Oracle 内核解密之存储篇（oracle存储原理）

大家好，我是晓彬，今天开始跟大家分享 Oracle 内核技术,今天和大家分享 Oracle 内核解密之存储篇，希望对大家学习数据库有所帮助。

一、存储关系

Oracle 数据库在逻辑上是由一个或多个表空间组成的，表空间物理上是由一个或多个数据文件组成的；而在逻辑上表空间又是由一个或多个段组成的。在Oracle 数据库中，通过为每种不同的数据对象分配不同的段，来保存数据。在Oracle 数据库中，段是由一个或多个区组成的，而区又是由连续存储的数据块所组成的。BLOCK块则是数据库的I/O 最小的单位。

（一）、ORACLE存储结构

ORACLE数据库可划分为被称为表空间的逻辑存储单元。每一个表空间可以包含很多的Oracle 逻辑数据块。DB_BLOCK_SIZE 参数指定了逻辑块的大小。逻辑块的大小范围为2KB至32KB，默认大小为8KB。特定数目的相邻逻辑块构成了一个区。为特定逻辑结构分配 的一组区构成了一个段。ORALCE在存储过程中空间是按区为单位分配空间的，Oracle 数据块是逻辑I/O 的最小单位。

1、ORACLE中的区

区，表空间分配的基本单位，如果新建一个表，并且插入一行数据，那么ORACLE数据库至少为该表分配一个区。我们可以通过数据字典DBA_EXTENTS查看表对应的所属区。

SELECT EXTENT_ID, --区ID
       FILE_ID, --文件ID
       BLOCK_ID, --第一个块ID
       BLOCKS --块数
  FROM DBA_EXTENTS
 WHERE SEGMENT_NAME = 'EMP' --表名
 ORDER BY EXTENT_ID

ORACLE数据库有两种类型的表空间：一种是统一区大小表空间；另外一种是系统管理区大小表空间，所以ORACLE区的大小由着两种表空间类型决定。

（1）统一区大小表空间

统一区大小表空间就是创建表的时候指定表空间大小为统一值。

举例：创建一个统一区表空间，区大小为1M的表空间

CREATE TABLESPACE LIUXIAOBIN_TBS1 DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS1_01.DBF' SIZE 50M UNIFORM SIZE 1M;

创建一张表并且使用该表空间并插入数据

CREATE TABLE LIUXIAOBIN (ID INT,NAME VARCHAR2(20)) TABLESPACE LIUXIAOBIN_TBS1;

INSERT INTO LIUXIAOBIN VALUES(1,'liuxiaobin');

观察该表块的大小以及块数等信息

SELECT EXTENT_ID, --区ID
       FILE_ID, --文件ID
       BLOCK_ID, --第一个块ID
       BLOCKS --块数
  FROM DBA_EXTENTS
 WHERE SEGMENT_NAME = 'LIUXIAOBIN' --表名
 ORDER BY EXTENT_ID

根据查询可知：LIUXIAOBIN表有一个区，从11号文件第128个块开始，总计128个块。

查询该数据库块大小

 SELECT VALUE FROM V$PARAMETER WHERE NAME='db_block_size';

根据查询可知，该数据库块大小小为8K，那么可以知道LIUXIAOBIN表从11号文件的第128个块开始占用空间到257号块是该表的第一个区。

该表空间的0到127号，其中0号块和1号块属于文件头，2到127号块属于位图块，所有位图块都是用来记录该表空间哪个区分配给那个表或者索引等对象的。位图块由126位二进制位表示：0100000.... 0表示该区未被分配给对象，1表示该区已经分配给对象。

文件快DUMP

DUMP 0、1号块：

ALTER SYSTEM DUMP DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS1_01.DBF' block 0;

ALTER SYSTEM DUMP DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS1_01.DBF' block 1;

位图块示意图

位图块分两部分：

第一个位图块：2号块为位图块端头

举例：DUMP2号块：

ALTER SYSTEM DUMP DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS1_01.DBF' block 2;

第二个位图块之后到127块块为真正的位图块；

举例：DUMP3号块：

ALTER SYSTEM DUMP DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS1_01.DBF' block 3;

根据上图可知表空间的3号块是位图块的第一个块。

3到127号块是位图快，总计8K*125=1000K字节，一个字节对应8个二进制位，一共8192000个二进制位，也就是说一个块大小位8K的表空间一共有8192000个区，如果表要分配一个区如何在则800多万区里面找呢？

ORACLE采用标记为，如果0,1,2号被占用标记为3，如果3,4、5号又被占用标记为6，如果4号区释放，那么标记4。需要分配区的表就从4号区开始分配。

注意：ORACLE中如果开起了闪回，DROP表区不会被释放，标记为不会下降，只是修改了名，不会真正删除表。

（2）系统管理区大小

系统管理区大小，ORACLE会根据表的大小自动调整区的大小。

举例：

CREATE TABLESPACE LIUXIAOBIN_TS2 DATAFILE 'F:\360Downloads\ORACLE\LIUXIAOBIN_TBS2_01.DBF' SIZE 50M;

