Oracle9i 数据库管理实务讲座(三)-Oracle9i Instance组成与运作原理

　　作者: 何致億, 美商甲骨文公司台湾分公司 特约顾问
　　
　　前言
　　
　　前两期的专栏内容已分别为大家介绍了 Oracle9i for Linux 的安装方式，以及Oracle9i 企业版概观。但是如何组态与管理 Oracle9i 数据库才是我们要讨论的重点。本文将深入探讨 Oracle9i Instance的组成要素与其运作原理，为您揭开 Oracle9i 的神秘面纱。
　　
　　本文将涵盖以下主题：
　　
　　　　　　Oracle9i 服务器架构简介。
　　
　　　　　　何谓 Oracle9i Instance
　　
　　　　　　系统全域区
　　
　　　　　　背景处理程序
　　在开始任何Oracle9i数据库管理工作之前，您必须先熟悉 Oracle9i服务器之整体架构及其运作原理。所以我先为大家简介 Oracle9i 服务器的基本组成架构。
　　
　　Oracle9i服务器架构
　　
　　以Oracle9i数据库系统本身而言，大致上可区分为两个主要部分：
　　
　　　　　　Oracle9i执行个体(Oracle9i Instance)
　　
　　　　　　Oracle9i数据库档案(Database files)。
　　
　　
　　
　　简言之，Oracle9i Instance 是指数据库服务器的内存与相关处理程序。您可以想象它就是Oracle9i的心脏。数据库实体则由操作系统内的各式档案组成。如果您想深入了解Oracle9i 系统运作或从事进阶的效能调校，那么一定要搞清楚这两部分彼此的互动关系才行！Oracle9i服务器基本架构如图1所示：
　　　
　　图1：Oracle9i 服务器基本架构。
　　
　　
　　
　　图1上半部为内存内Oracle9i Instance，下半部则是位于操作系统的各种数据库档案(有关这些档案的细部信息将在下一期说明)。彼此之间是藉由各个背景处理程序互相沟通。
　　
　　
　　
　　接下来我们先讨论Oracle9i Instance的组成要素。
　　
　　
　　
　　何谓Oracle9i Instance?
　　
　　第一次接触Oracle数据库的使用者经常对「Oracle Instance」这个名词感到混淆，因为Instance这个单字从字典上查到的意义跟数据库一点关系也没有！某些中文书译者喜欢将Oracle Instance译为「Oracle实例」，但是我认为这个译名十分不恰当！我个人比较倾向称它为「Oracle执行个体」；俗称「Oracle数据库引擎」。既然是数据库引擎，就表示Oracle数据库内大大小小的事都跟它有关系，当然这也是我们一开始就先讨论的主要原因啰。
　　
　　Oracle9i 执行个体主要是由以下两项要素组成：
　　
　　n　　　　　　系统全域区(System Global Area)
　　
　　n　　　　　　背景处理程序(background processes)
　　
　　
　　
　　来看看什么是「系统全域区」？
　　
　　系统全域区
　　
　　当您激活Oracle9i数据库时，系统会先在内存内规划一个固定区域，用来储存每位使用者所需存取的资料，以及Oracle9i运作时必备的系统信息。我们称此区域为系统全域区(System Global Area)，俗称SGA (注1) 。
　　
　　
　　
　　在 Oracle8i 时，SGA 的大小是由起始参数档(initialization parameter file )内的某些参数所设定。但最麻烦的是每次调整参数之后必须等重新激活数据库才生效(感觉就像在Windows系统修改了一些设定就要重新开机)。光是数据库的关闭与激活就花去不少时间(难怪大家羡幕 Oracle Consultant 很好赚….., just kidding!! )，何况是执行关键性任务的数据库哪能一天到晚开来关去!? 从 Oracle9i 开始，DBA 可以动态配置内存的大小；这样的技术我们称为「dynamic SGA」。有了dynamic SGA ，SGA 的各组成区域都可以动态地进行规划与调整，而不需先关闭数据库。
　　
　　Tips: 起始参数档(Initialization Parameter file)之意义
　　
　　如上所述，Oracle Instance被激活时，系统必须藉由某些参数值来配置适当大小的内存空间。换言之，我们可以在激活Instance之前就先规划这些参数的设定值，并储存在操作系统下的某个档案里。往后只要利用此档案就可开启相对应的Oracle Instance — 我们就将这个档案称之为起始参数档。
　　
　　一般来说，我们还是应该在激活 Oracle9i 之前就妥善规划好适当的内存空间。例如，起始参数档的 SGA_MAX_SIZE(注2)可设定 SGA 所占用的最大内存空间。如果考虑 Oracle9i 的执行效能，理应将此参数尽可能设到最大！但有一点需要注意的是：SGA_MAX_SIZE 尽量不要超过物理内存大小，否则将会使用到硬盘上的虚拟内存，反而导致效能低落。
　　
　　
　　
　　SGA 的大小可由起始参数档之特定参数所控制，表1整理出与SGA相关的参数名称及其意义：
　　
　　　
　　
　　注1：在多人使用的环境下，SGA 的资料可分享给所有同时上线的联机阶段使用，所以 SGA 有时也称为 Shared Global Area。
