oracle数据库体系架构详解

在学习oracle中，体系结构是重中之重，一开始从宏观上掌握它的物理组成、文件组成和各种文件组成。掌握的越深入越好。在实际工作遇到疑难问题，其实都可以归结到体系结构中来解释。体系结构是对一个系统的框架描述。是设计一个系统的宏观工作。这好比建一栋大楼。你首先应该以图纸的方式把整个大楼的体系架构描述出来。然后一点点的往里面填充东西。下面我们先以一个图解的方式对oracle体系结构有一个基本了解

 

 

根据示图，便于我们记忆，示图分三部分组成，左侧User Process、Server Process、PGA可以看做成Clinet端，上面的实例(Instance)和下面的数据库(Database)及参数文件(parameter file)、密码文件(password file)和归档日志文件(archived logfiles)组成Oracle Server，所以整个示图可以理解成一个C/S架构。 Oracle Server由两个实体组成：实例(instance)与数据库(database)。这两个实体是独立的，不过连接在一起。在数据库创建过程中，实例首先被创建，然后才创建数据库。在典型的单实例环境中，实例与数据库的关系是一对一的，一个实例连接一个数据库，实例与数据库也可以是多对一的关系，即不同计算机上的多个实例打开共享磁盘系统上的一个公用数据库。这种多对一关系被称为实际应用群集(Real Application Clusters，RAC)RAC极大提高了数据库的性能、容错与可伸缩性(可能耗费更多的存储空间)并且是oracle网格(grid)概念的必备部分。

下面我们来详细看一下oracle数据库的体系架构

Oracle体系架构主要有两大部分组成：数据库实例(Instance)和数据库文件(database)

数据库实例

指数据库服务器的内存及相关处理程序，它是Oracle的心脏。与Oracle性能关系最大的是SGA(System Global Area，即系统全局区活共享内存区)，SGA包含三个部分：

1、数据缓冲区，可避免重复读取常用的数据;

2、日志缓冲区，提升了数据增删改的速度，减少磁盘的读写而加快速度;

3、共享池，使相同的SQL语句不再编译，提升了SQL的执行速度。

oracle数据库实例的另一部分就是一些后台进程了，他主要包括：

1.系统监控进程

2.进程监控

3.数据库写进程

4.日志写进程

5.检验点进程

6.其他进程

这些后台进程合起来完成数据库管理任务

在访问数据库的时候。器后台先启动实例。启动实例前要先分配内存区。然后在启动后台进程。数据库启动过程中必须启动上面的前五个进程。否则实例无法创建。

注意：在启动oracle数据库的时候。因为有些进程是在开机启动项中自动启动的。所以占用了很大一部分内存。如果您电脑上还有一些其他占用内存比较大的程序。在启动oracle数据库的时候有可能会因内存不足而启动失败。

Oracle服务器

Oracle服务器包括两部分：数据库实例和数据库文件。他们构成了也就是所谓的数据管理系统(DBMS)

 

 

物理结构：oracle的物理结构指的其实就是一些存在硬盘上的各种文件。其最终目的就是存储和获取相关数据。这些存在硬盘上的文件组成了oracle数据库的物理结构

Oracle中主要包括三种文件：

1.数据文件

2.控制文件

3.重做日志文件

参数文件和密码文件：

参数文件：定义了数据库实例的特性，他是正文文件

密码文件：授予用户启动和关闭数据库的实例。主要有二进制数据组成

Oracle数据库的内存结构：SGA和PGA

SGA:数据库实例的一部分。数据库实例的启动会首先分配系统全局区(SGA)

1.共享池：共享sql和pl/sql代码，即把解析的sql代码在这里缓存，PL/SQL不仅缓存还共享。这样大大提高了直接访问磁盘获得sql的速度。

1)库高速缓存：存储最近使用过的sql语句。利用LRU(最近最少使用)算法来管理缓存。最近最少使用算法是一种比较常用的算法。在这里当库高速缓存接近满的时候。它会把缓存中最近最少使用的数据清除缓存中。加入新的缓存sql。

