oracle体系结构

原文：http://jianshi-dlw.iteye.com/blog/1554892 此篇更细，感谢lewis122

 

Oracle的体系结构大体上分为两部分：Instance（实例）和Database（数据库）。

• Instance（实例） ：在Oracle Instance中主要包含了SGA以及一些进程（例如：PMON、SMON、DBWn、LGWR、CKPT等）。如果一个用户的进程连接到Oracle Server时，其实就是连接到Oracle Instance。在SGA中又包含了5大部件：Share Pool、Database Buffer Cache、Redo Log Buffer、Java Pool、Large Pool。

• Database（数据库） ：Database其实就是一堆文件组成的，主要是用于存储着数据，Database中主要包含三种类型的文件：Data Files、Control Files、Redo Log Files。
  

下面介绍几个Oracle重要概念：

Oracle Server（Oracle服务器）
Oracle Server又包含两部分：Oracle Instance和Oracle Database（Oracle Server是一个比较大的概念，我们通常说的Oracle服务器就是指的Oracle Server）。

Oracle Instance（Oracle实例）
Oracle Server用于管理数据，数据存储在Oracle Database中，其表现形式为存储在磁盘上的一堆文件，如果要去访问这堆文件，需要有一个媒介------Oracle Instance，Oracle Instance是访问Oracle Database的一种手段。
一个Oracle Instance对应一个且只能对应一个Oracle Database，而一个Oracle Database可以有多个Instance来访问他，也就是说Oracle Instance和Oracle Database是多对一的方式。一般情况下我们以一台机器上安装Oracle时都是以Instance和Database一对一的方式，但是在Oracle集群（Oracle RAC环境）的情况下他是多个Instance对应一个Database。

Oracle Instance有两部分组成：

• Memory Structures（内存结构） ：Memory Structures就是Oracle Instance中的SGA。

• Background Process Structures（后台进程结构） ：Background Process Structures就是指PMON、SMON、DBWR、LGWR、CKPT等后台进程。

Oracle Instance启动时就会启动一些Background Process并且分配内存，Oracle Instance是易于消失的。（相对于数据库文件来说，例如：一断电就没有了）。

Oracle数据库Connection & Session

Oracle Connection
Oracle中的Connection是指一个Oracle的客户端和后台的服务器建立的一个TCP连接，一定是Oracle客户端和后台的进程（Server Process）建立的TCP连接。

在Oracle Process中有三种类型：

1. Background process（后台进程）他是Oracle Instance的基本组成部分
2. Server process（服务器进程）其实Background Process和Server Process都是Oracle的后台进程。其中Background Process是专注于数据库核心服务的进程；而Server process是处理客户端和服务器之间连接的进程。
3. User process（客户端进程） 客户端要与服务器连接，那么在客户端启动起来的进程就是User Process（例如：SQL*Plus、Toad等）。用户登录到Oracle Server就是User Process和Server Process建立Connection。

Oracle Session

Connection建立的过程其实就是首先建立TCP连接，Oracle对用户的身份进行认证、进行安全审计等等，当这些都通过后Oracle的Server Process才会允许客户端使用Oracle提供的服务，当Oracle的连接建立起来以后，就意味着开始了一个会话，当连接断开的时候这个回话就消失了。Session是和Connection相辅相成的。Session信息会存储在Oracle的Data Dictionary中。

下图为在Linux中启动Oracle Instance

输入一个【!】便可以切换到shell中。后续如果想返回sqlplus中输入【exit】即可。

通过Linux命令ps –ef可以查看Oracle进程（Oracle Instance）

Oracle Database（Oracle数据库）

Oracle Database其实就是一堆文件，这堆文件是一堆数据，他们是作为一个整体。Oracle Database包含三种基本的核心文件类型Data File、Control File、Redo Log File。