CREATE TABLE LUXIAOBIN2(ID INT,NAME VARCHAR2(20)) TABLESPACE LIUXIAOBIN_TS2;

SELECT EXTENT_ID, --区ID
       FILE_ID, --文件ID
       BLOCK_ID, --第一个块ID
       BLOCKS --块数
  FROM DBA_EXTENTS
 WHERE SEGMENT_NAME = 'LUXIAOBIN2' --表名
 ORDER BY EXTENT_ID

查询此时块大小：

 SELECT VALUE FROM V$PARAMETER WHERE NAME='db_block_size';

向表中插入数据：

INSERT INTO LUXIAOBIN2 SELECT ROWNUM,'BBB' FROM DBA_OBJECTS;

SELECT EXTENT_ID, --区ID
       FILE_ID, --文件ID
       BLOCK_ID, --第一个块ID
       BLOCKS --块数
  FROM DBA_EXTENTS
 WHERE SEGMENT_NAME = 'LUXIAOBIN2' --表名
 ORDER BY EXTENT_ID

根据查询结构块的大小还是8K未变化。接下来我们继续插入数据直到块大小变化。

INSERT INTO LUXIAOBIN2 SELECT * FROM LUXIAOBIN2；

根据以上实验可知，当表小于1M时，每个分区为8个块64K，当表大于1M时，每个分区是128个块每个区大小为1M。继续插入数据表的分区可以达到8M。有兴趣的朋友可以自己动手实验以下。

总结：从空间利用率来说大区空间利用率低，小区利用率高。从性能上大区全表扫描效率高，小区由于区多所以效率低，因为建议使用系统管理区大小，根据表的大小调整区的大小更为适合。

2、ORALCE中的段

段是由一个或者多个区组成，ORACLE中每个对象都有ID，段id以及表ID。

CREATE TABLE LUXIAOBIN3(ID INT,NAME VARCHAR2(20)) TABLESPACE LIUXIAOBIN_TS2;

CREATE TABLE LUXIAOBIN3(ID INT,NAME VARCHAR2(20)) TABLESPACE LIUXIAOBIN_TS2;

INSERT INTO LUXIAOBIN3 VALUES (1, 'bbb');

SELECT OBJECT_ID, DATA_OBJECT_ID
  FROM DBA_OBJECTS
 WHERE  OBJECT_NAME = 'LUXIAOBIN3'

此时表ID和段ID相同。我们继续实验。

truncate table LUXIAOBIN3 

SELECT OBJECT_ID, DATA_OBJECT_ID
  FROM DBA_OBJECTS
 WHERE  OBJECT_NAME = 'LUXIAOBIN3'

根据以上实验我们可以得出结论，TRUNCATE 表的ID不会该变，段的ID回改变ID值加1。

3、ORACLE中的块

oracle数据块是oracle数据库存储基础，有磁盘空间的若干字节组成，数据块是oracle数据库的最小逻辑单元，可以定义数据块为2k、4k、8k、16k、32k甚至更大，默认oracle块大小是8k，通常我们称为oracle块。当然正常情况下oracle块应该是os块的整数倍，当然具有标准大小的块叫做标准块，和标准块不同的块叫做非标准块。块中包含两部份信息，一个是管理信息一个是用户数据。

Oracle块大小设置在初始化参数文件里面（init.ora）中的db_block_size中设置，块是处理update、insert、select数据事务的最小单位，当用户从表中选择数据时，将在oracle块上读取或是提取数据。意思就是说：os每次执行i/o时候，是以os的块为单位；oracle每次执行i/o时候，是以oracle块为单位。

(1)数据块结构

块结构说明如下：

A 块头：存放一些基本信息，如物理位置，块所属的段类型（数据段、索引段、回滚段等）

B 表目录：如果块中存储的数据为表数据，则表目录中保存这个表的相关信息

C 行目录：如果块中存储的数据为表数据，则行目录中保存数据行的相关信息。

块头、表目录和行目录组成块的头部信息（overhead），这部分不存数据库中实际的数据，而是用来记录该块的逻辑结构，而且这部分占用的空间不是固定的，大约在84-107字节之间。

D 行记录：真正存放数据的区域，这部分空间已被使用。

E 空闲空间：未使用的区域，用于新行的插入或者已经存在行的更新。（这里有个概念行迁移：就是当update操作时，块中空闲的空间不够保存修改的数据，那么记录就将保存到另一个拥有足够空间的块中，而只在原块上保留一条指向新块的rowid，这就是行迁移row migration）

(2)自由空间

空闲空间的使用,Insert这时候块的自由空间会减少，update的时候块的自由空间也会减少当使用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，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。

(3)空闲空间的管理

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）。

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。

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。而且是成倍加大i/o。