Oracle数据库体系结构教学课程

1,第2章Oracle数据库体系结构,教师：陈玉明E-Mail：ymchen,厦门理工学院计算机系,2,内容简介,本课主要讲授Oracle10g体系结构适用于数据库管理员(DBA)Oracle9i同样适用,厦门理工学院计算机系,3,概要,DBA的职责Oracle体系结构由内存结构、进程结构、存储结构组成内存结构由SGA、PGA组成存储结构由逻辑存储、物理存储组成进程结构由用户进程和Oracle进程组成.,厦门理工学院计算机系,4,什么是DBA？,数据库管理员是一个或一组全面负责管理和控制数据库系统的人员。简称:DBA(DataBaseAdministrator),厦门理工学院计算机系,5,DBA的主要职责,了解ORACLE数据库的体系结构负责数据库管理系统的安装和升级启动和关闭数据库管理和监控数据库用户管理数据库特权管理存储空间建立数据库后备和恢复数据库,厦门理工学院计算机系,6,DBA与理论知识,作为一名合格的DBA,必须深入地掌握Oracle10g数据库的体系结构.在理论知识的指导下,才会使许多难以理解和掌握的操作变得容易.,厦门理工学院计算机系,7,Oracle工作原理,数据库系统处理过程示意,厦门理工学院计算机系,8,处理过程可以简单的描述为:用户在其机器上运行基于Oracle的应用程序(如:SQL*PLUS、PL/SQLDeveloper等),即启动用户进程.客户机、服务器之间建立连接(Connect).服务器为用户建立会话(Session),并为该会话建立一个PGA(ProgramGlobalArea,程序全局区)以存储与该会话相关的信息.在同一个连接中,不同的用户有不同的会话.启动服务进程,由该服务进程负责执行该会话的各项任务.用户进程发送SQL语句(select、update、commit.)服务器进程解析、编译、执行SQL语句，然后将结果写入数据库并返回结果给用户进程。用户进程接收返回的SQL执行结果。在应用程序中显示SQL执行结果.,Oracle工作原理,厦门理工学院计算机系,9,处理查询,用户进程,服务器进程,SELECT*FROMempORDERBYename;,厦门理工学院计算机系,10,总体结构,总体结构的三大部分,厦门理工学院计算机系,11,总体结构,厦门理工学院计算机系,12,总体结构,其中:内存结构：包括SGA和PGA.使用内存最多的是SGA,同时也是影响数据库性能的最大参数.进程结构：包括前台进程、后台进程.前台进程是指服务进程和用户进程.前台进程是根据实际需要而运行的，并在需要结束后立刻结束。后台进程是指在Oracle数据库启动后,自动启动的几个操作系统进程.存储结构：包括控制文件、数据结构、日志文件等操作系统文件.,厦门理工学院计算机系,13,存储结构,Oracle数据库的存储结构分为逻辑存储结构和物理存储结构,这两种存储结构既相互独立又相互联系.,厦门理工学院计算机系,14,物理存储结构,物理存储结构主要描述Oracle数据库的外部存储结构,即在操作系统种如何组织、管理数据.因此，物理存储结构是和操作系统平台有关的.,厦门理工学院计算机系,15,逻辑存储结构,逻辑存储结构主要描述Oracle数据库的内部存储结构,即从技术概念上描述在Oracle数据库种如何组织、管理数据.因此,逻辑存储结构是和操作系统平台无关的,是由Oracle数据库创建和管理的.,厦门理工学院计算机系,16,DBA注意,DBA必须对这两种存储结构有清晰的理解，并且要清楚在一个具体数据库应用系统中，这两种存储结构的具体对应关系，否则就不能进行正常的管理操作、数据库备份与恢复、性能优化等。,厦门理工学院计算机系,17,存储结构,物理存储结构与逻辑存储结构之间的关系,从物理上看,数据库由控制文件、数据文件、重做日志文件等操作系统文件组成；从逻辑上来看，数据库是由系统表空间、用户表空间等组成。表空间是最大的逻辑单位，块是最小的逻辑单位。逻辑存储结构中的块最后对应到操作系统中的块.,18,Oracle10g体系结构,-2.1物理结构,厦门理工学院计算机系,19,Oracle数据库物理结构,数据文件日志文件控制文件参数文件,厦门理工学院计算机系,20,数据文件(DataFile)是物理存储Oracle数据库数据的文件。