Oracle之数据库一致性读的原理

 

在Oracle数据库中，undo主要有三大作用：提供一致性读（Consistent Read）、回滚事务（Rollback
Transaction）以及实例恢复（Instance Recovery）。

一致性读是相对于脏读（Dirty
Read）而言的。假设某个表T中有10000条记录，获取所有记录需要15分钟时间。当前时间为9点整，某用户A发出一条查询语句：select * from
T，该语句在9点15分时执行完毕。当用户A执行该SQL语句到9点10分的时候，另外一个用户B发出了一条delete命令，将T表中的最后一条记录删除并提交了。那么到9点15分时，A用户将返回多少条记录？

如果返回9999条记录，则说明发生了脏读；如果仍然返回10000条记录，则说明发生了一致性读。很明显，在
9点钟那个时间点发出查询语句时，表T中确实有10000条记录，只不过由于I/O的相对较慢，所以才会花15分钟完成所有记录的检索。对于Oracle
数据库来说，没有办法实现脏读，必须提供一致性读，并且该一致性读是在没有阻塞用户的DML的前提下实现的。

那么undo数据是如何实现一致性读的呢？还是针对上面的例子。用户A在9点发出查询语句时，服务器进程会将9
点那个时间点上的SCN号记录下来，假设该SCN号为SCN9.00。那么9点整的时刻的SCN9.00一定大于等于记录在所有数据块头部的ITL槽中的
SCN号（如果有多个ITL槽，则为其中最大的那个SCN号）。

注:
ITL（Interested Transaction
List）是Oracle数据块内部的一个组成部分，用来记录该块所有发生的事务，一个itl可以看作是一个记录，在一个时间，可以记录一个事务（包括提交或者未提交事务）。当然，如果这个事务已经提交，那么这个itl的位置就可以被反复使用了，因为itl类似记录，所以，有的时候也叫itl槽位。

服务器进程在扫描表T的数据块时，会把扫描到的数据块头部的ITL槽中的SCN号与SCN9:00之间进行比较，哪个更大。如果数据块头部的SCN号比SCN9.00要小，则说明该数据块在9点以后没有被更新，可以直接读取其中的数据；否则，如果数据块ITL槽的SCN号比SCN9.00要大，则说明该数据块在9点以后被更新了，该块里的数据已经不是9点那个时间点的数据了，于是要借助undo块。

9点10分，B用户更新了表T的最后一条记录并提交（注意，在这里，提交或者不提交并不是关键，只要用户B更新了表T，用户A就会去读undo数据块）。假设被更新记录属于N号数据块。那么这个时候N号数据块头部的ITL槽的SCN号就被改为SCN9.10。当服务器进程扫描到被更新的数据块（也就是N号块）时，发现其ITL槽中的SCN9.10大于发出查询时的SCN9.00，说明该数据块在9点以后被更新了。于是服务器进程到N号块的头部，找到SCN9.10所在的ITL槽。由于ITL槽中记录了对应的undo块的地址，于是根据该地址找到undo块，将
undo块中的被修改前的数据取出，再结合N号块里的数据行，从而构建出9点10分被更新之前的那个时间点的数据块内容，这样的数据块叫做CR块（Consistent
Read）。对于delete来说，其undo信息就是insert，也就是说该构建出来的CR块中就插入了被删除的那条记录。随后，服务器进程扫描该
CR块，从而返回正确的10000条记录。

让我们继续把问题复杂化。假设在9点10分B用户删除了最后一条记录并提交以后，紧跟着9点11分，C用户在同一个数据块里（也就是N号块）插入了2条记录。这个时候Oracle又是如何实现一致性读的呢（假设表T的initrans为1，也就是只有一个ITL
槽）？因为我们已经知道，事务需要使用ITL槽，只要该事务提交或回滚，该ITL槽就能够被重用。换句话说，该ITL槽里记录的已经是SCN9.11，而不是SCN9.10了。这时，ITL槽被覆盖了，Oracle的服务器进程又怎能找回最初的数据呢？

其中的秘密就在于，Oracle在记录undo数据的时候，不仅记录了改变前的数据，还记录了改变前的数据所在的数据块头部的ITL信息。因此，9点10分B用户删除记录时（位于N号块里，并假设该N号块的ITL信息为[Undo_block0
/
SCN8.50]），则Oracle会将改变前的数据（也就是insert）放到undo块（假设该undo块地址为Undo_block1）里，同时在该undo块里记录删除前ITL槽的信息（也就是[Undo_block0
/ SCN8.50]）。删除记录以后，该N号块的ITL信息变为 [Undo_block1 /
SCN9.10]；到了9点11分，C用户又在N号块里插入了两条记录，则Oracle将插入前的数据（也就是delete两条记录）放到undo块（假设该undo块的地址为Undo_block2）里，并将9点11分时的ITL槽的信息（也就是[Undo_block1
/ SCN9.10]）也记录到该undo块里。插入两条记录以后，该N号块的ITL槽的信息改为 [Undo_block2 /
SCN9.11]。

那么当执行查询的服务器进程扫描到N号块时，发现SCN9.11大于SCN9.00，于是到ITL槽中指定的
Undo_block2处找到该undo块。发现该undo块里记录的ITL信息为[Undo_block1 /
SCN9.10]，其中的SCN9.10仍然大于SCN9.00，于是服务器进程继续根据ITL中记录的Undo_block1，找到该undo块。发现该undo块里记录的ITL信息为[Undo_block0
/
SCN8.50]，这时ITL里的SCN8.50小于发出查询时的SCN9.00，说明这时undo块包含合适的undo信息，于是服务器进程不再找下去，而是将N号块、Undo_block2以及Undo_block1的数据结合起来，构建CR块。将当前N号的数据复制到CR块里，然后在CR块里先回退9点11分的事务，也就是在CR块里删除两条记录，然后再回退9点10分的事务，也就是在CR块里插入被删除的记录，从而构建出9点钟时的数据。
Oracle就是这样，以层层嵌套的方式，查找整个undo块的链表，直到发现ITL槽里的SCN号小于等于发出查询时的那个SCN号为止。正常来说，当前undo块里记录的SCN号要比上一个undo块里记录的SCN号要小。

但是在查找的过程中，可能会发现当前undo块里记录的ITL槽的SCN号比上一个undo块里记录的SCN号还要大。这种情况说明由于事务被提交或回滚，导致当前找到的undo块里的数据已经被其他事务覆盖了，于是我们无法再找出小于等于发出查询时的那个时间点的SCN号，这时Oracle就会抛出一个非常经典的错误——ORA-1555，也就是snapshot
too old的错误。

以上的描述可以用图来描述：

回滚事务则是在执行DML以后，发出rollback命令撤销DML所作的变化。Oracle利用记录在ITL槽里记录的undo
块的地址找到该undo块，然后从中取出变化前的值，并放入数据块中，从而对事务所作的变化进行回滚。

实例恢复则是在SMON进程完成前滚并打开数据库以后发生。SMON进程会去查看undo
segment头部（所谓头部就是undo segment里的第一个数据块）记录的事务表（每个事务在使用undo块时，首先要在该undo块所在的undo
segment的头部记录一个条目，该条目里记录了该事务相关的信息，其中包括是否提交等），将其中既没有提交也没有回滚，而是在实例崩溃时被异常终止的事务全部回滚。