• Data Files（数据文件） ：Data Files就是用于存储数据的，Table中的数据都是保存在Data File中的。
• Control Files（控制文件） ：Oracle为了操作Data File，提供了一些Control files，这些Control File主要是记录数据库的一些控制信息。
• Redo Log Files（重做日志文件） ：Redo Log Files记录着数据库的改变，如果向数据库中放入数据或者是修改里面的数据，只要对数据库作了修改，那么就要将修改之前的状态、修改之后的状态都会记录在Redo Log Files中，其作用就是恢复Data File。例如：数据库有一个事务需要提交，但是提交失败了，事务就要回滚，那么事务回滚的依据就来自于这个Redo Log Files。Redo Log Files中记录着数据库的改变，关于这个事务的改变，如果需要回滚就需要把Redo Log Files中的数据取出来，依照Redo Log Files中的数据把Data Files恢复到修改之前的状态。
• Parameter File（参数文件） ：任何一个数据库都必须要有参数文件，这个参数文件就规定了Oracle中的一些基本的参数、初始化的参数的值。
• Archived Log Files（归档日志文件） ：Archived Log Files和Redo Log Files是相辅相成的，Redo Log Files其实是一个反复利用的过程，他会有几个（一般为3个）固定的文件，这些固定文件他会被依次使用，用满了以后，Oracle就会在此写这个文件头，就把以前的东西冲掉了。为了进一步加强数据库的备份恢复能力，在覆盖之前把这些修改的信息都把他归档到Archived Log Files中。
• Password File ：用与户客户端连接到后台数据库系统时候存储口令的。

下面显示在Linux安装的Oracle的Database部分。下面显示的这一大堆文件就是Oracle Database（一般存放在数据库安装路径下的实例名对应的目录下）。

• *.tcl控制文件
• *.dbf数据文件
• *.log重做日志文件

Memory Structures

Oracle的Memory Structures实际上包含两部分内容：SGA和PGA：

• SGA（System Global Area系统全局区） 一个Oracle Instance对应一个SGA，SGA在Oracle Instance启动的时候被分配，SGA是Oracle Instance的基本组成部分。一个Oracle Instance就仅有一块SGA，SGA是一个非常大的内存空间，甚至可以占据物理内存的80%。
• PGA（Program Global Area程序全局区） 一个Server Process启动的时候就会分配一个PGA。

整个Oracle Instance只有一个SGA，一个Server Process就会有一个PGA。在Oracle Instance中PGA可能会很多。例如启动10个Server Process就会有10个PGA。无论启动多少个进程，只要有一个Oracle Instance那么他就仅有一个SGA。
Oracle的使用场景一般为管理海量数据，那么大量的数据都是存储在磁盘上的，为了提高存储、访问的效率，那么Oracle必然会在内存中开辟一块很大的内存区域（内存的访问速度要快几千倍几万倍）。Oracle是一个比较耗费内存的软件，一般他会把可用的内存全部用完，他的内存一般是消耗在SGA上。

当Linux/Unix下的Oracle进程启动，我们可以在Linux/Unix的shell中输入【ipcs】命令查看系统共享内存分配的情况（IPC是进程间通讯的一种机制，ipcs命令是用于查看ipc资源的、ipc状态的）。在Linux/Unix中Oracle的SGA的实现方式就是利用Shared Memory Segments（共享内存），对于Windows的实现方式可能不同。SGA的大小是可以配置的，随着数据库的负载加大，Oracle Instance对内存的需求加大，那么SGA也会扩张甚至会把整个内存都消耗掉。

SGA（System Global Area）

SGA（System Global Area系统全局区），其中包含以下几大块的基本内存：

• Shared Pool
• Database Buffer Cache
• Redo Log Buffer
• Large Pool
• Java Pool

其中Shared Pool、Database Buffer Cache、Redo Log Buffer是核心的内存区域，其中Large Pool和Java Pool是可选项的（在Oracle 11g中又包含了String Pool）。
对于一个启动好的Oracle数据库，怎样去查看他的SGA？以Linux为例，首先可以通过命令【ps –ef | grep oracle】查看Oracle 的Background Process。