其特点如下：每一个数据文件只与一个数据库相联系。数据文件一旦被建立则不能修改其大小。一个表空间可包含一个或多个数据文件。一个数据文件只能属于一个表空间.,数据文件(DataFile),厦门理工学院计算机系,21,重做日志文件(RedoFile),重做日志文件(RedoLogFile)记录所有对数据库数据的修改，以备恢复数据时使用。其特点如下：每一个数据库至少包含两个日志文件组。日志文件组以循环方式进行写操作。每一个日志文件成员对应一个物理文件。,厦门理工学院计算机系,22,日志切换(LogSwitch),日志切换(LogSwitch)是为实现日志文件组的循环使用而设置的。出现日志开关的情况如下：当一个日志文件组被填满时关闭数据库时DBA手动切换日志,厦门理工学院计算机系,23,日志文件写操作,Group1,Group2,Member2.1,Member1.1,厦门理工学院计算机系,24,镜像日志文件,镜像日志文件是为防止日志文件的丢失，在不同磁盘上同时维护两个或多个联机日志文件的副本。其特点如下：每个日志文件组至少包含两个日志文件成员。每组的成员数目相同。同组的所有成员同时被修改。同组的成员大小相同,不同组的成员大小可不同.,厦门理工学院计算机系,25,镜像日志文件操作,Group1,Group2,Disk1,Disk2,厦门理工学院计算机系,26,控制文件,控制文件(ControlFile)是一个较小的二进制文件，用于描述数据库结构。,描述信息如下：数据库建立的日期。数据库名。数据库中所有数据文件和日志文件的文件名及路径。恢复数据库时所需的同步信息。,要点注意：在打开和存取数据库时都要访问该文件。镜像控制文件。记录控制文件名及路径的参数为：CONTROL_FILES,厦门理工学院计算机系,27,参数文件,参数文件（ParameterFile）是一个文本文件，可直接使用操作系统下的文本编辑器对其内容进行修改。该文件只在建立数据库或启动实例时才被访问，在修改该文件之前必须关闭实例。初始参数文件：init.ora生成参数文件：initSID.oraconfig.ora,位于OracleHome下，如：C:oracleadminTestDBpfile,厦门理工学院计算机系,28,参数文件的作用,参数文件的作用：确定存储结构的大小。设置数据库的全部缺省值。设置数据库的范围。设置数据库的各种物理属性。优化数据库性能。,厦门理工学院计算机系,29,参数文件的数据类型,参数文件中参数的数据类型：整型例：DB_BLOCK_SIZE=2048字符型例：DB_NAME=ora9逻辑型例：CHECKPOINT_PROCESS=true,30,Oracle10g体系结构,-2.2逻辑结构,厦门理工学院计算机系,31,Oralce的逻辑结构组成,Oracle的逻辑结构是由一个或多个表空间组成。一个表空间(tablespace)由一组段组成一个段(segment)由一组区组成一个区(extent)由一批数据库块组成一个数据库块(block)对应一个或多个物理块,厦门理工学院计算机系,32,逻辑结构示意图,表空间,段,区,块,厦门理工学院计算机系,33,数据库块(Block),数据库块（DatabaseBlock）是数据库使用的I/O最小单元，又称逻辑块或ORACLE块。一个数据库块对应一个或多个物理块，块的大小由参数DB_BLOCK_SIZE确定。,厦门理工学院计算机系,34,数据库块(Block),块的大小是操作系统块大小的整数倍.以Win2K为例,操作系统块(OSblock)的大小为4kb，所以OracleBlock的大小可以是4kb,8kb,16kb等等。如果块的大小为4kb，某表每行的数据是100bytes.，如果某查询语句只返回1行数据,那么，在将数据读入到数据高速缓存时,读取的数据量时4kb而不是100bytes.,厦门理工学院计算机系,35,区(extent),区(Extent)是数据库存储空间分配的逻辑单位，一个区由一组数据库块组成，区是由段分配的，分配的第一个区称初始区，以后分配的区称增量区。