Oracle数据库系统体系结构及其评价

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2 Oracle数据库系统体系结构及其评价
一、 ORACLE数据库系统的体系结构

ORACLE数据库系统为具有管理ORACLE数据库功能的计算机系统。每一个运行的ORACLE数据库与一个ORACLE实例（INSTANCE）相联系。一个ORACLE实例为存取和控制一数据库的软件机制。每一次在数据库服务器上启动一数据库时，称为系统全局区（SYSTEM GLOBAL AREA）的一内存区（简称SGA）被分配，有一个或多个ORACLE进程被启动。该SGA 和 ORACLE进程的结合称为一个ORACLE数据库实例。一个实例的SGA和进程为管理数据库数据、为该数据库一个或多个用户服务而工作。
在ORACLE系统中，首先是实例启动，然后由实例装配（MOUNT）一数据库。在松耦合系统中，在具有ORACLE PARALLEL SERVER 选项时，单个数据库可被多个实例装配，即多个实例共享同一物理数据库。

1．       ORACLE实例的进程结构和内存结构
1）       进程结构
进程是操作系统中的一种机制，它可执行一系列的操作步。在有些操作系统中使用作业(JOB)或任务(TASK)的术语。一个进程通常有它自己的专用存储区。ORACLE进程的体系结构设计使性能最大。
ORACLE实例有两种类型：单进程实例和多进程实例。
单进程ORACLE（又称单用户ORACLE）是一种数据库系统，一个进程执行全部ORACLE代码。由于ORACLE部分和客户应用程序不能分别以进程执行，所以ORACLE的代码和用户的数据库应用是单个进程执行。
在单进程环境下的ORACLE 实例，仅允许一个用户可存取。例如在MS-DOS上运行ORACLE 。
多进程ORACLE实例（又称多用户ORACLE）使用多个进程来执行ORACLE的不同部分，对于每一个连接的用户都有一个进程。
在多进程系统中，进程分为两类：用户进程和ORACLE进程。当一用户运行一应用程序，如PRO*C程序或一个ORACLE工具（如SQL*PLUS），为用户运行的应用建立一个用户进程。ORACLE进程又分为两类：服务器进程和后台进程。服务器进程用于处理连接到该实例的用户进程的请求。当应用和ORACELE是在同一台机器上运行，而不再通过网络，一般将用户进程和它相应的服务器进程组合成单个的进程，可降低系统开销。然而，当应用和ORACLE运行在不同的机器上时，用户进程经过一个分离服务器进程与ORACLE通信。它可执行下列任务：
l   对应用所发出的SQL语句进行语法分析和执行。
l   从磁盘（数据文件）中读入必要的数据块到SGA的共享数据库缓冲区（该块不在缓冲区时）。
l   将结果返回给应用程序处理。
系统为了使性能最好和协调多个用户，在多进程系统中使用一些附加进程，称为后台进程。在许多操作系统中，后台进程是在实例启动时自动地建立。一个ORACLE实例可以有许多后台进程，但它们不是一直存在。后台进程的名字为：
DBWR 数据库写入程序
LGWR 日志写入程序
CKPT 检查点
SMON 系统监控
PMON 进程监控
ARCH 归档
RECO 恢复
LCKn 封锁
Dnnn 调度进程
Snnn 服务器
每个后台进程与ORACLE数据库的不同部分交互。
下面对后台进程的功能作简单介绍：
DBWR进程：该进程执行将缓冲区写入数据文件，是负责缓冲存储区管理的一个ORACLE后台进程。当缓冲区中的一缓冲区被修改，它被标志为“弄脏”，DBWR的主要任务是将“弄脏”的缓冲区写入磁盘，使缓冲区保持“干净”。由于缓冲存储区的缓冲区填入数据库或被用户进程弄脏，未用的缓冲区的数目减少。当未用的缓冲区下降到很少，以致用户进程要从磁盘读入块到内存存储区时无法找到未用的缓冲区时，DBWR将管理缓冲存储区，使用户进程总可得到未用的缓冲区。
ORACLE采用LRU（LEAST RECENTLY USED）算法（最近最少使用算法）保持内存中的数据块是最近使用的，使I/O最小。在下列情况预示DBWR 要将弄脏的缓冲区写入磁盘：
l     当一个服务器进程将一缓冲区移入“弄脏”表，该弄脏表达到临界长度时，该服务进程将通知DBWR进行写。该临界长度是为参数DB-BLOCK-WRITE-BATCH的值的一半。
l     当一个服务器进程在LRU表中查找DB-BLOCK-MAX-SCAN-CNT缓冲区时，没有查到未用的缓冲区，它停止查找并通知DBWR进行写。
l     出现超时（每次3秒），DBWR 将通知本身。
l     当出现检查点时，LGWR将通知DBWR
在前两种情况下，DBWR将弄脏表中的块写入磁盘，每次可写的块数由初始化参数DB-BLOCK-WRITE-BATCH所指定。如果弄脏表中没有该参数指定块数的缓冲区，DBWR从LUR表中查找另外一个弄脏缓冲区。
如果DBWR在三秒内未活动，则出现超时。在这种情况下DBWR对LRU表查找指定数目的缓冲区，将所找到任何弄脏缓冲区写入磁盘。每当出现超时，DBWR查找一个新的缓冲区组。每次由DBWR查找的缓冲区的数目是为寝化参数DB-BLOCK-WRITE-BATCH的值的二倍。如果数据库空运转，DBWR最终将全部缓冲区存储区写入磁盘。
在出现检查点时，LGWR指定一修改缓冲区表必须写入到磁盘。DBWR将指定的缓冲区写入磁盘。
在有些平台上，一个实例可有多个DBWR。在这样的实例中，一些块可写入一磁盘，另一些块可写入其它磁盘。参数DB-WRITERS控制DBWR进程个数。
LGWR进程：该进程将日志缓冲区写入磁盘上的一个日志文件，它是负责管理日志缓冲区的一个ORACLE后台进程。LGWR进程将自上次写入磁盘以来的全部日志项输出，LGWR输出：
l   当用户进程提交一事务时写入一个提交记录。
l   每三秒将日志缓冲区输出。
l   当日志缓冲区的1/3已满时将日志缓冲区输出。
l   当DBWR将修改缓冲区写入磁盘时则将日志缓冲区输出。
LGWR进程同步地写入到活动的镜象在线日志文件组。如果组中一个文件被删除或不可用，LGWR 可继续地写入该组的其它文件。
日志缓冲区是一个循环缓冲区。当LGWR将日志缓冲区的日志项写入日志文件后，服务器进程可将新的日志项写入到该日志缓冲区。LGWR 通常写得很快，可确保日志缓冲区总有空间可写入新的日志项。
注意：有时候当需要更多的日志缓冲区时，LWGR在一个事务提交前就将日志项写出，而这些日志项仅当在以后事务提交后才永久化。
ORACLE使用快速提交机制，当用户发出COMMIT语句时，一个COMMIT记录立即放入日志缓冲区，但相应的数据缓冲区改变是被延迟，直到在更有效时才将它们写入数据文件。当一事务提交时，被赋给一个系统修改号（SCN），它同事务日志项一起记录在日志中。由于SCN记录在日志中，以致在并行服务器选项配置情况下，恢复操作可以同步。