查看共享池的大小使用参数shared_pool_size

Sql>show parameter shared_pool_size

设置共享池大小

Sql>alter system set shared_pool_size=16M

注：在下面的的内容中。如果提到有关参数。如没有特殊说明。设置和查看参数值都是用以上类似方法。以后就不在重复了。并且这些参数必须是在以系统管理员system登陆时才能查看和修改。用类似scott用户是不能查看和修改的。

Oracle提供了DB_CACHE_SIZE(数据库大小)和DB_BLOCK_BUFFERS(数据库块个数)设置库高速缓存的大小，即为两者的成绩。

2)数据字典高速缓存

存储数据文件、表、索引、列、用户、权限信息和其他一些数据库对象的定义。把相关的数据字典信息放入缓存来提高查询的响应时间。其大小取决于共享池的大小。

2.数据库高速缓存

存储了最近从数据文件读入的数据块信息或用户更改后需要写回数据库的数据信息。内存读取比磁盘读取的速度快的多。提高了访问速度。这里的存取也采用了LRU(最近最少使用)算法。

Oracle数据库引入了缓冲区顾问参数(Buffer cache advisory parameter)用于启动和关闭统计信息。这些信息用于预测不同缓冲区的大小导致的不同行为特性。三种状态：OFF:ON:READY

设置顾问缓存为开启状态后。可以通过动态性能视图：v$db_cache_advice查看缓冲区的建议信息

3.重做日志缓存

在执行insert、update等操作后。数据发生了改变。这些变化的数据在写入数据库高速缓存前会先写入重做日志缓冲区。包括变化之前的数据。可以通过初始化参数log_buffer查看它的大小。此参数为静态参数，不能修改。

4.大池和java池

大型池(Large Pool)

在SGA中大型池是可选的缓冲区。它可以根据需要有管理权进行配置。它可以提供一个大的区以供象数据库的备份与恢复等操作。

在以下几种情形下会启用：

一，backup 和 restore 操作的时候

二，当启动UGA, I/O slaves的时候

三，设置MTS服务器的时候，用户信息的存放也使用到Large Pool

可以使用以下命令进行更改Large Pool的大小：

ALTER SYSTEM SET Large_Pool_Size = 64m;

Java池用于编译java语言编写的指令。通过java_pool_size查看和修改大小。大小由数据库在SGA自动分配和管理。所以查看的时候值为0;

Oracle的连接和会话

连接 (connection)与会话 (session)这两个概念均与用户进程 (user process)紧密相关，但二者又具有不同的含义。

连接 ：用户进程和 Oracle 实例间的通信通道(communication pathway)。这个通信通道是通过进程间的通信机制(interprocess communication mechanisms)(在同一个计算机上运行用户进程和 Oracle 进程)或网络软件(network software)(当数据库应用程序与 Oracle 服务器运行在不同的计算机上时，就需要通过网络来通信)建立的。

会话 ：用户通过用户进程与 Oracle 实例建立的连接[此处连接与上文中的连接含义不同 ，主要指用户和数据库间的联系 ]。例如，当用户启动 SQL*Plus 时必须提供有效的用户名和密码，之后 Oracle 为此用户建立一个会话。从用户开始连接到用户断开连接(或退出数据库应用程序)期间，会话一直持续。

Oracle 数据库中的同一个用户可以同时创建多个会话。例如，用户名/密码为的SCOTT/TIGER 用户可以多次连接到同一个 Oracle 实例。

当系统没有运行在共享服务模式下时，Oracle 为每个用户会话创建一个服务进程(server process)。而当系统运行在共享服务模式下时，多个用户会话可以共享同一个服务进程。