输入命令【show sga;】便可以查看SGA的信息了。

在早期的Oracle版本中，在Oracle启动之后SGA就是固定不变的，在Oracle 9i以后的版本就可以在运行时发生改变，即在线动态调整SGA的值。Oracle Instance启动起来就会分配一个SGA，用户便可以向数据库服务发送请求，随着用户发出的请求负荷增大，Oracle需要的内存资源就越大，因此SGA就需要扩张，所以便有了可以动态变化SGA的需求。
在SGA中有一个重要的参数 SGA_MAX_SIZE ，该参数决定了Oracle Instance SGA的最大值，在这个上限的范围内，SGA可以分配他的每个部件占用多少内存。SGA可以动态增长或缩小，SGA每次增大或缩小的单位granules（granules是SGA分配内存的基本单位，通常对于SGA小于128M的情况granules=4M，SGA超过128M的情况granules=16M ）。SGA是一个连续分配的内存区域，而且他的分配最小单位是granules但是他的最大尺寸不能超过SGA_MAX_SIZE。
执行下图中的SQL语句便可以查看当前Oracle系统的granules。下图显示了SGA的组成部分以及每个组成部分的granules。

SGA最大值是由SGA_MAX_SIZE决定的，它里面又包含了不同的组件（Shared Pool、Database Buffer Cache、Redo Log Buffer、Large Pool、Java Pool），这些内部组件也有其内存大小设置的参数：

• DB_CACHE_SIZE 用于设置Database Buffer Cache的内存大小
• LOG_BUFFER 用于设置Redo Log Buffer的内存大小
• SHARED_POOL_SIZE 用于设置Shared Pool的内存大小
• LARGE_POOL_SIZE 用于设置Large Pool的内存大小
• JAVA_POOL_SIZE 用于设置 Java Pool的内存大小

Oracle10g引入了一个功能，就是自动内存分配功能，例如：已经制定了SGA_MAX_SIZE，在这个上限范围内，具体每个部件最优的尺寸设置有Oracle自动来进行分配。这样便可以减少对如果设置SGA内部各组件的内存大小设置的问题。随着Oracle负荷的变化，Oracle会自动去调整内存分配的最佳布局。

Shared Pool

Shared Pool（共享池）的主要作用是存储SQL解析后的内容。例如：发出一个SQL语句或命令让数据库执行，SQL就需要在数据库内部就需要被解析，建立执行计划，然后按照执行计划去执行，每个SQL语句都要被解析成原始操作去执行，解析好的SQL语句都会存储在共享池中。
在Oracle Instance中Shared Pool非常总要，它关系到数据库的性能，共享池包含两块共享内存，这两块共享内存关系到数据库的性能。

• Library Cache ：Library Cache中存储的是经过编译解析后的SQL和PL/SQL语句的内容。如果下次在执行同样的SQL语句的时候，就不需要解析了，立即从Library Cache获取执行。Library Cache的SIZE会决定着编译解析SQL语句的频度，从而决定了性能。Library Cache中有包含两部分内容：Shared SQL Area和Shared PL/SQL Area。Library Cache是Shared Pool的一个子部件，Library Cache的SIZE是由Shared Pool来决定的。

• Data Dictionary Cache ：Data Dictionary就是存储着数据库控制信息。为了提高访问Data Dictionary的速度，此时需要一个Cache，需要的时候访问内存即可。Data Dictionary Cache里面的信息包含了database files、tables、indexes、columns、users、privileges和其他的数据库对象。数据字典是使用最频繁的，几乎所有的操作都需要到数据字典去查询（例如：需要针对一个表进行操作，就需要到数据字典去查询用户对这个表是否具有访问权限等等），他的SIZE是由Shared Pool来决定的。
  