CKPT进程：该进程在检查点出现时，对全部数据文件的标题进行修改，指示该检查点。在通常的情况下，该任务由LGWR执行。然而，如果检查点明显地降低系统性能时，可使CKPT进程运行，将原来由LGWR进程执行的检查点的工作分离出来，由CKPT进程实现。对于许多应用情况，CKPT进程是不必要的。只有当数据库有许多数据文件，LGWR在检查点时明显地降低性能才使CKPT运行。CKPT进程不将块写入磁盘，该工作是由DBWR完成的。
初始化参数CHECKPOINT-PROCESS控制CKPT进程的使能或使不能。缺省时为FALSE，即为使不能。

SMON进程：该进程实例启动时执行实例恢复，还负责清理不再使用的临时段。在具有并行服务器选项的环境下，SMON对有故障CPU或实例进行实例恢复。SMON进程有规律地被呼醒，检查是否需要，或者其它进程发现需要时可以被调用。

PMON进程：该进程在用户进程出现故障时执行进程恢复，负责清理内存储区和释放该进程所使用的资源。例：它要重置活动事务表的状态，释放封锁，将该故障的进程的ID从活动进程表中移去。PMON还周期地检查调度进程（DISPATCHER）和服务器进程的状态，如果已死，则重新启动（不包括有意删除的进程）。
PMON有规律地被呼醒，检查是否需要，或者其它进程发现需要时可以被调用。