一、Oracle的逻辑结构

Oracle的逻辑结构是一种层次结构。主要由：表空间、段、区和数据块等概念组成。逻辑结构是面向用户的，用户使用Oracle开发应用程序使用的就是逻辑结构。数据库存储层次结构及其构成关系,结构对象也从数据块到表空间形成了不同层次的粒度关系。

1.数据块（Data Blocks）

数据块是Oracle最小的存储单位，Oracle数据存放在“块”中。一个块占用一定的磁盘空间。特别注意的是，这里的“块”是Oracle的“数据块”，不是操作系统的“块”。

Oracle每次请求数据的时候，都是以块为单位。也就是说，Oracle每次请求的数据是块的整数倍。如果Oracle请求的数据量不到一块，Oracle也会读取整个块。所以说，“块”是Oracle读写数据的最小单位或者最基本的单位。

块的标准大小由初始化参数DB_BLOCK_SIZE指定。具有标准大小的块称为标准块(Standard Block)。块的大小和标准块的大小不同的块叫非标准块(Nonstandard Block)。

操作系统每次执行I/O的时候，是以操作系统的块为单位;Oracle每次执行I/O的时候，都是以Oracle的块为单位。

Oracle数据块大小一般是操作系统块的整数倍。

数据块的格式(Data Block Format)

块中存放表的数据和索引的数据，无论存放哪种类型的数据，块的格式都是相同的，块由块头(header/Common and Variable),表目录(Table Directory),行目录(Row Directory),空余空间(Free Space)和行数据(Row Data)五部分组成，如下图

块头(header/Common and Variable)：存放块的基本信息，如：块的物理地址，块所属的段的类型(是数据段还是索引段)。

表目录(Table Directory)：存放表的信息，即：如果一些表的数据被存放在这个块中，那么，这些表的相关信息将被存放在“表目录”中。

行目录(Row Directory)：如果块中有行数据存在，则，这些行的信息将被记录在行目录中。这些信息包括行的地址等。

行数据(Row Data)：是真正存放表数据和索引数据的地方。这部分空间是已被数据行占用的空间。

空余空间(Free Space)：空余空间是一个块中未使用的区域，这片区域用于新行的插入和已经存在的行的更新。

头部信息区(Overhead)：我们把块头(header/Common and Variable),表目录(Table Directory),行目录(Row Directory)这三部分合称为头部信息区(Overhead)。头部信息区不存放数据，它存放的整个块的信息。头部信息区的大小是可变的。一般来说，头部信息区的大小介于84字节(bytes)到107字节(bytes)之间。

数据块中自由空间的使用

当往数据库中插入(INSERT)数据的时候，块中的自由空间会减少;当对块中已经存在的行进行修改(UPDATE)的时候(使记录长度增加)，块中的自由空间也会减少。

DELETE语句和UPDATE语句会使块中的自由空间增加。当使用DELETE语句删除块中的记录或者使用UPDATE语句把列的值更改成一个更小值的时候，Oracle会释放出一部分自由空间。释放出的自由空间并不一定是连续的。通常情况下，Oracle不会对块中不连续的自由空间进行合并。因为合并数据块中不连续的自由空间会影响数据库的性能。只有当用户进行数据插入(INSERT)或者更新(UPDATE)操作，却找不到连续的自由空间的时候，Oracle才会合并数据块中不连续的自由空间。

对于块中的自由空间，Oracle提供两种管理方式：自动管理，手动管理

行链接和行迁移(Row Chaining and Migrating)

行链接(Row Chaining)：如果我们往数据库中插入(INSERT)一行数据，这行数据很大，以至于一个数据块存不下一整行，Oracle就会把一行数据分作几段存在几个数据块中，这个过程叫行链接(Row Chaining)。如下图所示：

