一致性读（Consistent Reads）与buffer cache
作者： fuyuncat
来源： www.HelloDBA.com
在一致性读（Consistent Read）过程中，Oracle根据SCN从undo segment/buffer中读取脏数据块的undo数据来保证查询数据的一致性。当查询读取了CR数据块时，为了提高后续CR的性能，会将CR块copy到buffer中，后续的CR就直接读取buffer。
在分析CR buffer之前，先简单看下buffer cache是怎么管理的。
我们知道，buffer cache的主要目的就是缓存那些被访问过的数据，以提高下次对这些数据的访问性能。由于一个数据库的被访问的数据量是很庞大的，但是buffer cache资源是有限的，这就需要一个对buffer cache的管理算法，以大大提高buffer cache的利用率。这一算法就是LRU算法，其基本思想就是让那些经常被访问的数据能尽量长时间的保留在buffer中，以提高数据库的整体性能。
Oracle通过两个链表来实现这种算法的管理：LRU List和Write List（也叫Dirty List）。在LRU List中，链接的是所有空闲块（Free Buffer）、正在被使用的块（Pinned Buffer）以及所有还未被放到Write List中去的脏块（Dirty Buffer）。当一个数据块被访问到了时，就会被放到LRU链表的MRU（the Most Recently Used）端，这样，那些很少被访问到的数据块就会逐渐移动到了链表的LRU（the Most Recently Used）端。当需要访问一个数据块时，用户进程会先搜索（通过hash）LRU List，看该数据块是否已经被cache住，如果有，就直接使用（buffer hit），如果没有（Buffer Miss），服务进程会从LRU List的LRU端开始搜索空闲块，并且在搜索过程中，将找到的脏块都转移到Write List上去。如果搜索一定数量（一个内部的Threshold值）的buffer块还没有找到空闲块时，服务进程就会发信号给DBW0进程将脏数据块写入磁盘并释放。
回过来再说CR。CR是发生在多个事务对相同数据进行读写时，为了保证读进程不因为时间差（query消耗的时间）而造成数据差异，让读进程读取到与本身时间戳（SCN）相符的数据块镜像。在发生CR时，CR块也会被cache到buffer中，以提高query后续的对该数据块的一致性读的效率，此时的CR buffer块会打上相应query的SCN标志，该数据块也只能被这个query使用。那么，具体什么样的情况会发生CR呢？我们通过代码演示来分析发生CR的各种情况。
注：下面是测试表t_cr的创建脚本：
SQL> create table t_cr as select * from user_objects;表已创建。SQL> alter table t_cr add constraint r_cr_pk primary key (object_id);表已更改。注：下面查询中objd是表对象的data_object_id，不是object_id，该值可以从dba_objects中查到。
一、什么情况下发生CR
· 在“读”事务开始时，数据块已经被其他事务修改但未被提交，但在数据块被读取到之前，修改已经被提交：
时间：
T1
T2
T3
T4
A事务
Block Updated
Commit
C事务
Query begin
Read Block(Consistent Read)
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';未选定行
A事务更新数据，未提交：
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'NB' where object_id=20;已更新 1 行。
修改过的数据块被cache到了buffer中：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y
C事务开始query，query时间较长，运行中且未读取到被A事务修改过的数据块：
C:SQL> select to_char(count(1)) from user_objects, user_tables2 union all3 select object_name from sys.t_cr where object_id=20;(Query运行中......)
A事务提交修改
A:SQL> commit;提交完成。
这时，C事务读取到该数据块，对数据块的读取是一致性读（CR），其读取的数据是修改前的数据：
C:(Query完成)TO_CHAR(COUNT(1))-----------------------------------------------------------------------159390AAA
看到UNDO数据被copy到了buffer cache中作为CR buffer存在：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N
再次读取就是修改后的数据：
C:SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME-----------------------------------------------------------NB
· “读”事务开始之前，数据块被其他事务修改，当“读”事务读取到该数据块时，修改仍未提交，发生一致性读：
时间：
T1
T2
T3
T4
A事务
Block Updated
Commit
C事务
Query begin
Read Block(Consistent Read)
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。
A事务修改数据、未提交：
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'AAA' where object_id=20;已更新 1 行。
C事务读取数据块，发生一致性读
C:SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------NB
CR块被cache：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N
以上这两种情况可以视为同一种情况：
当数据块在某个事务中被修改了，所有开始于“修改”事务开始后、提交前的所有会读取到该数据块的“读”事务，在读取到该数据块时都会发生一致性读。
· “读”事务开始后、在读取数据块之前，数据块被其他事务修改且未提交，当读取到该数据块时仍未提交：
时间：
T1
T2
T3
T4
A事务
Block Updated
Commit
C事务
Query begin
Read Block(Consistent Read)
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。
C事务开始query，query时间较长，运行中且未读取到被即将被A事务修改的数据块：
C:SQL> select to_char(count(1)) from user_objects, user_tables2 union all3 select object_name from sys.t_cr where object_id=20;(Query运行中......)
