Oracle体系结构和物理结构

下面咱们就具体了解一下Oracle的逻辑结构和物理结构：

一、Oracle逻辑结构 

其他关系的逻辑结构，我感觉都是抽象的，但是，Oracle的逻辑结构不抽象，它是一种层次结构，主要由：表空间(Tablespace)，段(segment)，区(extents)和数据块(blocks)等概念组成，具体如下图所示：

1.1数据块

数据块是Oracle最小的存储单位，Oracle的数据放在数据块中，但是此”数据块“非操作系统的”系统块“，这两个要区分开，一般Oracle数据块的大小是操作系统系统块的整数倍。Oracle每次请求数据的时候，都是以数据块为单位，也就是说，每次请求的数据是块的整数倍，如果请求的数据量不到一块，那么Oracle也会读取整个数据块。

数据块大小是由初始化参数DB_BLOCK_SIZE指定的，符合标准的就是标准块，不符合标准的就是不标准块

SYS@ zxy>col name for a20
SYS@ zxy>col value for a10
SYS@ zxy>select name,value from v$parameter where name='db_block_size';

NAME                 VALUE
-------------------- ----------
db_block_size        8192

SYS@ zxy>

一般情况下：Oracle默认都是8192B，而操作系统的系统块是2048B，Oracle的数据块是由4个操作系统块构成。

数据块中存放数据、索引数据和簇数据等，无论存放那种数据，其结构都是一样的，都是由块头、表目录、行目录、空余空间（又叫做自由空间）、行数据等5部分组成，如下图所示： 

数据块中各个组成部分介绍如下：

• 块头：存放数据块的基本信息，如块的物理地址、块所属的段的类型（索引段还是数据段） 
• 表目录：存放表的信息，如果数据块中存放的是表数据，则表目录中存储有关的表信息
• 行目录：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
• 空余空间：空余空间是一个块中未使用的区域，这片区域中用于新行的插入和已经存在行的更新
• 行数据：用于存放表数据和索引数据，这些空间被数据行所占用

通常把块头、表目录、行目录这三部分组合起来成为头部信息区，头部信息区不存放数据，它存放整个块的引导信息，起到引导系统读取数据的作用，如果头部信息区遭到破坏，则oracle系统无法读取这部分数据。空余空间和行数据用于存储真正的数据。

补充：空余空间，这部分非常重要，经常所说的行链接和行迁移就发生在此：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。

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才会主动的合并数据块中不连续的自由空间。

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。

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

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

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)。

简单来说：

pctused表示数据所占最低百分比，如果达到pctused时不能插入数据，delete后如果达到pctused才可以用来insert。

pctfree表示用于保留更新操作的百分比，如果超过该值就不能插入数据。

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pctused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。

1.2 数据区（extent）

数据区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。

1.3 数据段（segment）

段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： 

1. 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。 
2. 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
3. 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。 
4. 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。

1.4 表空间（tablespace）

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。下面说几个数据库不可获缺的表空间：

1. System 表空间 ：系统表空间是每个Oracle数据库都具备的，存储着诸如表空间名称、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：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. Temp 表空间：临时表空间存储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. Undo 表空间：Undo表空间用于存储Oracle数据库的撤销信息，用于回滚
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

OK，以上内容为Oracle的逻辑结构，下面就是Oracle的物理结构啦！

二、物理结构

物理结构包含了数据文件、日志文件和控制文件

1. data 文件：每个Oracle数据都有一个或多个物理的数据文件，数据库的所有数据都是存储在数据文件上
2. redo 文件：每个数据库都有两个或多个日志文件组，每个日志文件组根据需要，可以指定几个成员。每个日志组用于收集数据库日志，而日志的主要功能是记录对数据所作的修改，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，防止数据丢失。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。
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、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