数据库启动初始化过程探讨

数据库启动过程探讨：

Oracle数据库启动时候，首先需要在内存中创建数据库初始化的结构，然后把数据文件中与初始化相关的内容读入这个结构，进而执行这些内容，这个初始化的结构就是bootstrap$，这些内容就是bootstrap$表中的sql语句。

实验分析（11gR2）：

1. 跟踪数据库打开阶段的sql

SYS AS SYSDBA >startup mount;
SYS AS SYSDBA >alter session set sql_trace = true;
SYS AS SYSDBA >alter database open;

2.格式化跟踪文件：

SYS AS SYSDBA >select * from v$diag_info where NAME='Default Trace File';--Oracle11g下才能用这个视图
   INST_ID|NAME |VALUE
----------|--------------------|--------------------------------------------------
         1|Default Trace File |/u01/diag/rdbms/hx/hx/trace/hx_ora_10720.trc

使用tkprof格式化跟踪文件：

SYS AS SYSDBA >show parameter timed_stat;
NAME |TYPE |VALUE
------------------------------------|-----------|------------------------------
timed_statistics |boolean |TRUE
SYS AS SYSDBA >show parameter dump_file_size;
NAME |TYPE |VALUE
------------------------------------|-----------|------------------------------
max_dump_file_size |string |unlimited
SYS AS SYSDBA >show parameter  user_dump;
NAME |TYPE |VALUE
------------------------------------|-----------|------------------------------
user_dump_dest |string |/u01/diag/rdbms/hx/hx/trace

格式转换：

oracle[~]$cd /u01/diag/rdbms/hx/hx/trace
oracle[~]$tkprof  hx_ora_10634.sql  hx_ora_10634.txt

3. 读取文件hx_ora_10634.txt，分析初始化过程
********************************************************************************
SQL ID: 32r4f1brckzq1 Plan Hash: 0
create table bootstrap$ ( line#         number not null,   obj#
  number not null,   sql_text   varchar2(4000) not null)   storage (initial
  50K objno 59 extents (file 1 block 520))
  
上面是第一个sql，可以看到，oracle在内存中创建这个表结构，数据是从file 1 block 520开始读取并加载的
看看file 1 block 520存放了哪个段的内容：

SYS AS SYSDBA >select SEGMENT_NAME,FILE_ID,BLOCK_ID,TABLESPACE_NAME from
dba_extents where file_id=1 and block_id=520;
SEGMENT_NAME | FILE_ID| BLOCK_ID|TABLESPACE_NAME
-------------------------|----------|----------|--------------------
BOOTSTRAP$ | 1| 520|SYSTEM
SYS AS SYSDBA >select SEGMENT_NAME,FILE_ID,BLOCK_ID,blocks,TABLESPACE_NAME from dba_extents where SEGMENT_NAME='BOOTSTRAP$';
SEGMENT_NAME | FILE_ID| BLOCK_ID| BLOCKS|TABLESPACE_NAME
-------------------------|----------|----------|----------|--------------------
BOOTSTRAP$ | 1| 520| 8|SYSTEM | 1| 520|SYSTEM

这个块存放的就是表BOOTSTRAP$的头块,这个表仅仅占用了一个区间。
继续跟踪文件：
********************************************************************************
SQL ID: 6apq2rjyxmxpj Plan Hash: 867914364
select line#, sql_text                                                                                 
from                                                                                                   
bootstrap$ where obj# != :1  

从上面看到，oracle在装载file 1 block 520后，就开始从这个表读取内容，实际上读取的是一些sql语句，然后利用这些sql语句创建数据库启动的必要对象：
 SYS AS SYSDBA >select line#,obj#,sql_text from bootstrap$ where rownum<=3; 
     LINE#|      OBJ#|SQL_TEXT
----------|----------|----------------------------------------------------------------------------------------------------
        -1|        -1|8.0.0.0.0
         0|         0|CREATE ROLLBACK SEGMENT SYSTEM STORAGE (  INITIAL 112K NEXT 56K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 32765 OBJNO
          |          |0 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 128))