,厦门理工学院计算机系,36,段(segment),段（Segment）是表空间中一个指定类型的逻辑存储结构，它由一个或多个区组成，段将占用并增长存储空间。,厦门理工学院计算机系,37,段的分类,段的分类,厦门理工学院计算机系,38,表空间(tablespace),表空间是最大的逻辑单位，对应一个或多个数据文件，表空间的大小是它所对应的数据文件大小的总和。,厦门理工学院计算机系,39,表空间与数据库之间的关系,数据库、表空间、数据文件、方案对象(schemaobject)之间的关系,厦门理工学院计算机系,40,Oracle10g创建的表空间,Oracle10g自动创建的表空间有:Example(实例表空间)Sysaux(辅助系统表空间)System(系统表空间)Temp(临时表空间)Undotbs(重做表空间)Users(用户的表空间),厦门理工学院计算机系,41,SYSTEM(系统)表空间,System:系统表空间,存放关于表空间的名称、控制文件、数据文件等管理信息，是最重要的表空间.它属于Sys、System两个schema(方案)，仅被这两个或其他具有足够权限的用户使用。但是均不可删除或者重命名System表空间.,厦门理工学院计算机系,42,其他表空间,Temp:临时表空间存放临时表和临时数据，用于排序。Users:用户表空间，永久存放用户对象和私有信息，也被成为数据表空间。Sysaux:辅助系统表空间，用于减少系统负荷，提高系统的作业效率.一般地：系统用户使用system表空间,非系统用户使用Users表空间,43,Oracle10g体系结构,-2.3软件结构,厦门理工学院计算机系,44,例程(instance),Oracle数据库结构又称为例程结构.数据库启动时：Oracle首先要在内存中获取、划分、保留各种用途的区域,运行各种用途的后台,即：创建一个例程(instance)；然后由该例程装载(mount)、打开(open)数据库；最后由这个例程来访问和控制数据库的各种物理结构,厦门理工学院计算机系,45,例程(instance),如果把Oracle数据库比作一部汽车，instance相当于汽车的发动机一样,启动oracle数据库前提应先启动instance.,厦门理工学院计算机系,46,例程(instance),当用户连接到数据库并使用数据库时，实际上是连接到该数据库的例程，通过例程来连接、使用数据库。所以例程是用户和数据库之间的中间层。例程与数据库的区别：数据库指的是存储数据的物理结构，总是实际存在的；例程则是由内存结构和一系列进程组成，可以启动和关闭。,厦门理工学院计算机系,47,OracleInstance的组成,实例（INSTANCE）是存取和控制数据库的软件机制，它由系统全局区（SystemGlobalArea，简称SGA）和后台进程组成。,数据高速缓存,共享池,日志高速缓存,厦门理工学院计算机系,48,软件结构,内存结构,进程结构,内存结构和进程结构共同组成了软件结构,厦门理工学院计算机系,49,内存结构,内存结构是Oracle数据库体系中最为重要的一部分，内存也是影响数据库性能的第一因素.按照内存的使用方法的不同,Oracle数据库的内存又可以分为SGA(SysteGlobalArea)和PGA(ProgramGlobalArea).,厦门理工学院计算机系,50,系统全局区(SGA),SGA是ORACLE系统为实例分配的一组共享缓冲存储区，用于存放数据库数据和控制信息，以实现对数据库数据的管理和操作。每个例程都只有一个SGA.它是不同用户进程与服务进程进行通信的中心,数据库的各种操作主要在SGA中进行,所以称其为系统全局区.创建例程时,Oracle为SGA分配内存;终止例程时,释放SGA所占用的内存.,厦门理工学院计算机系,51,系统全局区(SGA),系统全局区由以下几个部分组成：,厦门理工学院计算机系,52,数据高速缓存(DatabaseBufferCache),保存最近从数据文件中读取的数据块,其中的数据被所有用户共享.两个参数影响DBC：DB_BLOCK_SIZE缓冲区数据块大小DB_BLOCK_BUFFERS缓冲区数据块个数,厦门理工学院计算机系,53,初次访问数据时,Oracle将读取磁盘上的数据文件,将数据放入数据高速缓存，再处理数据；如果数据已经位于数据高速缓存中时,Oracle直接操作数据。