Oracle中读取数据一些原理研究

文章很多摘录了

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同时基于这篇文章的基础上,补充一些学习要点,如有问题,希望指出探讨.

1 ORACLE体系结构

下图描述了oracle的体系结构。SGA(system global area)是各个进程共享的内存块，Buffer cache用来缓存数据文件的数据块(block)。

2 如何在data buffer中查找数据块

data buffer存在的意义就是为了在内存中进行高速的数据查找和更新,尽量减少磁盘的IO操作, Buffer Cache中存在一个Hash Bucket结构,将数据库中已经读取的数据块放到里面,在从数据库文件中读取到一个数据块后,Oracle会根据这个数据块的文件编号,段编号,数据块号组合到一起通过一个内部的hash算法运算后,会放到不同的hash bucket中,每个Hash Bucket都有一个Hash chain list,保留Buffer Header中的信息,然后通过这个list,把相同hash值的Buffer串起来.结构如图:

 为保护这个结构不受同步更新的破坏,Oracle设计了一个CBC latch的锁结构(Cache Buffers Chains),一个latch保护32的桶(Bucket),所以为了访问hash列表,必须先获得CBC Latch.先获取Latch后,在对Buffer进行操作.

对buffer操作是一个比较耗时的操作，比如从磁盘读取block。由于一个latch管理32个桶，所以对buffer操作时不能继续持有latch。Oracle使用两阶段加latch锁的方式解决这个问题。

1) 加latch锁
2) 查找buffer，并对buffer加pin锁，如果是读取操作则为shared pin，若是写操作，则是exclusive pin
3) 释放latch锁
4) 对buffer进行操作
5) 加latch锁
6) 释放pin锁
7) 释放latch锁

参见下图，一个buffer拥有一个pin锁，每个pin锁对应两个列表，user's list(拥有锁的用户列表)和waiter's list(等待锁的列表)，如果用户等待pin锁的时间超过1秒，则认为出现死锁。buffer和pin锁是一一对应关系。

加上锁保护以后,整体的图

 

所以读取数据块的过程如下,当一个用户进程想要访问一个数据块：

• 根据数据文件号，块号生成hash 值
• 在Hash Table中找到bucket地址
• 获取CBC latch,一个latch保护32个bucket
• bucket有一个指针指向bh(buffer head)
• 根据bh的搜索链表
• 匹配bh里面的内容和要找的
• 匹配到一个bh,给bh加锁buffer pin(共享和独占)
• 释放cbc latch, cbc latch做两件事情:保护链表，保护加buffer pin锁
• 进程根据bh里面的ba地址找内存块
• 找完了，获得cbc latch,在保护下 释放buffer pin锁

利用哈希表管理已经被缓存的data block。为了使得哈希桶上链表尽量短，理想目标是一个链表上最多只有一个buffer，哈希桶的数量一般是data buffer数量的两倍，并把桶分组，每个组对应一个latch，latch用来保护桶中的链表。一个latch保护32个桶。 

虽然和lock相比，latch是轻量级的，但是使用latch也是有比较大的开销的，所以oracle尽量减少latch数量，所以一个latch管理了高达32个桶。

 问题: Oracle如何知道我们需要找的是哪个或者哪些数据块?

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数据库并不知道,根据sql语句执行计划来判断是走索引还是全表扫描

如果是索引,能直接返回块号,如果走全表扫描,数据库知道每个表段最开始的block号.所以我理解从表的第一个block开始寻找.

2粒度

oracle分配内存的单位是granule，一般是16MB。granule中有两种数据，data buffer和buffer header。data buffer是数据文件的data block在内存中的镜像，一个data buffer对应一个data block。buffer header存储了data buffer的状态和一些指向其它buffer header的指针，buffer header和data buffer是一一对应关系。由于指针在不同平台上大小不一样，所以buffer header的大小不固定，一般是150--250字节。

注意，buffer header与buffer header的关系不是block header与block的关系。为什么不把buffer header和data buffer合并在一起？因为把buffer header和data buffer分开，可以使得buffer的地址在一个固定的边界，这样会使得从磁盘读取数据时效率更高。

3 cache的种类

buffer cache中有8个cache，各对应一个参数，见下表。

db_cache_size	system,sysaux,temporary表空间使用
db_keep_cache_size	keep池。定义表或索引使用buffer_pool keep子句时，使用这个池。 意思是这个表和索引需要常驻内存。
db_recycle_cache_size	recycle池。若在定义表或索引以及其它对象时使用buffer_pool recycle子句，则对象的缓存在这个池。意思是这个对象的数据很少被使用，不宜常驻内存。读一致性块的内存也从这个内存池中分配。
db_2k_cache_size db_4k_cache_size db_8k_cache_size db_16k_cache_size db_32k_cache_size db_NK_cache_size	db_NK_cache_size 提供自定义block的选项。db_2k_cache_size用来缓存大小为2K的data block。依次类推，db_32k_cache_size用来缓存大小为32K的data block。另外，8K是oracle默认的block大小。

