Oracle 19c Concepts(14)：Memory Architecture

图 14-5 游标

Description of "Figure 14-5 Cursor"

私有 SQL 区又分为以下几个区域：

• run-time 区

  此区域包含查询执行状态信息。 例如， 运行时区域会跟踪到目前为止在全表扫描中检索到的行数。

  Oracle 数据库将创建运行时区域，作为一个执行请求的第一步。对于 DML 语句，其运行时区域将在 SQL 语句关闭时被释放。

• 持久区

  此区域包含绑定变量的值。绑定变量是执行 SQL 语句时，在运行时提供给 SQL 语句的值。仅当关闭该游标时， 持久区域才被释放。

工作区是在 PGA 中为内存密集型操作分配的私有内存区。 

如下示例显示了 employees 表和 departments 表相联接的查询计划。

为了使缓冲区访问更有效，数据库必须决定在内存中缓存哪些缓冲区，以及从磁盘访问哪些缓冲区。

数据库使用以下算法:

• 基于 lru 的块级替换算法

  这个复杂的算法是默认的，它使用一个包含指向脏缓冲区和非脏缓冲区指针的least recently used (LRU)列表。LRU列表有热端和冷端。冷缓冲区是最近没有使用过的缓冲区。热缓冲区经常被访问，并且最近才被使用。从概念上讲，只有一个LRU，但是对于数据并发性，数据库实际上使用多个LRU。

• 基于热度的对象级替换算法

  从Oracle Database 12c Release 1(12.1.0.2)开始，自动大表缓存特性使表扫描能够在以下场景中使用不同的算法：

  • 并发查询

    在单实例和Oracle Real Applications Cluster (Oracle RAC)数据库中，当将DB_BIG_TABLE_CACHE_PERCENT_TARGET初始化参数设置为非零值，并将PARALLEL_DEGREE_POLICY设置为auto或adaptive时，并行查询可以使用大表缓存。

  • 串行查询

    在单实例配置中，当DB_BIG_TABLE_CACHE_PERCENT_TARGET初始化参数设置为非零值时，串行查询可以使用大表缓存。

  当表不适合放入内存时，数据库根据访问模式决定缓存哪些缓冲区。例如，如果一个受欢迎的表中只有95%适合内存，那么数据库可能会选择将5%的块留在磁盘上，而不是循环地将块读入内存并将块写入磁盘——这种现象称为抖动。当缓存多个大型对象时，数据库会考虑更受欢迎的表更热，而不太受欢迎的表更冷，这将影响缓存哪些块。使用初始化参数 DB_BIG_TABLE_CACHE_PERCENT_TARGET 设置此算法的缓冲区缓存的百分比。

数据库写入器 (DBWn) 进程定期将冷的、 脏的缓冲区写入磁盘。 

• 服务器进程找不到干净的缓冲区， 以将新块读入数据库缓冲区高速缓存。
  随着缓冲区变脏， 可用缓冲区的数量就会减少。如果该数值低于一个内部阈值， 而又需要干净的缓冲区，则服务器进程将通知 DBWn 执行写出操作。
  数据库使用 LRU 来确定哪些脏缓冲区被写出。当脏缓冲区到达 LRU 的冷端时，数据库将其从 LRU 上移出到写出队列。 DBWn 将队列中的缓冲区写到磁盘，如果可能使用多块写，则用之。此机制可以防止 LRU 尾端被脏缓冲区塞满，并保证有干净的缓冲区可供重用。

• 数据库必须推进检查点，即重做线程中进行实例恢复的起点。

• 表空间被更改为只读状态，或脱机。

其算法取决于是否启用了闪存缓存：

• 禁用了闪存高速缓存

  数据库中根据需要覆盖并重新利用每个干净的缓冲区。如果以后需要重用被覆盖的缓冲区， 则数据库必须从磁盘重新读取。

• 启用了闪存高速缓存

  DBWn 将干净缓冲区的正文写入到闪存缓存，使其内存中的缓冲区可以被重用。数据库在主内存中保留 LRU 列表的缓冲区头，以跟踪在闪存缓存中的缓冲区体的状态和位置。如果以后需要该缓冲区， 则数据库可以从闪存缓存中读取它， 而不用从磁盘读取。

1. 服务器进程在缓冲区高速缓存中搜索整个缓冲区。

   如果该进程发现整个缓冲区， 则数据库对此缓冲区执行一个逻辑读取。

2. 服务器进程在闪存缓存 LRU 列表中搜索缓冲区头。

   如果该进程找到了缓冲区头，则数据库执行一个优化的物理读取，将缓冲区正文从闪存缓存读入到内存内缓存。

3. 如果该进程没有在内存中找到该缓冲区（缓存未命中），则服务器进程将执行以下步骤：

   1. 将该块从数据文件复制到内存中 （物理读取）

   2. 对已读入到内存中的缓冲区执行一个逻辑读取

图 14-6 缓冲区搜索

Description of "Figure 14-6 Buffer Search"