RECO进程：该进程是在具有分布式选项时所使用的一个进程，自动地解决在分布式事务中的故障。一个结点RECO后台进程自动地连接到包含有悬而未决的分布式事务的其它数据库中，RECO自动地解决所有的悬而不决的事务。任何相应于已处理的悬而不决的事务的行将从每一个数据库的悬挂事务表中删去。
当一数据库服务器的RECO后台进程试图建立同一远程服务器的通信，如果远程服务器是不可用或者网络连接不能建立时，RECO自动地在一个时间间隔之后再次连接。
RECO后台进程仅当在允许分布式事务的系统中出现，而且DISTRIBUTED – TRANSACTIONS参数是大于0。

ARCH进程：该进程将已填满的在线日志文件拷贝到指定的存储设备。当日志是为ARCHIVELOG使用方式、并可自动地归档时ARCH进程才存在。

LCKn进程：是在具有并行服务器选件环境下使用，可多至10个进程（LCK0，LCK1……，LCK9），用于实例间的封锁。

Dnnn进程（调度进程）：该进程允许用户进程共享有限的服务器进程（SERVER PROCESS）。没有调度进程时，每个用户进程需要一个专用服务进程（DEDICATEDSERVER PROCESS）。对于多线索服务器（MULTI-THREADED SERVER）可支持多个用户进程。如果在系统中具有大量用户，多线索服务器可支持大量用户，尤其在客户_服务器环境中。
在一个数据库实例中可建立多个调度进程。对每种网络协议至少建立一个调度进程。数据库管理员根据操作系统中每个进程可连接数目的限制决定启动的调度程序的最优数，在实例运行时可增加或删除调度进程。多线索服务器需要SQL*NET版本2或更后的版本。在多线索服务器的配置下，一个网络接收器进程等待客户应用连接请求，并将每一个发送到一个调度进程。如果不能将客户应用连接到一调度进程时，网络接收器进程将启动一个专用服务器进程。该网络接收器进程不是ORACLE实例的组成部分，它是处理与ORACLE有关的网络进程的组成部分。在实例启动时，该网络接收器被打开，为用户连接到ORACLE建立一通信路径，然后每一个调度进程把连接请求的调度进程的地址给予于它的接收器。当一个用户进程作连接请求时，网络接收器进程分析请求并决定该用户是否可使用一调度进程。如果是，该网络接收器进程返回该调度进程的地址，之后用户进程直接连接到该调度进程。有些用户进程不能调度进程通信（如果使用SQL*NET以前的版本的用户），网络接收器进程不能将如此用户连接到一调度进程。在这种情况下，网络接收器建立一个专用服务器进程，建立一种合适的连接。



2）、ORACLE内存结构
ORACLE在内存存储下列信息：
l   执行的程序代码。
l   连接的会话信息
l   程序执行期间所需数据和共享的信息
l   存储在外存储上的缓冲信息。
ORACLE具有下列基本的内存结构：
l   软件代码区
l   系统全局区,包括数据库缓冲存储区、日志缓冲区和共享池.
l   程序全局区,包括栈区和数据区.
l   排序区

软件代码区
用于存储正在执行的或可以执行的程序代码。
软件区是只读，可安装成共享或非共享。ORACLE系统程序是可共享的，以致多个ORACLE用户可存取它，而不需要在内存有多个副本。用户程序可以共享也可以不共享。

系统全局区
为一组由ORACLE分配的共享的内存结构，可包含一个数据库实例的数据或控制信息。如果多个用户同时连接到同一实例时，在实例的SGA中数据可为多个用户所共享，所以又称为共享全局区。当实例起动时，SGA的存储自动地被分配；当实例关闭时，该存储被回收。所有连接到多进程数据库实例的全部用户可自动地被分配；当实例关闭时，该存储被回收。所有连接到多进程数据库实例的全部用户可使用其SGA中的信息，但仅仅有几个进程可写入信息。在SGA中存储信息将内存划分成几个区：数据库缓冲存储区、日志缓冲区、共享池、请求和响应队列、数据字典存储区和其它各种信息。

程序全局区
PGA是一个内存区，包含单个进程的数据和控制信息，所以又称为进程全局区（PROCESS GLOBAL AREA）。

排序区
排序需要内存空间，ORACLE利用该内存排序数据，这部分空间称为排序区。排序区存在于请求排序的用户进程的内存中，该空间的大小为适就排序数据量的大小，可增长，但受初始化参数SORT-AREA-SIZER所限制。

