Oracle数据库实例之内存架构（一）

本文讨论的内容涉及的数据库版本为 12.2。

数据库实例启动后&＃xff0c;Oracle数据库会为其分配一块内存区域并启动相关后台进程。该内存区域存储了以下信息&＃xff1a;

• 程序代码&＃xff1b;
• 已连接会话&＃xff08;session&＃xff09;的信息&＃xff0c;即使该session当前并未处于活跃状态&＃xff1b;
• 程序执行过程中所需的信息&＃xff0c;比如查询&＃xff08;query&＃xff09;的当前状态&＃xff1b;
• 进程之间共享和通信的锁&＃xff08;lock data&＃xff09;相关的信息&＃xff1b;
• 缓存数据&＃xff08;cached data&＃xff09;&＃xff0c;比如数据块、重做记录等从磁盘中读取的信息。

基本内存结构

Oracle数据库中的基本内存结构包括&＃xff1a;

• 系统全局区&＃xff08;System global area, SGA&＃xff09;
  SGA是一组共享内存&＃xff0c;其中包含了数据库实例的数据和控制信息。所有的服务器和后台进程都会共享SGA。SGA中的数据包括缓存数据块、共享SQL区等。

• 程序全局区&＃xff08;Program global area, PGA&＃xff09;
  PGA是非共享的内存区域&＃xff0c;其中包含了一个Oracle进程独占使用的数据和控制信息。当有一个Oracle进程启动时&＃xff0c;Oracle数据库就会创建一个PGA。对于每个服务器进程&＃xff08;server process&＃xff09;和后台进程&＃xff0c;都会存在一个对应的PGA。所有单独的PGA的集合构成了总的实例PGA&＃xff08;instance PGA&＃xff09;。数据库的初始化参数&＃xff08;在参数文件 spfile 中&＃xff09;决定了PGA实例的大小&＃xff0c;而不是每个单独的PGA。

• 用户全局区&＃xff08;User global area, UGA&＃xff09;
  UGA是与一个用户会话&＃xff08;user session&＃xff09;相关的内存。

• 软件代码区&＃xff08;Software code areas&＃xff09;
  软件代码区是用于存储正在运行或者可以运行的代码。Oracle数据库代码存储在与用户程序不同的地方。

下图展示了以上内存结构之间的关系。

图1 Oracle数据库内存结构

Oracle内存管理

内存管理&＃xff08;memory management&＃xff09;涉及到在对数据库的需求发生变化时&＃xff0c;维护Oracle实例内存结构的最佳大小。Oracle数据库基于与内存相关的初始化参数配置来管理内存。内存管理的基本可选项包括以下内容&＃xff1a;

• 自动内存管理&＃xff08;automatic memory management&＃xff09;
  需要明确设置数据库实例内存的目标大小。数据库实例会自动调整到目标内存大小&＃xff0c;并按需在SGA和实例PGA之间分配内存。

• 自动共享内存管理&＃xff08;automatic shared memory management&＃xff09;
  该模式为部分自动内存管理。你需要为SGA设定目标大小&＃xff0c;然后为实例PGA设定总的目标大小&＃xff0c;但是你也可以单独管理PGA。

• 手动内存管理&＃xff08;manual memory management&＃xff09;
  该模式下&＃xff0c;你需要设定许多初始化参数来单独管理SGA和实例PGA。

如果你用数据库配置助手&＃xff08;Database Configuration Assistant, DBCA&＃xff09;来创建数据库&＃xff0c;并选择了基本的安装选项&＃xff0c;那么默认的内存管理方式为自动内存管理。

UGA是一块为会话变量&＃xff08;session variables&＃xff09;分配的内存&＃xff0c;比如登录信息等其他数据库会话需要的信息。本质上&＃xff0c;UGA存储了session的状态。