A事务修改数据块，未提交
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'AAA' where object_id=20;已更新 1 行。
C事务访问到了被修改过的数据块，发生一致性读，读取到修改前的数据
C:(Query完成)TO_CHAR(COUNT(1))------------------------------------------------------------------------------------------159390BBB
CR数据块被cache在buffer中：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N
· 在“读”事务开始后，未访问到数据块之前，其他事务中更新了数据块且已提交，当“读”事务读取到该数据块时，也同样发生一致性读
时间：
T1
T2
T3
T4
A事务
Block Updated
Commit
C事务
Query begin
Read Block(Consistent Read)
1、数据块已经在buffer中，直接copy CR块
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。
C事务开始query，query时间较长，运行中:
C:SQL> select to_char(count(1)) from user_objects, user_tables2 union all3 select object_name from sys.t_cr where object_id=20;(Query运行中......)
A事务更新数据且提交：
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'NB' where object_id=20;已更新 1 行。SQL> commit;提交完成。
C事务查询完成，读取到修改的数据，发生一致性读，读取到修改前的数据
C:(Query完成)TO_CHAR(COUNT(1))-----------------------------------------------------------------------159390AAASQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME-------------------------------------------------------------NB
CR块被cache在buffer中:
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N
以上这两种情况都可以被视为发生一致性读的另外一种情况：
在“读”事务开始后，如果有数据块被其他事务修改（无论是否被提交），在读取到被修改的数据块时都发生一致性读。
二、发生CR时，脏数据块的处理
在分析一致性读的问题时，还有一个关联问题就是对“脏”数据块的cache管理的问题。一般情况下，“修改”事务修改过数据块后，被修改过的数据块就已经被cache在buffer，且在被DBWn进程写回文件之前还有一个脏（Dirty）标志。但当要进行一致性读的事务读取到该数据块时，还会有其他一些情况可能发生：如脏数据块已经被写入文件、脏标志被清除；数据块已经被置换出buffer，这些情况下，脏数据块又是如何处理的呢？下面对各种情况逐个分析一番。
· 当发生一致性读时，如果脏数据块不在buffer中，则从数据文件中读取回脏数据块cache到buffer中：
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'AAA' where object_id=20;已更新 1 行。
Buffer Cache被清空：
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';未选定行
发生一致性读：
C:SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------NB
脏数据块被复制到了buffer中：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N已选择2行。
· 当发生一致性读时，如果脏数据块已经被写回数据文件、脏标志被清除，则会重置其脏标志：
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'AAA' where object_id=20;已更新 1 行。
数据被写入文件、脏标志被清除
B:SQL> alter system checkpoint;系统已更改。SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur N
发生一致性读：
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------NB
脏标志被重置：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N
三、CR块是被“独享”的
我们之前提到过，CR buffer只能被产生该buffer的事务读取，而不能被其它事务“共享”，其依据就是buffer中cr_scn_bas，其记录了产生该buffer的事务的SCN，该值只存在于CR Buffer中。
SQL> select cr_scn_bas,state from sys.x$bh where obj=186467 and dbablk=147146 and state!=0;CR_SCN_BAS STATE---------- ----------2949774291 30 1
· 当多个事务都对某个数据块发生一致性读，每个事务都会在buffer中copy一块CR块：
B:SQL> alter system flush buffer_cache;系统已更改。
A:SQL> update sys.t_cr set object_name = 'AAA' where object_id=20;已更新 1 行。
第一个事务发生CR，读取数据块：
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------NB
在buffer中Copy一块CR Buffer
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N已选择2行。
第二个事务发生CR，读取该数据块：
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------NB
在buffer中再Copy一块CR Buffer
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 xcur Y已选择4行。
· 由于buffer cache是有限资源，CR块不能无限制被copy，参数_db_block_max_cr_dba决定了一个数据块能copy的cr块数量（包括脏数据块），该参数默认值为6.
续上：
B:SQL> select nam.ksppinm, val.KSPPSTVL2 from x$ksppi nam,3 x$ksppsv val4 where nam.indx = val.indx5 AND nam.ksppinm = '_db_block_max_cr_dba';KSPPINM KSPPSTVL-------------------------- -----------------_db_block_max_cr_dba 6
重复以上步骤，直到发生第五次CR：
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------NB
总共产生了5个CR buffer
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 xcur Y已选择6行。
再次发生CR
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------AAA
CR buffer数量不再增加：
B:SQL> select objd,file#,block#,status,dirty from v$bh where objd=186467 and block#= 147146 and status !='free';OBJD FILE# BLOCK# STATUS DI---------- ---------- ---------- -------------- --186467 1 147146 cr N186467 1 147146 xcur Y186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N186467 1 147146 cr N已选择6行。
· 当cr buffer数量已经达到了_db_block_max_cr_dba的数量限制时，会将最近最少被touch的CR释放：
B:SQL> select cr_scn_bas from x$bh where obj=186467 and dbablk=147146 and state=3 order by 1;CR_SCN_BAS----------29496411562949641158294964116029496411642949641166已选择5行。
再次CR：
C：SQL> select object_name from sys.t_cr where object_id=20;OBJECT_NAME--------------------------------------------------------------------------------AAA
最早的一条被释放，增加一条新的：
B:SQL> select cr_scn_bas from x$bh where obj=186467 and dbablk=147146 and state=3 order by 1;CR_SCN_BAS----------29496411582949641160294964116429496411662949641434已选择5行。