,数据高速缓存(DatabaseBufferCache),厦门理工学院计算机系,54,数据高速缓存(DBC),DBC的缓存块分为三类:脏缓存块存放已经被修改过的缓存块.当SQL修改某个缓存块中的数据，则这个缓存块被标记为脏缓存块空闲缓存块等待写入数据的空闲缓存块.命中缓存块最近正在被访问的缓存块.,厦门理工学院计算机系,55,管理缓存块的列表,Oracle通过2个列表来管理上述缓存块:脏列表(DIRTY)包括被修改过但尚未写到数据文件的缓冲块。LRU(LeastRecentlyUsed)列表包括空闲缓冲块、命中缓存块,以及还没有移到脏列表的缓冲块。,厦门理工学院计算机系,56,数据高速缓存工作原理,读数据入DBC之前,先在LRU中搜索空闲缓存块;在搜索过程中如果发现脏缓存块,则将其移入DIRTY;找到足够的空闲块,将所有数据读入；3，4.如果空闲块不足，则暂停搜索，Oralce立刻启动DBWR进程,将DIRTY中的脏缓存块数据写入数据文件释放足够的空闲缓存块。,数据库写进程,厦门理工学院计算机系,57,重做日志高速缓存,当执行DML(DataManipulationLanguage,数据操纵语言)如:update、delete、insert或者create、alter、drop等语句时,Oracle都会为这些操作生成重做记录.重做日志高速缓存就是用于存储重做记录的缓存.,厦门理工学院计算机系,58,重做日志高速缓存工作原理,为提高效率,重做记录并不直接写入磁盘的重做日志文件,而是先写入重做日志缓存;当重做日志缓存中的重做记录达到一定数量时,由LGWR进程写入重做日志.(先内存后磁盘)当2个(至少2个)重做日志切换时,由ARCH将重做日志中的数据写入归档日志文件，以做备份.,日志写进程,归档进程,厦门理工学院计算机系,59,共享池(SharedPool),共享池保存了最近执行的SQL语句、PL/SQL程序和数据字典信息,是对SQL语句和PL/SQL程序进行语法分析、编译、执行的内存区.,厦门理工学院计算机系,60,共享池(SharedPool),共享池由库缓存和数据字典缓存组成。参数SHARED_POOL_SIZE确定共享池的大小。,库缓存(LibraryCache)区包括解析用户进程提交的SQL语句或PL/SQL程序保存最近解析过的SQL语句或PL/SQL程序,数据字典区(Dictionarycache)用于存放数据字典信息行。,厦门理工学院计算机系,61,OracleDBMS执行各种SQL、PL/SQL之前,要对其进行语法上的解析、对象上的确认、权限上的判断、操作上的优化等一系列操作，并生成执行计划。库缓存保存了已经解析的SQL和PL/SQL。,库缓存,厦门理工学院计算机系,62,数据字典缓存,在Oracle运行过程中,Oracle会频繁的对数据字典中的表、视图进行访问，以便确定操作的数据对象是否存在、是否具有合适的权限等信息。数据字典缓保存了最常用的数据字典信息。数据字典缓存中存放的记录是一条一条的,而其他缓存区中保存的是数据块.,厦门理工学院计算机系,63,大池,大池用于需要大内存操作提供相对独立的内存空间，以便提高性能。大池是可选的内存结构。DBA可以决定是否需要在SGA中创建大池。需要大池的操作:数据库备份和恢复大量排序的SQL语句并行化的数据库操作,厦门理工学院计算机系,64,Java池,8i以后提供的对Java的支持,用于存放Java代码、Java程序等.一般不小于20M,以便虚拟机运行.,厦门理工学院计算机系,65,PGA(ProgramGlobalArea),PGA是用户进程连接到数据库,并创建一个对应的会话时，由Oracle为服务进程分配的，专门用于当前用户会话的内存区。PGA是非共享的，而SGA是共享的。PGA大小由操作系统决定，并且分配后保持不变；会话终止时，自动释放PGA所占的内存。