Oracle 数据库体系结构详解

一、SGA 相关概念
SGA，全称为 “System Global Area”（系统全局区），是 Oracle 为实例分配的一组共享缓冲存储区，主要用于存放数据库数据和控制信息，供数据库进程共享（PGA 不可共享），以实现对数据库数据的管理和操作。它包含 Oracle 服务器的数据和控制信息，存储在 Oracle 服务器所在计算机的实际内存中，若实际内存不足，则会写入虚拟内存。当数据库实例启动时，SGA 自动分配；实例关闭时，SGA 内存被回收。作为占用内存最大的区域，SGA 对数据库性能有着至关重要的影响。
（一）SGA 主要组成部分
Shared Pool（共享池）
共享池是 SGA 的重要组成部分，用于缓存此前执行过的 SQL 语句、PL/SQL 代码、数据字典内容等信息，供会话重用，以提高执行效率。其缓存内容以 “行” 为形式，且无法单独控制其中 Library Cache（库缓存）和 Dictionary Cache（数据字典缓存）的内存大小，只能整体控制共享池的大小。这是因为共享池中的可用内存块（chunk）具有动态性，若内存块存储数据字典信息，则属于数据字典缓存；若存储 SQL 文本或执行计划等，则属于库缓存，且内存块的归属可能因内存不足等情况发生切换。
在处理 SQL 语句时，Oracle 会先对提交的 SQL 语句进行哈希算法处理，生成 hash_values，再利用该值在 buffer cache 中查找是否存在相同语句，以实现高效检索。
Buffer Cache（缓冲区缓存）
缓冲区缓存是 Oracle 执行 SQL 的工作区域，以 “块” 为形式缓存内容。为避免频繁磁盘 IO 对系统性能造成毁灭性影响，用户会话不会直接操作磁盘数据，无论是查询还是 DML（insert、update、delete）操作，都需先作用于缓冲区缓存。
以查询语句select ename,salary from emp where name='111';为例，用户提交该语句后，用户进程（如 sql developer）将其发送给服务器，监听程序为其建立对应的服务器进程。服务器进程首先扫描缓冲区缓存，若存在包含 “111” 关键行的数据块（缓存命中），则将相关行传输到 PGA 进一步处理，格式化后展示给用户；若未命中，则先将对应数据块从磁盘复制到缓冲区缓存，再返回给客户端。
DML 操作流程类似，若缓存命中，服务器进程直接在缓冲区缓存中更新数据，导致数据块变为 “脏缓冲区”；若未命中，先将数据块从磁盘复制到缓冲区缓存，再执行更新。
日志缓冲区
日志缓冲区是一块较小的内存区域，用于短期存储将写入磁盘重做日志文件的变更向量，其存在意义在于减少磁盘 IO，缩短用户等待时间。与缓冲区缓存不同，日志缓冲区不能自动管理，修改其配置需重启实例。
（二）相关后台进程
DBWn（数据库写入器）
DBWn 是 Oracle 的后台进程，“n” 表示一个实例可配置多个（最多 20 个，如 DBW0-DBWN9、DBWa-DBWj），核心作用是将缓冲区缓存中的脏缓冲区（存储块与磁盘块不一致的缓冲区）写入磁盘的数据文件。
DBWn 采用 “极懒算法”，仅在以下四种情况执行写入，以减少频繁磁盘 IO 对系统性能的影响：
无可用缓冲区时，不得不写入；
脏缓冲区数量过多；
每 3 秒超时一次；
遇到检查点（checkPoint）事件，如实例有序关闭时，需将所有脏缓冲区写入磁盘，保证数据文件一致性。
需注意，DBWn 的写入与会话更新操作、commit 操作均无直接关联，并非一产生脏缓冲区或执行 commit 就写入磁盘。
LGWR（日志写入器）
与 “懒惰” 的 DBWn 不同，LGWR 十分 “勤快”，核心功能是将日志缓冲区内的内容写入磁盘的重做日志文件，以确保数据安全，它也是 Oracle 体系结构中的主要瓶颈之一，DML 速度无法超过 LGWR 写入变更向量的速度。
LGWR 在以下三种情况执行写入：
执行 commit 操作时，会话会挂起，等待 LGWR 将相关记录写入磁盘重做日志文件后，才通知用户提交完成，确保事务不丢失；
日志缓冲区占用率达到 1/3 时；
DBWn 写入脏缓冲区前，为保证事务回滚，需先由 LGWR 写入针对撤销数据的日志记录。
二、Oracle 数据库主要进程
（一）PMON（Process Monitor Process，进程监控进程）
负责监控进程运行状态，对异常进程进行恢复；
清理 buffer cache，释放客户端进程使用的资源，如重置事务表状态、释放锁、删除进程 ID 等；
将实例信息和调度进程注册到 Oracle Net Service；
定期检查监听程序是否启动，若已启动则传递相关参数给 listener，未启动则定时尝试连接。
（二）SMON（System Monitor Process，系统监控进程）
执行实例恢复，如实例不一致关闭后重启时的恢复操作；
恢复因读文件错误或表空间脱机错误中断的事务；
清空未使用的临时段，管理 tempfile；
合并数据字典管理的表空间中连续的空闲区块。
（三）DBWn（Database Write Process，数据库写进程）
如前文所述，DBWn 负责将 buffer cache 中修改过的脏数据写入磁盘，写入触发条件包括服务器进程无法找到可重用缓冲区、定时写入等，最多可配置 20 个。
（四）LGWR（Log Write Process，日志写进程）
