定的文件，这些固定文件会被依次使用，用满了之后，Oracle就会再次写这个文件头，就把之前的东西冲掉了。为了进一步增强数据库的备份恢复能力，在覆盖以前把这些修改的信息都归档到 Archived Log Files 中。

6）Password File（密码文件）

• 用户客户端链接到后台数据库系统时候存储口令的。

小问答：
Instance 和 Database 的对应关系是怎样的呢？

答：Instance ：Database = n ：1
1个 Instance 只能属于1个数据库，能够多个 Instance 同时访问1个数据库。

小补充：
Oracle 的内存结构（Memory Structure）

Oracle 的 Memory Structure 实际上包含两部份内容：SGA和PGA

SGA（System Global Area系统全局区）

• 一个 Oracle Instance 对应一个SGA，SGA 在Oracle Instance启动的时候被分配，SGA 是Oracle Instance 的基本组成部分。
• 一个 Oracle Instance 仅有一个 SGA，SGA是一个很是大的内存空间，甚至能够占据物理内存的80%。

PGA（Program Global Area程序全局区）

• 一个 Server Process 启动的时候就会分配一个 PGA。在 Oracle Instance 中 PGA 可能会不少。例如启动10个Server Process就会有10个PGA。
• PGA 存放用户游标、变量、控制、数据排序、存放 hash 值。
• 与 SGA 不一样，PGA 是独立的，非共享。是分配给一个进程并归该进程私有的内存区域。