DBA手记:共享池的改进与ORA-04031的变化

作者：eygle |English 【转载时请标明出处和作者信息】|【恩墨学院 OCM培训传DBA成功之道】
链接：http://www.eygle.com/archives/2011/02/ora-04031_kghdsidx_count.html

我们知道，从Oracle 9i开始，Shared Pool可以被分割为多个子缓冲池（SubPool）进行管理，以提高并发性，减少竞争。

Shared Pool的每个SubPool可以被看作是一个Mini Shared Pool，拥有自己独立的Free List、内存结构以及LRU List。同时Oracle提供多个Latch对各个子缓冲池进行管理，从而避免单个Latch的竞争（Shared Pool Reserved Area同样进行分割管理）。SubPool最多可以有7个，Shared Pool Latch也从原来的一个增加到现在的7个。如果系统有4个或4个以上的CPU，并且SHARED_POOL_SIZE大于250MB，Oracle可以把Shared Pool分割为多个子缓冲池（SubPool）进行管理，在Oracle 9i中，每个SubPool至少为128MB。

如果你看到过类似如下信息，那就意味着你可能遇到了SubPool的问题，如下所示：

Tue Dec 11 17:14:49 2007

Errors in file /oracle/app/admin/ctais2/udump/ctais2_ora_778732.trc:

ORA-04031: unable to allocate 4216 bytes of shared memory

("shared pool","IDX_DJ_NSRXX_P_NSRMCCTAIS2","sga heap(2,0)","library cache")

ORA-04031: unable to allocate 4216 bytes of shared memory

("shared pool","IDX_DJ_NSRXX_P_NSRMCCTAIS2","sga heap(2,0)","library cache")

Tue Dec 11 17:14:51 2007

Errors in file /oracle/app/admin/ctais2/bdump/ctais2_pmon_393248.trc:

ORA-04031: unable to allocate 4216 bytes of shared memory

("shared pool","unknown object","sga heap(2,0)","library cache")

Oracle 9i中多个子缓冲池的结构如图所示。

子缓冲池的数量受一个新引入的隐含参数_KGHDSIDX_COUNT影响。可以手工调整该参数（仅限于试验环境研究用），观察共享池管理的变化，可以通过如下步骤转储默认情况以及修改后的Shared Pool，再进行观察：

alter session set events 'immediate trace name heapdump level 2';

alter system set "_kghdsidx_count"=2 scope=spfile;

startup force;

alter session set events 'immediate trace name heapdump level 2';

以下是概要输出，注意在前者的跟踪文件中，sga heap(1,0)指共享池只存在一个子缓冲，后者则存在sga heap(1,0)以及sga heap(2,0)两个子缓冲池：

 [oracle@jumper udump]$ grep "sga heap" eygle_ora_25766.trc

HEAP DUMP heap name="sga heap"  desc=0x5000002c

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,0)"  desc=0x5001ef0c

[oracle@jumper udump]$ grep "sga heap" eygle_ora_25786.trc

HEAP DUMP heap name="sga heap"  desc=0x5000002c

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,0)"  desc=0x5001ef0c

HEAP DUMP heap name="sga heap(2,0)"  desc=0x50023c04

子缓冲池的分配的算法很简单：

l  每个子缓冲池必须满足一定的内存约束条件；

l  每4颗CPU可以分配一个子缓冲池，子缓冲池的数量最多7个。

在Oracle 9i中，每个SubPool容量至少128MB，而在Oracle 10g中，每个子缓冲池至少为256MB。如前所述，SubPool的数量可以通过_kghdsidx_count参数来控制，但是没有参数可以显式地控制SubPool的大小。

根据以上规则，在一个12颗CPU的系统中，如果分配容量为300MB的Shared Pool，Oracle 9i将创建两个SubPool，每个容量大约150MB，如果共享池容量增加到500MB，Oracle将创建3个SubPool，每个大约166MB。