图2 UGA结构

如果一个会话向内存中载入了PL/SQL包&＃xff08;PL/SQL package&＃xff09;&＃xff0c;那么UGA中就包含了包的状态&＃xff0c;即某个时刻该包里所有变量存储的的一组值。当该包的一个子程序修改了变量的值&＃xff0c;包的状态也会改变。包的变量默认是唯一的&＃xff0c;且在会话的生存时间内存在。

UGA中还存储了OLAP页池&＃xff08;OLAP page pool&＃xff09;。这个页池会管理OLAP数据页&＃xff08;数据块&＃xff09;。该页池在OLAP会话启动时被分配&＃xff0c;在会话结束时被释放。OLAP会话会在用户查询维度对象&＃xff08;比如数据立方体 cube&＃xff09;时自动打开。

UGA必须在会话生存时间内可用。因此&＃xff0c;使用共享服务器&＃xff08;shared server&＃xff09;连接时&＃xff0c;UGA不能存储在PGA中。因为PGA只与单个进程相关。此时&＃xff0c;UGA存储在SGA中&＃xff0c;使得任意一个共享服务器进程都能访问它。相反地&＃xff0c;当使用专用服务器&＃xff08;dedicated server&＃xff09;连接时&＃xff0c;UGA就存储在PGA中。

PGA是针对系统中一个非共享的进程&＃xff08;process&＃xff09;或线程&＃xff08;thread&＃xff09;的内存&＃xff0c;不会在SGA中分配。PGA是存储了一个专用或共享服务器进程所需的会话变量的堆内存&＃xff08;memory heap&＃xff09;。服务器进程分配它在PGA中所需的内存结构。

下图展示了一个实例PGA。你可以通过初始化参数来设置实例PGA的最大目标大小。组成实例PGA的所有单个的PGA会按需自动增长到该目标值。

图3 PGA实例结构

PGA的内容

PGA被划分为几个不同的区域。下图展示了一个专用服务器会话对应的PGA内容。

图4 PGA结构

第一部分&＃xff1a;私有SQL区
私有SQL区&＃xff08;private SQL area&＃xff09;存有经过语法分析的SQL语句&＃xff08;parsed SQL statement&＃xff09;的信息、以及其他针对会话的信息。当服务器进程执行SQL或PL/SQL代码时&＃xff0c;该进程会使用私有SQL区来存储绑定变量&＃xff08;bind variable&＃xff09;的值、查询执行状态、以及查询执行工作区的信息。

切忌不要混淆私有SQL区&＃xff08;在PGA中&＃xff09;和共享SQL区&＃xff08;在SGA中&＃xff0c;用于存储执行计划&＃xff09;。同一个或者不同的会话中的多个私有SQL区可以指向SGA中的一个执行计划。但是这些私有SQL区彼此之间并不共享&＃xff0c;其中包含的值和数据也可能不一样。

游标&＃xff08;cursor&＃xff09;是一个具体的私有SQL区的名称或者句柄&＃xff08;handle&＃xff09;。可以把游标认为是客户端的一个指针和服务器端的一个状态。考虑到二者联系紧密&＃xff0c;有时候游标和私有SQL区这两个名词会互换着使用。

图5 游标

私有SQL区可以分为以下两个部分&＃xff1a;

• 运行时区&＃xff08;run-time area&＃xff09;
  运行时区包含了查询的执行状态信息。比如&＃xff0c;运行时区会追踪在全表扫描&＃xff08;full table scan&＃xff09;中截至到当前已获取的行的数目。Oracle数据库在执行请求的第一步就会创建运行时区。对于DML操作而言&＃xff0c;运行时区会在SQL语句关闭时释放。

• 持久区&＃xff08;persistent area&＃xff09;
  持久区包含绑定变量的值。绑定变量的值会在执行SQL语句时传递给处于运行时的SQL语句。只有在游标关闭时&＃xff0c;持久区才会被释放。

客户端进程负责管理私有SQL区。私有SQL区的分配和回收很大程度上取决于应用&＃xff0c;尽管一个客户端进程能够分配的私有SQL区的数量会受到初始化参数 OPEN_CURSORS 的限制。通常来说&＃xff0c;应用应该关闭所有不再使用的游标&＃xff0c;以释放持久区来最小化应用用户所需的内存。