,厦门理工学院计算机系,66,PGA的组成,排序区会话区游标区堆栈区,厦门理工学院计算机系,67,排序区,执行orderby、groupby等包含排序操作的SQL语句时所产生的临时数据.Oracle将准备排序的数据先临时存储到排序区中，并在排序区中排序，然后将排序好的数据返回给用户.,厦门理工学院计算机系,68,会话区,保存会话所具有的权限、角色、性能统计信息.,厦门理工学院计算机系,69,游标区,当运行带有游标(course)的PL/SQL语句时，Oracle会在共享池中为该语句分配上下文(Context)，游标实际上是指向该上下文的指针。,厦门理工学院计算机系,70,堆栈区,保存会话中的绑定变量、会话变量以及SQL语句运行时的内存结构信息。例如：select*fromempwhereemp=:a;:a就是绑定变量,提示用户输入.在等待用户输入时，先将该变量存入堆栈，以便可以同时运行其他语句.,厦门理工学院计算机系,71,进程结构,进程时操作系统中的一个概念，是一个可以独立调用的活动，用于完成指定的任务。进程与程序的区别是：进程是动态创建的，完成后销毁；程序是静态的实体，可以复制、编辑。进程强调执行过程，程序仅仅是指令的有序集合。进程在内存中，程序在外存中。,厦门理工学院计算机系,72,进程种类,Oracle包括用户进程和Oracle进程两类：用户进程服务器进程后台进程,Oracle进程,厦门理工学院计算机系,73,用户进程,当用户运行一个应用程序时，就建立一个用户进程。,厦门理工学院计算机系,74,服务器进程,服务器进程:处理用户进程的请求。处理过程:分析SQL命令并生成执行方案。从数据缓冲存储区中读取数据。将执行结果返回给用户。,厦门理工学院计算机系,75,后台进程,后台进程为所有数据库用户异步完成各种任务。,厦门理工学院计算机系,76,DBWR(数据写),DBWR(DataBaseWriter)将数据缓冲区中所有修改过的缓冲块数据写到数据文件中，并使用LRU算法来保持缓冲区中的数据块为最近经常使用的，以减少I/O次数。该进程在启动实例时自动启动。,厦门理工学院计算机系,77,LGWR(日志写),LGWR（LogWriter）将日志缓冲区中的所有记录项写到日志文件中。该进程在启动实例时自动启动。,厦门理工学院计算机系,78,启动LGWR进行写操作的条件,用户进程提交一个事务（Commit）日志缓冲区达到1/3范围DBWR对一个检查点需要清除缓冲块出现超时（3秒钟内未活动，则进行一次写操作。）,厦门理工学院计算机系,79,ARCH(归档进程),ARCH(Archiver)在日志文件组出现切换时，将旧日志文件的内容拷贝到脱机存储介质上，出现介质失败时用于恢复数据。,厦门理工学院计算机系,80,其他后台进程,SMON（SystemMonitor,系统监控进程）负责完成自动实例恢复。该进程在启动实例时自动启动。PMON（ProcessMonitor,进程监控进程）撤消异常中断的用户进程，并释放该进程已获得的系统资源或锁。,厦门理工学院计算机系,81,RECO（Recover,恢复进程）在分布式操作的情况下，恢复一个事务的失败。LCKn（Lock,锁进程）在并行服务器系统间加锁，最多可加10个锁，分别为LCK0，LCK1，LCK9。,其他后台进程,厦门理工学院计算机系,82,体系结构的示例,处理SQL语句的三个阶段语法分析执行返回指令,厦门理工学院计算机系,83,体系结构的示例,SELECT操作,SQLSELECTsalFROMempWHEREjob=CLERK;,厦门理工学院计算机系,84,体系结构的示例,UPDATE操作为了支持读一致性，恢复和回滚，所有修改操作需要回滚段。修改操作执行：,将数据块送到数据缓冲区将回滚块送到数据缓冲区在修改行上设置行锁保存回滚数据到回滚段块将修改写到数据块,厦门理工学院计算机系,85,体系结构的示例,SQLSELECTsalFROMempWHEREjob=CLERK;,SQLUPDATEempSETsal=sal*1.1WHEREjob=CLERK;,UPDATE操作,86,Oracle10g体系结构,-2.4数据字典,厦门理工学院计算机系,87,数据字典,数据字典是Oracle数据库的核心组件,它由一系列只读的数据字典表和数据字典视图组成.数据字典中记录了数据库的系统信息、例程运行的性能。数据字典的所有者为SYS用户,其数据字典表和数据字典视