不管Oracle 9i中的128MB以及Oracle10g中的256MB，这样的SubPool在许多复杂的系统中，都可能是过小的，在这些情况下，可能要增大SubPool。可以通过控制Shared Pool大小以及SubPool的数量来改变SubPool的大小。一些Bug以及内部测试表明500MB的SubPool可能会带来更好的性能，所以从Oracle 11g开始，每个SubPool至少为512MB。

除大小控制之外，在Oracle 10g中，Oracle仍然对共享池的管理做出了进一步改进，那就是对单个子缓冲池进行进一步的细分。现在默认，Oracle 10g会将单个缓冲池分割为4个子分区进行管理（这可能是因为通常4颗CPU才分配一个SubPool），使用类似如上的方法在Oracle 10gR2中进行测试：

alter session set events 'immediate trace name heapdump level 2';

alter system set "_kghdsidx_count"=2 scope=spfile;

startup force;

alter session set events 'immediate trace name heapdump level 2';

分析得到的日志，当仅有一个子缓冲池时，Shared Pool被划分为sga heap(1,0)～sga heap(1,3)共4个子分区：

 [oracle@eygle udump]$ grep "sga heap" eygle_ora_13577.trc

HEAP DUMP heap name="sga heap"  desc=0x2000002c

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,0)"  desc=0x2001b550

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,1)"  desc=0x2001c188

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,2)"  desc=0x2001cdc0

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,3)"  desc=0x2001d9f8

当使用两个子缓冲池时，Shared Pool则被划分为8个子分区进行管理如下：

 [oracle@eygle udump]$ grep "sga heap" eygle_ora_13618.trc

HEAP DUMP heap name="sga heap"  desc=0x2000002c

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,0)"  desc=0x2001b550

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,1)"  desc=0x2001c188

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,2)"  desc=0x2001cdc0

HEAP DUMP heap name="sga heap(1,3)"  desc=0x2001d9f8

HEAP DUMP heap name="sga heap(2,0)"  desc=0x20020640

HEAP DUMP heap name="sga heap(2,1)"  desc=0x20021278

HEAP DUMP heap name="sga heap(2,2)"  desc=0x20021eb0

HEAP DUMP heap name="sga heap(2,3)"  desc=0x20022ae8

Oracle 10g中多缓冲池结构如图所示。

通过一个内部表X$KGHLU（[K]ernel [G]eneric memory [H]eap manager State of [L]R[U] Of Unpinned Recreatable chunks）可以查询这些子缓冲池的分配：

SQL> select addr,indx,kghluidx,kghludur,kghluops,kghlurcr from x$kghlu;

ADDR     INDX   KGHLUIDX   KGHLUDUR   KGHLUOPS   KGHLURCR

-------- ---- ---------- ---------- ---------- ----------

B5F4C5B4    0          2          3      12773        257

B5F4C1AC    1          2          2      43675       1042

B5F4D9C8    2          2          1      18831       1518

B5F4D5C0    3          2          0          0          0

B5F4D1B8    4          1          3     144697        327

B5F4E9E4    5          1          2     483428       1462

B5F4E5DC    6          1          1       6558        982

B5F4E1D4    7          1          0          0          0

8 rows selected.

通过这一系列的算法改进，Oracle中Shared Pool管理得以不断增强，较好地解决了大Shared Pool的性能问题；Oracle 8i中，过大Shared Pool设置可能带来的栓锁争用等性能问题在某种程度上得以解决。从Oracle 10g开始，Oracle开始提供自动共享内存管理，使用该特性，用户可以不必显示设置共享内存参数，Oracle会自动进行分配和调整，虽然Oracle为用户提供了极大的便利，但是了解自动化后面的原理对于理解Oracle的运行机制仍然是十分重要的。

虽然多缓冲池技术使Oracle可以管理更大的共享池，但是SubPool的划分可能也会导致各分区之间的协调问题，甚至可能因为内存分散而出现ORA-04031错误。最常见的问题是某个子缓冲池（SubPool）可能出现过度使用，当新的进程仍然被分配到这个SubPool时，可能会导致内存请求失败（而此时其他SubPool可能还有很多内存空间）。