可以在线去更改Shared Pool的SIZE，只需要执行下面的SQL语句即可：

ALERT SYSTEM SET SHARED_POOL_SIZE=64M

ALERT SYSTEM SET SHARED_POOL_SIZE=64M

Database Buffer Cache

Database Buffer Cache的任务主要是用于存储数据文件中的数据，在Oracle中数据是存储在磁盘上的，又不可能将所有的数据文件内容都放到内存中，但访问磁盘中的数据速度又会很慢，那么就需要将其中一部分的数据放入到内存中，当用户去访问时发现需要访问的信息在内存中，那么就不需要访问磁盘了，这样提升了访问的速度。
Database Buffer Cache就是包含了来自于Data File中的数据以及即将要写到Data File中的数据（也成为Dirty Buffer）都会保存到这个Database Buffer Cache中，而且Database Buffer Cache得SIZE是最大的。例如一个用户去访问一个表里面的记录时，数据库接收到这个请求后，他首先会在这个Cache中查找是否存在该数据库表的记录，如果有这个记录直接从内存中读取该记录返回给用户，否则只能去磁盘上去读取。很显然如果希望性能提高就需要提升Cache的命中率。
Database Buffer Cache中存储的是Data Blocks（数据块）。Oracle中的数据是按照Block来进行存储的，Block是Oracle存储的最基本的单位。在Database Buffer Cache中针对Block的SIZE的设置，对应的参数是：DB_BLOCK_SIZE。

在Database Buffer Cache中包含三部分内容：

• DB_CACHE_SIZE
• DB_KEEP_CACHE_SIZE
• DB_RECYCLE_CACHE_SIZE

Database Buffer Cache可以在线去更改SIZE，只需要执行下面的SQL语句即可：

ALERT SYSTEM SET DB_CACHE_SIZE=64M

ALERT SYSTEM SET DB_CACHE_SIZE=64M

在性能调优的过程中，需要去监控DB_CACHE_SIZE的行为和他的统计信息，可以使用DB_CACHE_ADVICE参数来设定是否要收集信息，如果收集信息那么收集后的信息就会放在V$DB_CACHE_ADVICE表中。

Redo Log Buffer

数据库是处于经常在改变的，比如有时候事务失败的需要回滚，就需要Redo Log Files来记录数据库的改变，如果想恢复数据库文件就用Redo Log Files里面的内容进行恢复。Redo Log File在内存中有一个对应的Cache它称为Redo Log Buffer。每次对数据进行改变，在Redo Log里面就会有相应的一条记录，这条记录称为Redo Entries，一条Redo Entries就可以恢复一次对数据库的改变。Redo Log Buffer的SIZE由参数LOG_BUFFER来决定。

Large Pool

Large Pool主要是用于处理一些额外的工作，比如说使用RMAN进行备份需要使用Large Pool或者进行并行处理的时候会需要用到Large Pool。做一些IO操作的时候也会用到Large Pool。Large Pool的SIZE由参数LARGE_POOL_SIZE来决定。

Java Pool

Oracle支持Java编程，例如支持Java编写存储过程的，Java Pool的SIZE由参数JAVA_POOL_SIZE来决定。

PGA（Program Global Area）

PGA（Program Global Area程序全局区）与SGA不同，每一个Background Process对应一个PGA（例如：PMON就会有一个PGA与之对应）。PGA和SGA是平等的关系，并不存在包含关系。

Process Structures

Oracle分为三种类型的进程：User Process、Server Process、Background Process。其中Server Process和Background Process都属于后台进程。为了连接Oracle的后台服务器，那么User Process是在客户端所必须的进程。Oracle本身的进程细分成两类，就是前面提到的Server Process和Background Process。Oracle是可以运行在多种平台下，而Linux和Windows的进程有所不同，在Linux中进程为基本单位，所以Oracle在Linux（或Unix）中体现的是多个进程。而在Windows中一般是在进程中运行多个线程，所以Oracle在Windows中的体现是一个大的进程中运行了多个线程。

