转 Library cache内部机制详解

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Library cache是Shared pool的一部分，它几乎是Oracle内存结构中最复杂的一部分，主要存放shared curosr（SQL）和PLSQL对象（function，procedure，trigger）的信息，以及这些对象所依赖的table，index，view等对象的信息。

Library cache需要解决三个问题：

1.快速定位的问题：Library cache中对象众多，Oracle如何管理这些对象，以便服务进程可以迅速找到他们需要的信息。比如某个服务进程需要迅速定位某个SQL是否存在于Library cache中。

2.关系依赖的问题：Library cache中的对象存在复杂的依赖关系，当某个objec失效时，可以迅速将依赖其的对象也置为失效状态。比如某个表发生了结构变化，依赖其的SQL语句需要重新解析。

3.并发控制的问题：Library cache中必须有一个并发控制的机构，比如锁机制，来管理大量共享对象的并发访问和修改的问题，比如某个SQL在重新编译的同时，其所依赖的对象不能被修改。

Library cache结构：

Oracle利用hash table结构来解决library cache中快速定位的问题，hash table就是很多hash bucket组成的数组：

原理与buffer cache中定位block的方式相同，将对象信息（比如SQL）hash定位到某个hash bucket中，然后顺序扫描bucket中的 List，实现快速定位对象的目的。

Library cache handle是对象的一个指针，其中的namespace属性表示其指向的对象的类型：比如CRSR(Cursor)，TABL(Table)，INDX(Index) ，PROD(Procedure)，TRIG(Trigger)等等。

LCO(Library cache object)是handel指向的对象，包含了以下几个部分的内容：

1.dependency table：

指向本对象所依赖的对象，比如：select * from emp这个cursor的对象，依赖emp这个表，这里指向了emp这个表的handle。

2.child table：

指向本对象的子对象，比如某个游标的子游标。子游标是指SQL文本相同，但是SQL的实际含义不同的情况，比如执行的用户不同，执行计划不同，执行的环境不同等等，我们一般称之为SQL的不同版本。一个SQL至少包含一个父游标和一个子游标。

3.authorization table：

对象的授权信息。

4.type

Library cache object的type，包括：shared cursor,index,table,cluster,view,synonym,sequence,procedure,function,package,table body,package body,trigger等等。

5.data blocks

data block是一个指针，指向了data heap，即存放真实数据的地方，主要包括：diana tree, p-code, source code, shared cursor context area等等，如下图：

Library cache对象依赖关系：

对象依赖关系是利用LCO中的dependency table来完成的，我们设想以下的情况，用来说明对象间的依赖关系：

两个共享游标：

SQL1: select * from emp;

SQL2: select * from emp和select a.name from emp a,dept b where a.dept_id=b.id and b.name=:1;

SQL1产生了两个子游标，也就是SQL文本相同的两个不同版本，他们同时依赖emp表。SQL2只有一个版本，因为每个游标最少有一个子游标，所以它只有一个子游标，并且同时依赖dept表和emp表。

Library cache中的并发控制：

Oracle利用Library cache lock和Library cache pin来实现并发控制，Library cache lock是在handle上获取的，而Library cache pin则是在data heap上获取。访问对象时，首先必须获取handle上的lock，然后将访问的数据pin在内存中。lock的作用是控制进程间的并发访问，而pin的作用是保证数据一致性，防止数据在访问时被交换出去。

Library cache lock有三种模式：null，share，exclusive，Library cache pin有两种模式：share，exclusive。下面详细解释在修改和访问对象时，lock和pin的作用：

修改对象：

编译SQL或PLSQL对象，获取该对象（cursor，procedure）handle上exclusive类型的lock，并且持有data heap上exclusive类型的pin，防止其他人读取和修改。同时，在该对象所依赖的对象（table）上，必须持有一个share类型的lock和pin，防止在修改的过程中，被其他进程所修改。

访问对象：

访问SQL或PLSQL对象，获取该对象（cursor，procedure）handle上NULL类型的lock，并且持有data heap上share类型的pin，同时，在其依赖的对象（table）上持有share类型的lock和pin。如果一个procedure依赖另外一个function，那么在被依赖的function上，也需要持有share类型的lock和pin。

NULL类型的lock比较特殊，它只存在于cursor和procedure等只读对象上，它并不起到任何并发控制的作用，它更象是一个trigger，当对象失效时，通知所有访问这个cursor的进程。比如：select * from emp这个SQL，依赖emp表，当emp表发生变化时，cursor上的NULL lock被打破，所有有访问这个cursor的进程都会知道该对象已经失效。

当持有对象的library cache pin时，会在row cache中对相应的对象加锁，就是row cache lock，阻止可能导致数据字典信息混乱的DDL发生。

lock和pin的实现类似于enqueue，在每个handle上都有lock和pin的holder list和waiter list，用来保存持有该资源和等待该资源的队列。

阻塞分析：

现实情况中，我们有一个数据库中存在被应用大量频繁访问的procedure，当依赖的表发生变更时，导致该procedure失效，这时会出现大量的library cache lock和library cache pin的等待，堵塞应用访问，造成了重大故障。出现这个问题的原因是：当procedure失效后，所有访问该对象的进程都尝试去编译，大量进程尝试获取exclusive类型的lock和pin，出现了大量的等待。后续的Oracle版本作出了改进，当出现这种情况时，只允许第一个进程尝试去编译该对象，编译通过后，所有的进程就可以并发访问，避免了大量进程同时尝试编译的情况出现。

Library cache中的Latch：

Library cache中相关的latch包括：shared pool latch，library cahce latch，library cache lock latch，library cache pin latch。

Share pool latch的主要作用是分配或释放空间时使用，从Oracle9i开始，sharedpool被分成了很多个subpool，由多个shared pool latch保护，Oracle开始支持更大的shared pool。

Library cache latch的主要作用是在hash bucket中定位handle时使用，library cache lock latch和library cache pin latch分别是获取lock和pin时，需要取得的latch。

shared pool大小不合理，大量的硬解析以及SQL版本过多都可能导致shared pool latch和library cache latch的争用。

从Oracle10g开始，Oracle正在逐步用mutex取代library cache中的latch，cursor：pin S和cursor：pin X相当于share和exclusive类型的library cache pin，cursor：pin S wait on X则表示share方式正在等待exclusive锁定。

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