如果一行数据是普通行，这行数据能够存放在一个数据块中;如果一行数据是链接行，这行数据存放在多个数据块中。

行迁移(Row Migrating)：数据块中存在一条记录，用户执行UPDATE更新这条记录，这个UPDATE操作使这条记录变长，这时候，Oracle在这个数据块中进行查找，但是找不到能够容纳下这条记录的空间，无奈之下，Oracle只能把整行数据移到一个新的数据块。原来的数据块中保留一个“指针”，这个“指针”指向新的数据块。被移动的这条记录的ROWID保持不变。行迁移的原理如下图所示：

无论是行链接还是行迁移，都会影响数据库的性能。Oracle在读取这样的记录的时候，Oracle会扫描多个数据块，执行更多的I/O。

块中自由空间的自动管理

Oracle使用位图(bitmap)来管理和跟踪数据块，这种块的空间管理方式叫“自动管理”。自动管理有下面的好处：

◆易于使用

◆更好地利用空间

◆可以对空间进行实时调整

块中自由空间的手动管理

用户可以通过PCTFREE, PCTUSED来调整块中空间的使用，这种管理方式叫手动管理。相对于自动管理，手动管理方式比较麻烦，不容易掌握，容易造成块中空间的浪费。

PCTUSED也是用于设置一个百分比，当块中已使用的空间的比例小于这个百分比的时候，这个块才被标识为有效状态。只有有效的块才被允许插入数据。

PCTFREE参数用于指定块中必须保留的最小空闲空间百分例，默认值为10。之所以要预留这样的空间，是因为UPDATE时，需要这些空间。如果UPDATE时，没有空余空间，Oracle就会分配一个新的块，这会产生行迁移(Row Migrating)。

例如，假定在Create table语句中指定了pctfree为20，则说明在该表的数据段内每个数据块的20%被作为可利用的空闲空间，用于更新已在数据块内存在的数据行其余80%是用于插入新的数据行，直到达到80%为止。显然，pctfree值越小，则为现存行更新所预留的空间越少。因此，如果pctfree设置得太高，则在全表扫描期间增加I/O，浪费磁盘空间；如果pctfree设置得太低，则会导致行迁移。 
pctused参数设置了数据块是否是空闲的界限。当数据块的使用空间低于pctused的值时，此数据块标志为空闲，该空闲空间仅用于插入新的行。如果数据块已经达到了由pctfree所确定的上边界时，Oracle就认为此数据块已经无法再插入新的行。例如，假定在Create table语句中指定pctused为40，则当小于或等于39时，该数据块才是可用的。所以，可将数据块填得更满，这样可节省空间，但却增加了处理开销，因为数据块的空闲空间总是要被更新的行占据，所以对数据块需要频繁地进行重新组织。比较低的pctused增加了数据库的空闲空间，但减少了更新操作的处理开销。所以，如果pctused设置过高，则会降低磁盘的利用率导致行迁移；若pctused设置过低，则浪费磁盘空间，增加全表扫描时的I/O输出。pctused是与pctfree相对的参数。 
那么，如何选择pctfree和pctused的值呢？有个公式可供参考。显然，pctfree和pctused的之和不能超过100。若两者之和低于100，则空间的利用与系统的I/O之间的最佳平衡点是：pctfree与pctused之和等于100%减去一行的大小占块空间大小的百分比。例如，如果块大小为2048字节，则它需要100个字节的开销，而行大小是390字节（为可用块的20%）。为了充分利用空间，pctfree与pctused之和最好为80%。 
那么，怎样确定数据块大小呢？有两个因素需要考虑： 
一是数据库环境类型。例如，是DSS环境还是OLTP环境？在数据仓库环境（OLAP或DSS）下，用户需要进行许多运行时间很长的查询，所以应当使用大的数据块。在OLTP系统中，用户处理大量的小型事务，采用较小数据块能够获得更好的效果。 
二是SGA的大小。数据库缓冲区的大小由数据块大小和初始化文件的db_block_buffers参数决定。最好设为操作系统I/O的整数倍。