因为子缓冲池存在的种种问题，从Oracle 10g开始，允许内存请求在不同SubPool之间进行切换（Switch），从而提高了请求成功的可能（但是显然切换不可能是无限制的，所以问题仍然可能存在）。

 

以下是来自客户系统的一个实际案例，在一个Oracle9i的系统中，经常出现ORA-04031的错误，客户系统的主要配置如下：

SQL> select * from v$version where rownum <2;

BANNER

----------------------------------------------------------------

Oracle9i Enterprise Edition Release 9.2.0.6.0 - 64bit Production

SQL> show parameter cpu_count

NAME                                 TYPE        VALUE

------------------------------------ ----------- ------------------------------

cpu_count                            integer     48

SQL> select * from v$sga;

NAME                                      VALUE

------------------------------ ----------------

Fixed Size                               762240

Variable Size                        2600468480

Database Buffers                    18975031296

Redo Buffers                            6578176

我们检查其参数设置，默认的子池设置是7个，代码如下：

SQL> select a.ksppinm, b.ksppstvl from   x$ksppi a, x$ksppsv b

  2  where  a.indx = b.indx and a.ksppinm = '_kghdsidx_count';

KSPPINM                                                          KSPPSTVL

---------------------------------------------------------------- --------------------

_kghdsidx_count                                                  7

7个子池都被使用，其Latch使用情况如下：

SQL> select child#, gets from v$latch_children

  2  where name = 'shared pool' order by child#;

    CHILD#       GETS

---------- ----------

         1  333403016

         2  355720323

         3  273944301

         4  197980497

         5  282347697

         6  354398593

         7  468809111

看一下具体的子池使用及内存情况，注意到各个Shared Pool子池平均分配了320MB内存左右，共享池合计约2256MB：

SELECT      'shared pool (' || NVL (DECODE (TO_CHAR (ksmdsidx), '0', '0 - Unused', ksmdsidx),'Total') || '):' subpool,

         SUM (ksmsslen) BYTES, ROUND (SUM (ksmsslen) / 1048576, 2) mb

    FROM x$ksmss WHERE ksmsslen > 0

GROUP BY ROLLUP (ksmdsidx) ORDER BY subpool ASC

/

SUBPOOL                             BYTES         MB

------------------------------ ---------- ----------

shared pool (1):                352321536        336

shared pool (2):                335544320        320

shared pool (3):                335544320        320

shared pool (4):                335544320        320

shared pool (5):                335544320        320

shared pool (6):                335544320        320

shared pool (7):                335544320        320

shared pool (Total):           2365587456       2256

 

8 rows selected.

进一步可以查询一下各个子池的剩余内存，注意到各个子池剩余内存约在7MB~15MB之间，而这些剩余内存又可能是零散的碎片：

SELECT   subpool, NAME, SUM (BYTES), ROUND (SUM (BYTES) / 1048576, 2) mb

    FROM (SELECT    'shared pool (' || DECODE (TO_CHAR (ksmdsidx), '0', '0 - Unused', ksmdsidx)

                 || '):' subpool, ksmssnam NAME, ksmsslen BYTES

            FROM x$ksmss WHERE ksmsslen > 0 AND LOWER (ksmssnam) LIKE LOWER ('%free memory%'))

GROUP BY subpool, NAME ORDER BY subpool ASC, SUM (BYTES) DESC

/

SUBPOOL                        NAME                           SUM(BYTES)         MB

------------------------------ ------------------------------ ---------- ----------

shared pool (1):               free memory                       8158640       7.78

shared pool (2):               free memory                       7414472       7.07

shared pool (3):               free memory                       7831608       7.47

shared pool (4):               free memory                      10690992       10.2

shared pool (5):               free memory                      17201856       16.4

shared pool (6):               free memory                       8239920       7.86

shared pool (7):               free memory                      13925416      13.28

