Oracle的逻辑结构、物理结构与实例

Oracle体系结构数据库（Database）数据库是一个数据的集合，不仅是指物理上的数据，也指物理、存储及进程对象的一个组合。Oracle是一个基于B/S模式的关系型数据库管理系统（RDBMS）。Oracle系统体系结构由三部分组成：逻辑结构、物理结构和实例。数据库（Database）一、Oracle的逻辑结构Oracle的逻辑结构是一种层次结构。主要由：表空间、段、区和数据块等概念组成。逻辑结构是面向用户的，用户使用Oracle开发应用程序使用的就是逻辑结构。数据库存储层次结构及其构成关系,结构对象也从数据块到表空间形成了不同层次的粒度关系。1.数据块（Data Blocks）数据块是Oracle最小的存储单位，Oracle数据存放在“块”中。一个块占用一定的磁盘空间。特别注意的是，这里的“块”是Oracle的“数据块”，不是操作系统的“块”。Oracle每次请求数据的时候，都是以块为单位。也就是说，Oracle每次请求的数据是块的整数倍。如果Oracle请求的数据量不到一块，Oracle也会读取整个块。所以说，“块”是Oracle读写数据的最小单位或者最基本的单位。块的标准大小由初始化参数DB_BLOCK_SIZE指定。具有标准大小的块称为标准块(Standard Block)。块的大小和标准块的大小不同的块叫非标准块(Nonstandard Block)。操作系统每次执行I/O的时候，是以操作系统的块为单位;Oracle每次执行I/O的时候，都是以Oracle的块为单位。Oracle数据块大小一般是操作系统块的整数倍。数据块的格式(Data Block Format)块中存放表的数据和索引的数据，无论存放哪种类型的数据，块的格式都是相同的，块由块头(header/Common and Variable),表目录(Table Directory),行目录(Row Directory),空余空间(Free Space)和行数据(Row Data)五部分组成，如下图 块头(header/Common and Variable)：存放块的基本信息，如：块的物理地址，块所属的段的类型(是数据段还是索引段)。表目录(Table Directory)：存放表的信息，即：如果一些表的数据被存放在这个块中，那么，这些表的相关信息将被存放在“表目录”中。行目录(Row Directory)：如果块中有行数据存在，则，这些行的信息将被记录在行目录中。这些信息包括行的地址等。行数据(Row Data)：是真正存放表数据和索引数据的地方。这部分空间是已被数据行占用的空间。空余空间(Free Space)：空余空间是一个块中未使用的区域，这片区域用于新行的插入和已经存在的行的更新。头部信息区(Overhead)：我们把块头(header/Common and Variable),表目录(Table Directory),行目录(Row Directory)这三部分合称为头部信息区(Overhead)。头部信息区不存放数据，它存放的整个块的信息。头部信息区的大小是可变的。一般来说，头部信息区的大小介于84字节(bytes)到107字节(bytes)之间。数据块中自由空间的使用当往数据库中插入(INSERT)数据的时候，块中的自由空间会减少;当对块中已经存在的行进行修改(UPDATE)的时候(使记录长度增加)，块中的自由空间也会减少。DELETE语句和UPDATE语句会使块中的自由空间增加。当使用DELETE语句删除块中的记录或者使用UPDATE语句把列的值更改成一个更小值的时候，Oracle会释放出一部分自由空间。释放出的自由空间并不一定是连续的。通常情况下，Oracle不会对块中不连续的自由空间进行合并。因为合并数据块中不连续的自由空间会影响数据库的性能。只有当用户进行数据插入(INSERT)或者更新(UPDATE)操作，却找不到连续的自由空间的时候，Oracle才会合并数据块中不连续的自由空间。对于块中的自由空间，Oracle提供两种管理方式：自动管理，手动管理行链接和行迁移(Row Chaining and Migrating)行链接(Row Chaining)：如果我们往数据库中插入(INSERT)一行数据，这行数据很大，以至于一个数据块存不下一整行，Oracle就会把一行数据分作几段存在几个数据块中，这个过程叫行链接(Row Chaining)。如下图所示：如果一行数据是普通行，这行数据能够存放在一个数据块中;如果一行数据是链接行，这行数据存放在多个数据块中。行迁移(Row Migrating)：数据块中存在一条记录，用户执行UPDATE更新这条记录，这个UPDATE操作使这条记录变长，这时候，Oracle在这个数据块中进行查找，但是找不到能够容纳下这条记录的空间，无奈之下，Oracle只能把整行数据移到一个新的数据块。原来的数据块中保留一个“指针”，这个“指针”指向新的数据块。被移动的这条记录的ROWID保持不变。行迁移的原理如下图所示：无论是行链接还是行迁移，都会影响数据库的性能。Oracle在读取这样的记录的时候，Oracle会扫描多个数据块，执行更多的I/O。块中自由空间的自动管理Oracle使用位图(bitmap)来管理和跟踪数据块，这种块的空间管理方式叫“自动管理”。自动管理有下面的好处：易于使用更好地利用空间可以对空间进行实时调整块中自由空间的手动管理用户可以通过PCTFREE, PCTUSED来调整块中空间的使用，这种管理方式叫手动管理。相对于自动管理，手动管理方式比较麻烦，不容易掌握，容易造成块中空间的浪费。PCTUSED也是用于设置一个百分比，当块中已使用的空间的比例小于这个百分比的时候，这个块才被标识为有效状态。