在buffercache中存在两种链表，write list和LRU链表。LRU链表包含了free buffers(还没有使用的buffer)；pinned buffers(被锁住的buffer，正在执行读写操作)；还没有移到write list的dirty buffers。write list包含了脏块，需要DBWn进程写入到数据文件。

4 LRU算法

4.1 REPL链表

普通LRU算法的实现原理是每访问一个buffer，就把这个buffer移到MRU端。由于在oracle内部，访问buffer的频率非常高，不断的移动buffer在LRU中的位置开销相当大，并且不利于并发。所以oracle对LRU进行了改进。下图是一个buffer pool中的结构，包含两个链表，REPL和REPLAX。链表上的每个buffer header对应一个buffer，每个buffer缓存一个data block。

首先，我们在假设在没有REPLAX链表的情况下，oracle是如何淘汰buffer的。oracle对传统的LRU算法进行了改进。在每个buffer header增加了一个计数器(称为touch count，简称为TCH)和一个时间戳。每次访问buffer后，如果上次更新buffer header的TCH是在3秒之前，则对TCH加1，并把buffer header中的时间戳更新为当前时间。 

oracle为REPL链表增加了一个字段cold_hd，可以理解为cold_hd后面的大部分buffer都是冷块。以下图为例，我们现在读取一个没有被缓存的data block，需要从REPL链表上得到一个buffer来缓存当前的data block。首先从LRU端获取一个buffer，如果是一个冷快(通过TCH来判断)，则使用这个buffer缓存当前的data block，并把这个buffer header移到cold_hd的位置，更新TCH为1；如果是一个热快(通过TCH来判断)，把这个buffer header移到MRU端，并更新TCH为原来的一半，然后继续检查LRU端的buffer是否是一个冷块，直到找到一个冷块为止。

  

  LRU淘汰算法

curr_buffer_header=prv_repl
label1:
while(curr_buffer_header被锁住(pinned))
    curr_buffer_header=curr_buffer_header->prev_buffer
if(curr_buffer_header是dirty块)
    curr_buffer_header=curr_buffer_header->prev_buffer
    把这个buffer移到write list，
    goto lable1
if(curr_buffer_header是热快)
    curr_buffer_header=curr_buffer_header->prev_buffer;
    计数器减半;
    移动到MRU端;
    goto lable1;
else
    移动到cold_hd位置
    更新计数器为1
为data buffer加锁；
从磁盘读取数据，更新buffer header，更新计数器为1;
为data buffer解锁；			

4.2 LRU进一步优化

在REPL中淘汰一个buffer需要很多操作，比如判断是否被锁住，是否是dirty块。相对来说，REPL淘汰一个buffer是一个重量级操作。为此，oracle 增加了另外一个链表REPLAX(replacement list auxilitary)，这个链表里的所有buffer可以立即被淘汰，不用检查是否是dirty buffer、是否被pinned。从REPLAX链表淘汰buffer是轻量级操作。 

oracle启动时，所有buffer header都挂在REPLAX上，随着计数器的增加，这些buffer header会被从REPLAX移到REPL中。当DBWn把dirty块写入到磁盘后，这些buffer会移到到REPLAX。目前为止，我们还不清楚REPLAX和REPL之间的buffer的移动细节。

 

7 全表扫描对LRU的影响

对大表全表扫描时，如果上述改进LRU算法的淘汰策略，会导致所有热快被立即换出。oracle首先会对表大小进行评估，进行大表进行全表扫描时，对大表的buffer采用不同的淘汰策略。

表大小> cache的10%。第一次扫描当作大表来对待，计数器不增加，并且buffer header放入REPLAX链表。如果表数据还在缓存的情况下又进行的全部扫描，则认为这个把这个表当作小表扫描来对待，增加计数器。

表大小> cache的25%。计数器的值不会增加，且表对应的buffer header只会出现在REPLAX链表上。

在create table时，使用cache子句也会影响buffer的淘汰侧路。cache子句包括3个选项CACHE、NOCACHE、CACHE和READS。CACHE适用于经常被访问的小表，NOCACHE适用于大表和访问频次低的表，CACHE READS适用于包含LOB的表。