通过以下查询可以详细列举不同子池的Free内存块情况，从输出可以观察到，每个子池大于10KB的内存块都很少，这也就意味着，当有大块的共享内存请求时就可能出现ORA-04031错误（注意：R-free指保留池的剩余空间）：

SQL> SELECT   ksmchidx "SubPool", 'sga heap(' || ksmchidx || ',0)' sga_heap,

  2           ksmchcom chunkcomment,

  3           DECODE (ROUND (ksmchsiz / 1000),

  4                   0, '0-1K', 1, '1-2K',2, '2-3K',3, '3-4K',4, '4-5K', 5, '5-6k',

  5                   6, '6-7k', 7, '7-8k',8, '8-9k',9, '9-10k', '> 10K'

  6                  ) "size",

  7           COUNT (*), ksmchcls status, SUM (ksmchsiz) BYTES

  8      FROM x$ksmsp WHERE ksmchcom = 'free memory'

  9  GROUP BY ksmchidx, ksmchcls, 'sga heap(' || ksmchidx || ',0)',ksmchcom, ksmchcls,

 10           DECODE (ROUND (ksmchsiz / 1000),

 11                   0, '0-1K', 1, '1-2K',2, '2-3K',3, '3-4K',4, '4-5K', 5, '5-6k',

 12                   6, '6-7k', 7, '7-8k',8, '8-9k',9, '9-10k', '> 10K' );

SUBPOOL SGA_HEAP            CHUNKCOMMENT     size    COUNT(*) STATUS        BYTES

------- ------------------- ---------------- ----- ---------- -------- ----------

      1 sga heap(1,0)       free memory      0-1K        5173 free         922568

      1 sga heap(1,0)       free memory      1-2K        5422 free        5274920

.........

      1 sga heap(1,0)       free memory      6-7k           2 R-free        11968

      1 sga heap(1,0)       free memory      7-8k           9 R-free        62096

      1 sga heap(1,0)       free memory      8-9k          12 R-free        95480

      1 sga heap(1,0)       free memory      9-10k         11 R-free        99192

      1 sga heap(1,0)       free memory      > 10K         25 R-free       434272

      2 sga heap(2,0)       free memory      0-1K        4919 free         848864

.......

      2 sga heap(2,0)       free memory      9-10k          5 R-free        46056

      2 sga heap(2,0)       free memory      > 10K         43 R-free       769144

      3 sga heap(3,0)       free memory      0-1K        6921 free        1058264

。。。。。。

      3 sga heap(3,0)       free memory      9-10k          9 R-free        81344

      3 sga heap(3,0)       free memory      > 10K         64 R-free      1212424

      4 sga heap(4,0)       free memory      0-1K        6430 free         928688

.......

      4 sga heap(4,0)       free memory      9-10k          9 R-free        80464

      4 sga heap(4,0)       free memory      > 10K         34 R-free       689640

      5 sga heap(5,0)       free memory      0-1K        4416 free         779096

......

      5 sga heap(5,0)       free memory      9-10k          4 R-free        36344

      5 sga heap(5,0)       free memory      > 10K         40 R-free      1669384

      6 sga heap(6,0)       free memory      0-1K        6203 free         863104

。。。。。。

      6 sga heap(6,0)       free memory      9-10k         11 R-free        99464

      6 sga heap(6,0)       free memory      > 10K         56 R-free      1758912

      7 sga heap(7,0)       free memory      0-1K        3814 free         607616

......

      7 sga heap(7,0)       free memory      9-10k          6 R-free        54432

      7 sga heap(7,0)       free memory      > 10K         52 R-free      2816480

 

120 rows selected.