2．       ORACLE的配置方案
所有连接到ORACLE的用户必须执行两个代码模块可存取一个ORACLE数据库实例：
l     应用或ORACLE工具：一数据库用户执行一数据库应用或一个ORACLE工具，可向ORACLE数据库发出SQL语句。
l     ORACLE服务器程序：负责解释和处理应用中的SQL语句。
在多进程实例中，连接用户的代码可按下列三种方案之一配置：
l     对于每一个用户，其数据库应用程序和服务器程序组合成单个用户进程
l     对于每一个用户，其数据库应用是由用户进程所运行，并有一个专用服务器进程。执行ORACLE服务器的代码。这样的配置称为专用服务器体系结构
l     执行数据库应用的进程不同于执行ORACLE服务器代码的进程，而且每一个服务器进程（执行ORACLE服务器代码）可服务于多个用户进程，这样的配置称为多线索服务器体系结构。

1) USER/SERVER进程相结合的结构
在这种配置下，数据库应用和ORACLE服务器程序是在同一个进程中运行，该进程称为用户进程。
这种ORACLE配置有时称为单任务ORACLE（single_task ORACLE），该配置适用于这样的操作系统，它可在同一进程中的数据库应用和ORACLE代码之间维护一个隔离，该隔离是为数据安全性和完整性所需。其中程序接口（program interface）是负责ORACLE服务器代码的隔离和保护，在数据库应用和ORACLE用户程序之间传送数据。

2) 使用专用服务器进程的系统结构
使用专用服务器进程的ORACLE系统在两台计算机上运行。在这种系统中，在一计算机上用户进程执行数据库应用，而在另一台计算机上的服务器进程执行相应的ORACLE服务器代码，这两个进程是分离的。为每个用户进程建立的不同的服务器进程称为专用服务器进程，因为该服务器进程仅对相连的用户进程起作用。这种配置又称为两任务ORACLE。每一个连接到ORACLE的用户进程有一个相应的专用服务进程。这种系统结构允许客户应用是有工作站上执行，通过网络与运行ORACLE的计算机通信。当客户应用和ORACLE服务器代码是在同一台计算机上执行时，这种结构也可用。

3) 多线索服务器的系统结构
多线索服务器配置允许许多用户进程共享很少服务器进程。在没有多线索服务器的配置中，每一个用户进程需要自己的专用服务器进程。在具有多线索服务器的配置中，许多用户进程连接到调度进程，由调度进程将客户请求发送到一个共享服务器进程。多线索服务器配置的优点是降低系统开销，增加用户个数。

该系统中需要下列类型的进程：
   网络接收器进程，将用户进程连接到调度进程和专用服务器进程。
   一个或多个调度进程
   一个或多个共享服务器进程
其中网络接收器进程等待新来的连接请求，决定每一用户进程能否用共享服务器进程。如果可以使用，接收器进程将一调度进程的地址返回给用户进程。如果用户进程请求一专用服务器，该接收器进程将建立一个专用服务器进程，将用户进程连接到该专用服务器进程。对于数据库客户机所使用的每种网络协议至少配置一个调度进程，并启动它。
当用户作一次调用时，调度进程将请求放置在SGA的请求队列中，由可用的共享服务器进程获取。共享服务器进程为完成每一个用户进程的请求作所有必要的数据库调用。当服务器完成请求时，将结果返回到调度进程的队列，然后由调度进程将完成的请求返回给用户进程。
共享服务器进程：除共享服务器进程不是连接指定的用户进程外，共享服务器进程和专用服务器进程提供相同的功能，一个共享服务器进程在多线索服务器的配置中可为任何客户请求服务。一个共享服务器进程的SGA不包含有与用户相关的数据，其信息可为所有共享服务器进程存取，它仅包含栈空间、进程指定变量。所有与会话有关的信息是包含有SGA中。每一个共享服务器进程可存取全部会话的数据空间，以致任何服务进程可处理任何会话的请求。对于每一个会话的数据空间是在SGA中分配空间。
ORACLE根据请求队列的长度可动态地调整共享服务器进程。可建立的共享服务器进程将请求放到请求队列。一个用户请求是对数据库的一次程序接口调用，为SQL语句。在SGA中请求队列对实例的全部调度进程是公用的。服务器进程为新请求检查公用请求队列，按先进先出的原则从队列检出一个请求，然后为完成该请求对数据库作必要的调用。共享服务器进程将响应放在调度进程的响应队列。每一个调度进程在SGA中有自己的响应队列，每个调度进程负责将完成的请求回送给相应的用户进程。