主要功能是将日志缓冲区中连续的日志内容写入在线重做日志文件，触发条件有用户提交事务、日志切换、3 秒超时、日志缓冲区占用达 1/3 或 1Mb、DBWn 写入脏数据前等。
（五）CKPT（Checkpoint Process，检查点进程）
更新控制文件和数据文件头文件的检查点信息，包括检查点位置、SCN、在线重做日志恢复起始点等；
触发 DBWn 将脏数据写入磁盘。需注意，增量检查点仅每 3 秒更新控制文件中的 low cache rba 信息（检查点位置），不更新数据文件头及控制文件中数据库 SCN 和数据文件条目 SCN。
三、SCN（System Change Number，系统改变号）
（一）SCN 的定义与作用
SCN 是 Oracle 根据时间点通过函数运算得到的一串数字，反之也可通过 SCN 反推时间，本质是时间的另一种表示形式。系统使用 SCN 而非直接用时间，是因为 SCN 便于比较对象的新旧关系，操作更简单高效，核心作用是保证 Oracle 数据和文件的一致性。
（二）常见 SCN 类型
Checkpoint Queue（检查点队列）相关 SCN
通过查询语句select CPDRT,CPLRBA_SEQ||'.'||CPLRBA_BNO||'.'||CPLRBA_BOF "Low RBA",CPODR_SEQ||'.'||CPODR_BNO||'.'||CPODR_BOF "On disk RBA",CPODS,CPODT,CPHBT from x$kcccp;可查看相关信息。其中，CPDRT 为当前脏 buffer 数量，Low RBA 是检查点队列中最早脏 buffer 的日志地址，On disk RBA 是当前日志文件最后一条日志的地址，CPODS 是 On disk RBA 写入时对应的 SCN。Oracle 每 3 秒触发一次检查点事件，将 Low RBA 保存到控制文件，实例崩溃重启恢复时，以此为起点、On disk RBA 为终点应用日志。
控制文件 SCN
控制文件包含三种重要 SCN：
系统检查点 SCN：全局范围 SCN，CKPT 进程启动时保存到控制文件，文件级别的 SCN 操作（如将表空间置为只读）不更新该 SCN，可通过select CHECKPOINT_CHANGE# from v$database;查询；
数据文件检查点 SCN：CKPT 进程启动（全局或文件级检查点）时更新，保存到控制文件，通过select file#, name, checkpoint_change# from v$datafile;查询；
数据文件结束 SCN：数据文件在线且可读写时为空，否则为具体 SCN 值，代表数据文件停止读写的时间，可通过关联查询 v$datafile、dba_data_files、dba_tablespaces 表查看。
日志文件 SCN
每条 redo log 数据项都对应一个 SCN，日志文件头记录两个关键 SCN：
First SCN：日志文件第一条数据项的 SCN；
Next SCN：日志文件最后一条数据项的 SCN，同时也是下一个日志组的 First SCN，用于体现日志文件的衔接关系，通过select * from v$log;可查询。
根据 SCN 及日志使用情况，日志组文件分为三种状态：
Current：当前正在使用的日志组，新日志写入此处；
Active：非当前日志组，但其日志对应的脏 buffer 未完全写入数据文件，不可覆盖重写；
Inactive：非当前日志组，且日志对应的脏 buffer 已全部写入数据文件，可覆盖重写。生产环境中通常最少建立 5 组重做日志，确保日志正常切换。
四、Oracle 实例恢复
（一）实例恢复的触发场景
当数据库突然崩溃（如断电），buffer cache 中的脏数据块未及时刷新到数据文件，且运行中的事务被中断（处于未提交也未回滚的中间状态），导致数据文件内容无法反映实例崩溃时的状态，数据库关闭不一致，下次启动实例时，SMON 进程会自动触发实例恢复。
（二）实例恢复的过程
检测恢复需求：实例启动时，SMON 进程检查控制文件中在线可读写数据文件的 STOP SCN。正常运行时，该 SCN 为空；正常关闭数据库时，会执行完全检查点，将检查点 SCN 更新为 STOP SCN。若 SMON 发现 STOP SCN 为空，则判定实例上次未正常关闭，启动恢复。
前滚（Roll Forward）：SMON 从控制文件中找到每 3 秒触发的增量检查点对应的 RBA 地址（检查点队列第一个脏数据块的日志地址），在联机日志文件中定位该地址，从该位置开始应用所有 redo 条目，直至 ON DISK RBA（检查点队列最后一个 RBA，即联机日志文件最后一条 redo），使 buffer cache 恢复到实例崩溃时的状态，此时 buffer cache 中包含已提交未写入数据文件的脏数据块和未提交的脏数据块。
打开数据库与回滚（Roll Back）：前滚完成后，SMON 立即打开数据库，允许用户访问。随后，SMON 在后台对未提交的事务进行回滚，删除未提交事务产生的脏数据块，最终使数据文件仅保留提交的数据。
（三）实例恢复的特点
Oracle Database 10g 及以后版本可自动从实例错误中恢复，DBA 只需正常启动实例。实例启动后，先装载控制文件，尝试打开数据文件；若发现文件关闭时不同步，利用重做日志信息将数据文件前滚到错误发生前的状态，再回退未提交事务（还原表空间已前滚），确保数据一致性。