针对这种情况，我们可以相应减少Shared Pool子池的数量，以使得每个子池可以有足够的空闲内存可用。在这个客户环境中，首先将_kghdsidx_count调整为3，ORA-04031错误即没有再次出现，调整之后，每个子池的内存扩大到750MB左右：

SUBPOOL                             BYTES         MB

------------------------------ ---------- ----------

shared pool (1):                788529152        752

shared pool (2):                788529192        752

shared pool (3):                771751936        736

shared pool (Total):           2348810280       2240

 

现在每个子池的空闲内存达到了20MB~60MB左右：

SUBPOOL                        NAME                       SUM(BYTES)         MB

------------------------------ -------------------------- ---------- ----------

shared pool (1):               free memory                  56014080      53.42

shared pool (2):               free memory                  20292704      19.35

shared pool (3):               free memory                  67884912      64.74

调整后具体的内存使用情况如下，我们注意到，保留池的大块的空闲内存（R-free）数量大大增加，这样在要请求大块内存时，就更容易获得共享内存资源：

SUBPOOL SGA_HEAP         CHUNKCOMMENT     size    COUNT(*) STATUS        BYTES

------- ---------------- ---------------- ----- ---------- -------- ----------

     。。。。。。

      1 sga heap(1,0)    free memory      8-9k           6 free          48016

      1 sga heap(1,0)    free memory      > 10K          4 free          45448

  。。。。。。

      1 sga heap(1,0)    free memory      9-10k         22 R-free       197536

      1 sga heap(1,0)    free memory      > 10K        144 R-free      2606992

 。。。。。。

      2 sga heap(2,0)    free memory      9-10k          8 free          72784

      2 sga heap(2,0)    free memory      > 10K         15 free         172616

......

      2 sga heap(2,0)    free memory      9-10k         22 R-free       195280

      2 sga heap(2,0)    free memory      > 10K        155 R-free      2839248

。。。。。。

      3 sga heap(3,0)    free memory      8-9k          14 free         111736

      3 sga heap(3,0)    free memory      9-10k          1 free           8808

。。。。。。

      3 sga heap(3,0)    free memory      9-10k         29 R-free       261272

      3 sga heap(3,0)    free memory      > 10K        186 R-free      3434512

客户的系统是一个双节点RAC环境，在运行中，应用设置为只连接其中的一个节点，另外一个空闲节点的Shared Pool使用情况如下，列举供参考：

SUBPOOL SGA_HEAP        CHUNKCOMMENT     size    COUNT(*) STATUS        BYTES

------- --------------- ---------------- ----- ---------- -------- ----------

      1 sga heap(1,0)   free memory      0-1K         373 free          41144

      1 sga heap(1,0)   free memory      1-2K           1 free           1488

      1 sga heap(1,0)   free memory      2-3K           1 free           1936

      1 sga heap(1,0)   free memory      3-4K           1 free           2704

      1 sga heap(1,0)   free memory      4-5K           1 free           3776

      1 sga heap(1,0)   free memory      9-10k          4 free          34864

      1 sga heap(1,0)   free memory      > 10K        157 free      460271664

      1 sga heap(1,0)   free memory      > 10K         38 R-free     25520800

      2 sga heap(2,0)   free memory      0-1K         357 free          37376

      2 sga heap(2,0)   free memory      3-4K           2 free           6152

      2 sga heap(2,0)   free memory      4-5K           1 free           3776

      2 sga heap(2,0)   free memory      > 10K        130 free      454592888

      2 sga heap(2,0)   free memory      > 10K         38 R-free     25520800

      3 sga heap(3,0)   free memory      0-1K         425 free          51280

      3 sga heap(3,0)   free memory      3-4K           1 free           2704

      3 sga heap(3,0)   free memory      7-8k           1 free           6664

      3 sga heap(3,0)   free memory      > 10K         44 free      467930312

      3 sga heap(3,0)   free memory      > 10K         38 R-free     25520800

ORA-04031出现时，可能共享池没有足够空闲内存，但是Shared Pool保留池（shared_pool_reserved_size）还有一定的内存空闲，所以我们可以释放降低使用保留池的内存大小，在这个案例中，降低_shared_pool_reserved_min_alloc参数设置，也帮助数据库更好地利用了保留内存。