User Process

Oracle User Process就是Oracle客户端的进程，任何程序如果想去连接到Oracle的后台，那么这个程序就是Oracle的客户端（一般是编译利用Oracle提供的类库实现）。例如下面使用SQL*Plus进行登录，通过Windows Task Manager可以看到这便是Oracle User Process。

Server Process

Oracle的后台进程分为两类，一类是Background Process，另一类就是Server Process。Server Process主要是负责和User Process连接。Oracle的连接方式有两种：Dedicated Server模式和Shared Server模式。Server process是处理客户端和服务器之间连接的进程。
以Linux为例，首先通过命令ps –ef | grep oracle查看Oracle进程。

当有User Process与Server Process进行连接的时候，以Linux为例，通过ps –ef | grep oracle这时会发现后台进程中多出了一个进程（即本例中的：oracledlw），之所以客户端可以连接到Oracle Server，就是这个进程与客户端进程进行的通信，这个进程就是Server Process的一种。

在Oracle的服务器也可以通过SQL*plus命令进行客户端连接到Server Process。

那么在客户端机器使用客户端工具访问Oracle Server和在Oracle服务器上直接使用SQL*plus访问Oracle Server有什么区别呢？下图的两个大的矩形框表示两台物理机，黄色的框表示网卡，主机中的圆圈表示进程，两台机器的进行通信，需要通过网卡进行连接，一般是通过TCP/IP建立的连接，对于同一台计算机的进程之间的通信方式有两种：第一种方式为利用IPC进行通信；另一种方式为模拟TCP/IP方式，在Linux中有一个特殊的网卡【lo】这个网卡称为Local Loopback（本地环路网卡），他的IP地址永远是127.0.0.1，即使计算机不存在物理网卡这个网卡也是存在的。这种方式其实就是本地对本地的通信。

IPC：Inter Process Communication，包括共享内存、队列、信号量等几种形式。

Background Process

Background Process是Oracle Instance的核心，Oracle中有很多Background Process，下面可以通过命令 ps –ef | grep oracle 查看Oracle的进程，Oracle Background Process都是以【ora_ 】为前缀，以【_数据库实例名 】为后缀。

Oracle Background Process又分为两种：

• Mandatory Background Processes（必须的后台进程）：当Oracle Instance启动完成以后这些进程必须要存在（例如：DBWn其中n表示从0开始，可能存在多个进程）。

• Optional Background Process（可选的后台进程）：根据具体的配置，这些进程可能启动或不启动。
  

DBWn（Database Writer）

DBWn是Oracle中工作最繁重的进程。他的任务是把SGA中的Database Buffer Cache中保存着已修改过的内容（Dirty Buffer）写到Data File中，已经发生过修改的这些Buffer，在Oracle中称为Dirty Buffer（脏数据）。Data Buffer Cache中的Dirty Buffer通过DBWn Process写入Data File，如果数据库的负荷比较大，来自于客户端的请求比较多，存在大量的IO操作，需要频繁的将缓冲区的内容写到磁盘文件上，那么这时就可以配置多个DBWn（一共Oracle支持20个DBWn，DBW0-DBW9,DBWa-DBWg）。通常一个中小型的Oracle只需要一个DBW0 Process就可以了。

触发DBWn Process将缓冲区的内容写到磁盘文件的条件：

• Checkpoint Occurs
• Dirty Buffer reach threshold
• There are no free Buffers
• Timeout occurs
• RAC ping request is made
• Tablespace OFFLINE
• Tablespace READ ONLY
• Table DROP or TRUNCATE
• Tablespace BEGIN
• BACKUP

LGWR（LOG Writer）

在Oracle Instance中只有一个LGWR Process，这个Process的工作和DBWn Process类似，LGWR Process是将Redo Log Buffer中的内容写入到Redo Log Files中。Redo Log Buffer是一个循环的Buffer，对应的Redo Log Files也是一个循环的文件组，从文件头开始写，当文件写满了，又会从文件头开始写（会把前面的内容覆盖掉），为了避免将Redo Log File覆盖掉可以选择将其写入到Archived Redo Log Files中。