只有有效的块才被允许插入数据。PCTFREE参数用于指定块中必须保留的最小空闲空间百分例，默认值为10。之所以要预留这样的空间，是因为UPDATE时，需要这些空间。如果UPDATE时，没有空余空间，Oracle就会分配一个新的块，这会产生行迁移(Row Migrating)。例如，假定在Create table语句中指定了pctfree为20，则说明在该表的数据段内每个数据块的20%被作为可利用的空闲空间，用于更新已在数据块内存在的数据行其余80%是用于插入新的数据行，直到达到80%为止。显然，pctfree值越小，则为现存行更新所预留的空间越少。因此，如果pctfree设置得太高，则在全表扫描期间增加I/O，浪费磁盘空间；如果pctfree设置得太低，则会导致行迁移。 pctused参数设置了数据块是否是空闲的界限。当数据块的使用空间低于pctused的值时，此数据块标志为空闲，该空闲空间仅用于插入新的行。如果数据块已经达到了由pctfree所确定的上边界时，Oracle就认为此数据块已经无法再插入新的行。例如，假定在Create table语句中指定pctused为40，则当小于或等于39时，该数据块才是可用的。所以，可将数据块填得更满，这样可节省空间，但却增加了处理开销，因为数据块的空闲空间总是要被更新的行占据，所以对数据块需要频繁地进行重新组织。比较低的pctused增加了数据库的空闲空间，但减少了更新操作的处理开销。所以，如果pctused设置过高，则会降低磁盘的利用率导致行迁移；若pctused设置过低，则浪费磁盘空间，增加全表扫描时的I/O输出。pctused是与pctfree相对的参数。 那么，如何选择pctfree和pctused的值呢？有个公式可供参考。显然，pctfree和pctused的之和不能超过100。若两者之和低于100，则空间的利用与系统的I/O之间的最佳平衡点是：pctfree与pctused之和等于100%减去一行的大小占块空间大小的百分比。例如，如果块大小为2048字节，则它需要100个字节的开销，而行大小是390字节（为可用块的20%）。为了充分利用空间，pctfree与pctused之和最好为80%。 那么，怎样确定数据块大小呢？有两个因素需要考虑： 一是数据库环境类型。例如，是DSS环境还是OLTP环境？在数据仓库环境（OLAP或DSS）下，用户需要进行许多运行时间很长的查询，所以应当使用大的数据块。在OLTP系统中，用户处理大量的小型事务，采用较小数据块能够获得更好的效果。 二是SGA的大小。数据库缓冲区的大小由数据块大小和初始化文件的db_block_buffers参数决定。最好设为操作系统I/O的整数倍。2数据区（Extent）是一组连续的数据块。当一个表、回滚段或临时段创建或需要附加空间时，系统总是为之分配一个新的数据区。一个数据区不能跨越多个文件，因为它包含连续的数据块。使用区的目的是用来保存特定数据类型的数据，也是表中数据增长的基本单位。在Oracle数据库中，分配空间就是以数据区为单位的。一个Oracle对象包含至少一个数据区。设置一个表或索引的存储参数包含设置它的数据区大小。3段（Segment）是由多个数据区构成的，它是为特定的数据库对象（如表段、索引段、回滚段、临时段）分配的一系列数据区。段内包含的数据区可以不连续，并且可以跨越多个文件。使用段的目的是用来保存特定对象。 一个Oracle数据库有4种类型的段： 数据段：数据段也称为表段，它包含数据并且与表和簇相关。当创建一个表时，系统自动创建一个以该表的名字命名的数据段。 索引段：包含了用于提高系统性能的索引。一旦建立索引，系统自动创建一个以该索引的名字命名的索引段。 回滚段：包含了回滚信息，并在数据库恢复期间使用，以便为数据库提供读入一致性和回滚未提交的事务，即用来回滚事务的数据空间。当一个事务开始处理时，系统为之分配回滚段，回滚段可以动态创建和撤销。系统有个默认的回滚段，其管理方式既可以是自动的，也可以是手工的。 临时段：它是Oracle在运行过程中自行创建的段。当一个SQL语句需要临时工作区时，由Oracle建立临时段。一旦语句执行完毕，临时段的区间便退回给系统。4表空间（tablespace）是数据库的逻辑划分。任何数据库对象在存储时都必须存储在某个表空间中。表空间对应于若干个磁盘文件，即表空间是由一个或多个磁盘文件构成的。表空间相当于操作系统中的文件夹，也是数据库逻辑结构与物理文件之间的一个映射。每个数据库至少有一个表空间（system tablespace），表空间的大小等于所有从属于它的数据文件大小的总和。（1）系统表空间（system tablespace）是每个Oracle数据库都必须具备的。其功能是在系统表空间中存放诸如表空间名称、表空间所含数据文件等数据库管理所需的信息。系统表空间的名称是不可更改的。系统表空间必须在任何时候都可以用，也是数据库运行的必要条件。因此，系统表空间是不能脱机的。 系统表空间包括数据字典、存储过程、触发器和系统回滚段。为避免系统表空间产生存储碎片以及争用系统资源的问题，应创建一个独立的表空间用来单独存储用户数据。（2）SYSAUX表空间 是随着数据库的创建而创建的，它充当SYSTEM的辅助表空间，主要存储除数据字典以外的其他对象。SYSAUX也是许多Oracle 数据库的默认表空间，它减少了由数据库和DBA管理的表空间数量，降低了SYSTEM表空间的负荷。（3）临时表空间 相对于其他表空间而言，临时表空间（temp tablespace）主要用于存储Oracle数据库运行期间所产生的临时数据。数据库可