（以上摘自http://www.bitscn.com/pdb/oracle/200904/160356.html）

2．数据区（Extent）

是一组连续的数据块。当一个表、回滚段或临时段创建或需要附加空间时，系统总是为之分配一个新的数据区。一个数据区不能跨越多个文件，因为它包含连续的数据块。使用区的目的是用来保存特定数据类型的数据，也是表中数据增长的基本单位。在Oracle数据库中，分配空间就是以数据区为单位的。一个Oracle对象包含至少一个数据区。设置一个表或索引的存储参数包含设置它的数据区大小。

3．段（Segment）

是由多个数据区构成的，它是为特定的数据库对象（如表段、索引段、回滚段、临时段）分配的一系列数据区。段内包含的数据区可以不连续，并且可以跨越多个文件。使用段的目的是用来保存特定对象。 
一个Oracle数据库有4种类型的段： 
数据段：数据段也称为表段，它包含数据并且与表和簇相关。当创建一个表时，系统自动创建一个以该表的名字命名的数据段。 
索引段：包含了用于提高系统性能的索引。一旦建立索引，系统自动创建一个以该索引的名字命名的索引段。 
回滚段：包含了回滚信息，并在数据库恢复期间使用，以便为数据库提供读入一致性和回滚未提交的事务，即用来回滚事务的数据空间。当一个事务开始处理时，系统为之分配回滚段，回滚段可以动态创建和撤销。系统有个默认的回滚段，其管理方式既可以是自动的，也可以是手工的。 
临时段：它是Oracle在运行过程中自行创建的段。当一个SQL语句需要临时工作区时，由Oracle建立临时段。一旦语句执行完毕，临时段的区间便退回给系统。

4．表空间（tablespace）

是数据库的逻辑划分。任何数据库对象在存储时都必须存储在某个表空间中。表空间对应于若干个磁盘文件，即表空间是由一个或多个磁盘文件构成的。表空间相当于操作系统中的文件夹，也是数据库逻辑结构与物理文件之间的一个映射。每个数据库至少有一个表空间（system tablespace），表空间的大小等于所有从属于它的数据文件大小的总和。

（1）系统表空间（system tablespace）

是每个Oracle数据库都必须具备的。其功能是在系统表空间中存放诸如表空间名称、表空间所含数据文件等数据库管理所需的信息。系统表空间的名称是不可更改的。系统表空间必须在任何时候都可以用，也是数据库运行的必要条件。因此，系统表空间是不能脱机的。 
系统表空间包括数据字典、存储过程、触发器和系统回滚段。为避免系统表空间产生存储碎片以及争用系统资源的问题，应创建一个独立的表空间用来单独存储用户数据。

（2）SYSAUX表空间 
是随着数据库的创建而创建的，它充当SYSTEM的辅助表空间，主要存储除数据字典以外的其他对象。SYSAUX也是许多Oracle 数据库的默认表空间，它减少了由数据库和DBA管理的表空间数量，降低了SYSTEM表空间的负荷。

（3）临时表空间 
相对于其他表空间而言，临时表空间（temp tablespace）主要用于存储Oracle数据库运行期间所产生的临时数据。数据库可以建立多个临时表空间。当数据库关闭后，临时表空间中所有数据将全部被清除。除临时表空间外，其他表空间都属于永久性表空间。

（4）撤销表空间 
用于保存Oracle数据库撤销信息，即保存用户回滚段的表空间称之为回滚表空间（或简称为RBS撤销表空间（undo tablespace））。在Oracle8i中是rollback tablespace，从Oracle9i开始改为undo tablespace。在Oracle 10g中初始创建的只有6个表空间sysaux、system、temp、undotbs1、example和users。其中temp是临时表空间，undotbs1是undo撤销表空间。

（5）USERS表空间

用户表空间，用于存放永久性用户对象的数据和私有信息。每个数据块都应该有一个用户表空间，以便在创建用户是将其分配给用户。

 

二、物理结构

Oracle物理结构包含了数据文件、日志文件和控制文件

1.数据文件

每一个ORACLE数据库有一个或多个物理的数据文件(data file)。一个数据库的数据文件包含全部数据库数据。逻辑数据库结构(如表、索引)的数据物理地存储在数据库的数据文件中。数据文件有下列特征： 
一个数据文件仅与一个数据库联系。

一旦建立，数据文件不能改变大小.