第二部分&＃xff1a;SQL工作区
工作区&＃xff08;work area&＃xff09;是用于内存密集型操作而分配的一块私有PGA内存。例如&＃xff0c;一个排序运算子使用排序区&＃xff08;sort area&＃xff09;来给行排序。一个哈希连接运算子&＃xff08;hash join operator&＃xff09;使用一块哈希区来创建哈希表。位图合并&＃xff08;bitmap merge&＃xff09;则使用位图合并区来合并多次位图索引扫描获取的数据。

下面展示了两个表 employees 和 departments 的连接操作及其对应的查询计划。运行时区负责跟踪全表扫描的过程。当前会话执行一个哈希连接操作来匹配两个表的行。ORDER BY 排序则发生在排序区。

SQL> SELECT * 2 FROM employees e JOIN departments d 3 ON e.department_id&＃61;d.department_id 4 ORDER BY last_name;
.
.
.
--------------------------------------------------------------------------------
| Id| Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time |
--------------------------------------------------------------------------------
| 0 | SELECT STATEMENT | | 106 | 9328 | 7 (29)| 00:00:01 |
| 1 | SORT ORDER BY | | 106 | 9328 | 7 (29)| 00:00:01 |
|*2 | HASH JOIN | | 106 | 9328 | 6 (17)| 00:00:01 |
| 3 | TABLE ACCESS FULL| DEPARTMENTS | 27 | 540 | 2 (0)| 00:00:01 |
| 4 | TABLE ACCESS FULL| EMPLOYEES | 107 | 7276 | 3 (0)| 00:00:01 |
--------------------------------------------------------------------------------


如果运算子处理的数据的量超过了工作区的容量&＃xff0c;Oracle数据库就会把输入数据分割成更小的部分。这样数据库就能在内存中先处理一部分数据&＃xff0c;而把剩余的部分放在临时的磁盘空间中留待之后处理。

当自动PGA内存管理模式开启时&＃xff0c;数据库会自动地调整工作区的大小。当然你也可以手动控制调整工作区的大小。通常来说&＃xff0c;更大的工作区能够显著提升运算子的性能&＃xff0c;同时也会消耗更多的内存。

专用和共享服务器模式下的PGA

PGA的内存分配取决于数据库使用的是专用的还是共享的服务器连接。

SGA是一块可读写内存区域&＃xff0c;与Oracle后台进程&＃xff08;background processes&＃xff09;一起构成了数据库实例。所有代表用户执行的服务器进程都能读取实例SGA里的信息。有一些进程能在数据库运行时写入SGA。需要注意的是&＃xff0c;服务器和后台进程本身并不在SGA中&＃xff0c;而是存在于独立的内存空间中。

每个数据库实例都有自己的SGA。Oracle数据库会在实例启动时自动为SGA分配内存&＃xff0c;并在实例关闭时回收内存。正如图1&＃xff0c;SGA由多个为了满足特定内存分配需求的内存池组成。除了重做日志缓存&＃xff08;redo log buffer&＃xff09;以外&＃xff0c;所有其他的内存池都按连续内存单位分配和回收内存空间。这个连续内存单位称之为粒&＃xff08;granule&＃xff09;&＃xff0c;其大小与平台有关且取决于总的SGA大小。

查询 V$SGASTAT 视图可以看到SGA各部分的信息。其中包括数据库缓存、IM区、重做日志缓存、共享池、Large池、Java池、Streams池、固定SGA等。

SGA更详细的内容请参考&＃xff1a;Oracle数据库实例之内存架构&＃xff08;二&＃xff09;。

References
[1] https://docs.oracle.com/en/database/oracle/oracle-database/12.2/cncpt/memory-architecture.html#GUID-0788EAEE-0E93-497B-9ACA-401EC0F7BCA1