　　
　　注2：如果 SGA_MAX_SIZE 之设定值小于其它 SGA 相关参数设定值的总和；或是小于各相关参数默认值的总和，则 SGA_MAX_SIZE 之设定值无效。
　　
　　
　　
　　如图1所示，SGA又包含数个重要区域，分别是：
　　
　　n　　　　　　Database Buffer Cache (资料快取缓冲区)
　　
　　n　　　　　　Redo Log Buffer (重置日志缓冲区)
　　
　　n　　　　　　Shared Pool (共享区)
　　
　　n　　　　　　其它，如Large pool
　　
　　
　　
　　以下是每个区域之意义、用途，以及相关设定方式。
　　
　　
　　
　　资料快取缓冲区
　　
　　为SGA 的主要成员，用来存放读取自数据文件的资料区块复本，或是使用者曾经处理过的资料。其用途在于有效减少存取资料时造成的磁盘读写动作，进而提升资料存取之效能。所有同时上线的使用者都可以共享此缓冲区的资料。
　　
　　
　　
　　整个资料快取缓冲区包含两种缓冲区串行，分别是 write list 与 LRU list：
　　
　　n　　　　　　Write list 存放dirty buffers(注3)之复本，会在适当时机写入磁盘。
　　
　　n　　　　　　LRU list 包含：free buffers，dirty buffers与pinned buffers。其中free buffer 为空白的缓冲区，随时可存放资料；pinned buffer则是目前使用中的缓冲区。
　　
　　注3： dirty buffer 是存放”已修改，但尚未写入磁盘的数据”之缓冲区。
　　
　　
　　
　　资料快取缓冲区运作原理
　　
　　当使用者第一次向Oracle9i 送出资料查询请求时，Oracle9i 会先在资料快取缓冲区内寻找该资料。如果欲查询的资料恰好已存在于缓冲区内(这样的情况我们称之为 cache hit )，就直接从内存读出资料。
　　
　　
　　
　　反之，如果缓冲区内并没有使用者欲查询的资料(此情况称为 cache miss )，Oracle9i就会先从磁盘上数据文件读出适当的数据区块，放入缓冲区之后，使用者才从缓冲区读取资料。您可以想象一下：在 “cache hit” 的情况下查询资料的速度是不是比在 ”cache miss” 的情况还快很多呢？事实上，这就是资料快取缓冲区的主要用途所在。
　　
　　
　　
　　让我们进行更深入的讨论！
　　
　　
　　
　　
　　
　　当资料区块从磁盘读出，准备放入缓冲区时，系统必须先确定资料快取缓冲区内有free buffers。这时候Oracle9i 会开始扫描 LRU list，扫描的原则为：
　　
　　n　　　　　　从 LRU 端扫到 MRU 端
　　
　　n　　　　　　当扫描到 free buffer；或是已扫描的缓冲区数目超过临界值时，就会停止扫描动作
　　
　　n　　　　　　扫描 LRU list 时如果发现了dirty buffer，就将它移到 write list，然后继续扫描
　　
　　如果扫描过程顺利在LRU list 内找到 free buffer，那么Oracle9i就会把从磁盘读出的数据区块放入此 free buffer中，然后再把它移到 LRU list 的 MRU 端。
　　
　　但是，如果 LRU list 真的都没有free buffer怎么办呢？那么Oracle9i 就会停止扫描动作，然后通知数据库写入器(database writer)背景处理程序将部分 dirty buffers 先写入磁盘，接着从 LRU list 的 LRU端开始清除缓冲区。如此一来就可以空出新的free buffer了。
　　
　　Tips：LRU list 与 LRU 算法
　　
　　所谓 LRU (least recently used)算法之基本概念为：当内存内剩余可利用的空间不足时，缓冲区尽可能先保留使用者最常使用的资料；换言之，优先清除”较不常使用的资料”，并释放其空间。我以图标方式为大家说明：
　　
　　我们将 LRU list 想象成是长条型一连串的缓冲区集合，两端点分别为「MRU端」以及「LRU端」。所谓的「MRU」为「Most Recently Used」之缩写，我将之译为”最常使用的”(或是”最近使用的”)。所以，愈靠近MRU端的缓冲区，代表其为被使用者最近查询过的资料。同理，我们将「LRU」端视为”最不常被查询的资料(Least Recently Used)”，或是”很久都没被再次查询的资料”。如下图2中的 State 0 所示：(假设目前LRU list没有任何资料存放)
　　
　　　
　　图2：LRU list第一种使用情况。
　　图2的State1、State2、State3仿真某个使用者欲从Oracle9i数据库查询出三笔资料(A资料、B资料、C资料)。这三笔数据从磁盘读出后，依序放入LRU list的free buffers。以State3为例：因为C资料是”最近刚刚使用”的资料，所以最靠近MRU端；相较之下，A资料是”有一段时间都没用的资料”，所以比较靠近LRU端。依此类推，如果使用者持续地查询资料或进行相关数据处理动作，则LRU list内的缓冲区都会被填满，如图2的State m所示：M资料填满最后一个free buffer。