一个表空间（数据库存储的逻辑单位）由一个或多个数据文件组成。 
数据文件中的数据在需要时可以读取并存储在ORACLE内存储区中。例如：用户要存取数据库一表的某些数据，如果请求信息不在数据库的内存存储区内，则从相应的数据文件中读取并存储在内存。当修改和插入新数据时，不必立刻写入数据文件。为了减少磁盘输出的总数，提高性能，数据存储在内存，然后由ORACLE后台进程DBWR决定如何将其写入到相应的数据文件。

2.日志文件

每一个数据库有两个或多个日志文件（redo log file）的组，每一个日志文件组用于收集数据库日志。日志的主要功能是记录对数据所作的修改，所以对数据库作的全部修改是记录在日志中。在出现故障时，如果不能将修改数据永久地写入数据文件，则可利用日志得到该修改，所以从不会丢失已有操作成果。 
日志文件主要是保护数据库以防止故障。为了防止日志文件本身的故障，ORACLE允许镜象日志(mirrored redo log)，以致可在不同磁盘上维护两个或多个日志副本。 
日志文件中的信息仅在系统故障或介质故障恢复数据库时使用，这些故障阻止将数据库数据写入到数据库的数据文件。然而任何丢失的数据在下一次数据库打开时，ORACLE自动地应用日志文件中的信息来恢复数据库数据文件。

Oralce两种日志文件类型：

联机日志文件 
这是Oracle用来循环记录数据库改变的操作系统文件

归档日志文件 
这是指为避免联机日志文件重写时丢失重复数据而对联机日志文件所做的备份

Oracle有两种归档日志模式，Oracle数据库可以采用其中任何一种模式：

NOARCHIVELOG 
不对日志文件进行归档。这种模式可以大大减少数据库备份的开销，但可能回导致数据的不可恢复

ARCHIVELOG 
在这种模式下，当Oracle转向一个新的日志文件时，将以前的日志文件进行归档。为了防止出现历史“缺口”的情况，一个给定的日志文件在它成功归档之前是不能重新使用的。归档的日志文件，加上联机日志文件，为数据库的所有改变提供了完整的历史信息。

在Oracle利用日志文件和归档日志文件来恢复数据库时，内部序列号可以起一个向导的作用。

3.控制文件

每一ORACLE数据库有一个控制文件(control file)，它记录数据库的物理结构，包含下列信息类型： 
数据库名； 
数据库数据文件和日志文件的名字和位置； 
数据库建立日期。 
为了安全起见，允许控制文件被镜象。 
每一次ORACLE数据库的实例启动时，它的控制文件用于标识数据库和日志文件，当着手数据库操作时它们必须被打开。当数据库的物理组成更改时，ORACLE自动更改该数据库的控制文件。数据恢复时，也要使用控制文件。

4.参数文件

除了构成Oracle数据库物理结构的三类主要文件外，Oracle数据库还具有另外一种重要的文件：参数文件。参数文件记录了Oracle数据库的基本参数信息，主要包括数据库名、控制文件所在路径、进程等。与旧版本的初始化参数文件INITsid.ora不同，在Oracle10g中还可以使用二进进制服务器参数文件，并且该服务器参数文件在安装Oracle数据库系统时由系统自动创建，文件的名称为SPFILEsid.ora，sid为所创建的数据库实例名。 
SPFILEsid.ora中的参数是由Oracle系统自动管理。如果想要对数据库的某些参数进行设置，则可能过OEM或ALTER SYSTEM命令来修改。用户最好不要用编辑器进行修改。