默认情况下，数据库对全表扫描采用一种保守的方法，仅当表大小占缓冲区缓存的一小部分时才将小表加载到内存中。

为了确定是否应该缓存中等大小的表，数据库使用了一种算法，该算法包含最后一次表扫描之间的时间间隔、缓冲区缓存的老化时间戳和缓冲区缓存中剩余的空间。

对于非常大的表，数据库通常使用直接读取路径，该路径直接将块加载到PGA并完全绕过SGA，以避免填充缓冲区缓存。对于中等大小的表，数据库可以使用直接读取或缓存读取。如果决定使用缓存读取，则数据库将这些块放在LRU列表的末尾，以防止扫描有效地清除缓存。

从Oracle Database 12c Release 1(12.1.0.2)开始，数据库实例的缓冲区缓存自动执行内部计算，以确定内存是否足够将数据库完全缓存到实例SGA中，以及访问时缓存表是否有利于性能。如果整个数据库可以完全装入内存，并且满足其他各种内部条件，那么Oracle数据库将数据库中的所有表都视为小表，并认为它们有资格进行缓存。但是，数据库不缓存标记为NOCACHE属性的lob。

在执行全表扫描时，数据库有时可以通过使用多个并行执行服务器来提高响应时间。

在某些情况下，当数据库有大量内存时，数据库可以在系统全局区域(SGA)中缓存并行查询数据，而不是使用直接路径读取程序全局区域(PGA)。通常，由于潜在的资源使用，并行查询发生在低并发性数据仓库中。

在不需要默认缓存行为的罕见情况下，可以使用 ALTER TABLE ... CACHE 更改将大表中的块读入数据库缓冲区缓存的方式。

对于具有缓存属性集的表，数据库不会强制或固定缓冲区缓存中的块。相反，数据库以与任何其他表块相同的方式将块从缓存中取出。在执行此选项时要小心，因为对大表的完整扫描可能会清除缓存中的大多数其他块。

对于大型表，可以使用 ALTER TABLE…STORAGE BUFFER_POOL KEEP 使扫描将这些表的块加载到KEEP池中。

将表放入keep池将更改存储块的缓冲区缓存的部分。数据库不是将块缓存到默认缓冲池中，而是将它们缓存到keep缓冲池中。没有单独的算法控制 KEEP 池缓存。

为了提高某些情况下的性能，可以显式地执行 ALTER DATABASE ... FORCE FULL DATABASE CACHING 语句，以启用强制全数据库缓存模式。

与默认模式(自动模式)相反，强制全数据库缓存模式认为整个数据库(包括NOCACHE lob)都适合在数据库缓冲区缓存中进行缓存。从Oracle数据库12c Release 1(12.1.0.2)开始，可以使用这种模式。

Oracle建议，只有当每个实例的缓冲区缓存大小大于数据库大小时，才启用强制全数据库缓存模式。该准则适用于单实例和Oracle RAC数据库。但是，当Oracle RAC应用程序被很好地分区时，当所有实例的组合缓存大于数据库大小时，您可以启用强制的全数据库缓存模式，并且有额外的空间来处理实例之间的重复缓存块。

数据库所运行的每个 SQL 语句，会存在于共享SQL区和私有 SQL 区。

数据库执行以下步骤：

1. 检查共享池，看是否存在某个语法和语义上都相同的语句的共享SQL 区：

   • 如果存在这样一个相同的语句，则数据库为该语句的后续新实例使用这个共享 SQL 区，从而减少内存消耗。

   • 如果不存在这样一个相同的语句，则数据库在共享池中分配一个新的共享 SQL 区。 语法相同、 但语义不同的语句会使用一个子游标。

   在这两种情况下， 用户的私有 SQL 区都指向包含语句和执行计划的共享 SQL 区。

2. 为该会话分配一个私有 SQL 区

   私有 SQL 区的位置取决于该会话所建立的连接。如果会话是通过共享服务器连接的， 则该私有 SQL 区中的一部分被保存在 SGA 中。

图 14-10 私有 SQL 区和共享 SQL 区

Description of "Figure 14-10 Private SQL Areas and Shared SQL Area"

ALTER SYSTEM FLUSH SHARED_POOL 语句删除共享池中的所有信息，以及更改全局数据库名称。

SQL查询结果高速缓存是存储查询和查询片段的服务器结果缓存的子集。

大多数应用程序都从这种性能改进中获益。考虑一个重复运行相同SELECT语句的应用程序。如果结果会被缓存，则数据库会将其立即返回。通过这种方式， 数据库避免了重读块和重计算结果等昂贵操作。

执行查询时，数据库搜索内存以确定结果是否存在于结果缓存中。如果结果存在，那么数据库将从内存中检索结果，而不是执行查询。如果结果没有缓存，那么数据库执行查询，将结果作为输出返回，然后将结果存储在结果缓存中。每当事务修改了数据或用于构造该缓存结果的数据库对象元数据时，数据库自动使其高速缓存结果无效。

PL/SQL函数结果缓存是存储函数结果集的服务器结果缓存的子集。