触发LGWR Process的条件：

• At Commit
• When one-third full
• When there is 1 MB of redo
• Every three seconds
• Before DBWn writes

SMON（System Monitor）

SMON（System Monitor）系统管理器，当Oracle运行时突然宕机，那么在下一次启动Oracle Instance的时候，它里面一些没有释放的资源，这些资源都会由SMON进行清理；在一些事务失败的时候也由SMON进行清理，或者由于内存空间很分散（不连续）这时需要SMON将这个分散的空间整合起来；对于一些临时的Segment由SMON进行释放。

PMON（Process Monitor）

PMON （ Process Monitor ）进程监控器，用于监控各个 Oracle 后台进程的，检查各个进程是否正常，发现异常的进程将其清除掉，重新生成该进程。

CKPT（Checkpoint）

CKPT（Checkpoint）主要用于写Checkpoint（检查点）、在Data File的在文件头更新检查点信息、在Control File中更新检查点的信息。

ARCn（Archiver）

ARCn（Archiver）是Oracle中的可选项的进程（几乎可看作必选项进程），Oracle可以运行在两种模式下，一种是ARCHIVELOG MODE（归档模式）；另一种是NOARCHIVELOG MODE（非归档模式）。Redo Log Files是一个循环文件组，从头开始写，写完了以后，又回到最开始的地方写（即：覆盖原来的开头部分），在覆盖之前就可以通过ACRn进程将老的信息写到Archiver Redo Log files（归档日志文件）中，基本上所有的生产数据库都会运行在Archiver模式，否则数据库发生灾难性事故后就很难进行恢复了。

Logical Structure

Oracle有一套Logical Structures（逻辑结构），一个Oracle Server只有一个Oracle Database，一个Oracle Database可以由多个Tablespace组成，一个Tablespace可以有多个Segment组成，一个Segmnet可以由多个Extent组成。一个Extent是一组连续的Blocks组成，Block是Oracle中的最小基本单位，Oracle中的Block对应着操作系统的Block，操作系统的文件系统也是由Block组成的，一个Block又对应着内存中的一个Page，Oracle的Block是操作系统文件系统的Block的整数倍，例如： Oracle的一个Block对应着操作系统的1个Block或者Oracle的一个Block对应着操作系统的2个Block。Oracle中有一个重要的参数DB_BLOCK_SIZE，该参数用于设置Oracle Block的SIZE（通常Oracle的Block=8K）。一堆连续的Block组成了Extent。很多Extent（不一定是连续的）组成了Segment。一个或多个Segment就组成了一个Tablespace。一个Tablespace或多个Tablespace组成了Oracle Database。Oracle有很多Data File，这些Data File其实就是他的物理结构。一个Tablespace可以由多个Data File组成，一个Segment也可以由多个Data file组成，但Segment和Data File并没有隶属关系，一个Data File必然属于一个Tablespace，但是一个Data File不一定属于一个Segment，Extent不能跨Data File，一个Extent只能存在于一个Data File中。

Processing SQL Statements

Oracle处理SQL语句的过程分为以下阶段：客户端Connect到后台建立一个Connection，建立一个会话，建立完成后， 向后台发出SQL语句，发到后台第一个阶段Parseing（其实在做Parseing之前还要做安全检查，查看用户的权限），Parseing就是解析SQL语句，把SQL语句分解成它能够执行的原子操作；下一个阶段叫做Banding，就是把一些变量绑定在SQL语句上，接下来就开始执行，执行完成SQL语句后，把返回的结果返回给客户端。
SQL语句分为几种：一种就是查询语句，就是SELECT，第二种是DML（数据操作语言），也就是INSERT、DELETE、UPDATE。比如说去UPDATE一条记录的时候，这条语句通过Parseing、通过安全检查后以及解析成原子操作后开始执行的时候，如果该操做的记录没有在SGA的Database Buffer Cache中，就会从磁盘上的数据文件中读取上来，然后再进行更新操作。