        20|        20|CREATE TABLE ICOL$("OBJ#" NUMBER NOT NULL,"BO#" NUMBER NOT NULL,"COL#" NUMBER NOT NULL,"POS#" NUMBER
          |          | NOT NULL,"SEGCOL#" NUMBER NOT NULL,"SEGCOLLENGTH" NUMBER NOT NULL,"OFFSET" NUMBER NOT NULL,"INTCOL#
          |          |" NUMBER NOT NULL,"SPARE1" NUMBER,"SPARE2" NUMBER,"SPARE3" NUMBER,"SPARE4" VARCHAR2(1000),"SPARE5" V
          |          |ARCHAR2(1000),"SPARE6" DATE) STORAGE (  OBJNO 20 TABNO 4) CLUSTER C_OBJ#(BO#)


        42|        42|CREATE INDEX I_ICOL1 ON ICOL$(OBJ#) PCTFREE 10 INITRANS 2 MAXTRANS 255 STORAGE (  INITIAL 64K NEXT 1
          |          |024K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 2147483645 PCTINCREASE 0 OBJNO 42 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 384))
 
继续跟踪文件，可以看到，就是在执行这些语句：

CREATE ROLLBACK SEGMENT SYSTEM STORAGE (  INITIAL 112K NEXT 56K MINEXTENTS 1                           
  MAXEXTENTS 32765 OBJNO 0 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 128))                                                 
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………                   
********************************************************************************                       
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
CREATE CLUSTER C_OBJ#("OBJ#" NUMBER) PCTFREE 5 PCTUSED 40 INITRANS 2 MAXTRANS                          
  255 STORAGE (  INITIAL 136K NEXT 200K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 2147483645                             
  PCTINCREASE 0 OBJNO 2 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 144)) SIZE 800                                           
                                                                                                       
********************************************************************************                        
CREATE INDEX I_OBJ# ON CLUSTER C_OBJ# PCTFREE 10 INITRANS 2 MAXTRANS 255                               
  STORAGE (  INITIAL 64K NEXT 1024K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 2147483645                                 
  PCTINCREASE 0 OBJNO 3 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 168))          
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 

4. bootstrap$的生成与定位
那么，数据文件中的 bootstrap$是怎么生成的呢？那就要归功于创建数据库时候的sql.bsp文件了。隐含参数记录了这个文件：

SYS AS SYSDBA >col ksppinm for a20
col ksppdesc for a40
col ksppstvl for a10
select ksppinm,ksppdesc,ksppstvl
from sys.x$ksppi x,sys.x$ksppcv y
where x.inst_id = userenv('Instance') and y.inst_id = userenv('Instance') and x.indx = y.indx and (x.ksppinm like '%&par%');
/

Enter value for par: init_sql
old   3: where   x.inst_id = userenv('Instance') and  y.inst_id = userenv('Instance') and  x.indx = y.indx and  (x.ksppinm like '%&par%')
new   3: where   x.inst_id = userenv('Instance') and  y.inst_id = userenv('Instance') and  x.indx = y.indx and  (x.ksppinm like '%init_sql%')

KSPPINM             |KSPPDESC                                |KSPPSTVL
--------------------|----------------------------------------|----------
_init_sql_file      |File containing SQL statements to execut|?/rdbms/ad
                    |e upon database creation                |min/sql.bs
                    |                                        |q
创建数据库的create database语句隐含就要执行sql.bsp中的内容,这个文件包含了许多个bsp文件，其中的dcore.bsq文件就有表bootstrap$的创建语句：
create table bootstrap$
( line#         number not null,                       /* statement order id */
  obj#          number not null,                            /* object number */
  sql_text      varchar2("M_VCSZ") not null)                    /* statement */
  storage (initial 50K)            /* to avoid space management during IOR I */
// 
                                           /* "//" required for bootstrap */
通过上面的分析，数据库在内存中建立表结构后，直接定位到file 1 block 520，从而继续后面的工作。那么，他怎么知道是这个块是bootstrap$的块呢？那就要看system表空间记录的root dba了。

5. root dba 相关 
system表空间的数据文件头记录了这个东西，转存system表空间一号数据文件头看看：
10 STYLE FILE HEADER:
        Compatibility Vsn = 186646528=0xb200000
        Db ID=763100300=0x2d7bfc8c, Db Name='HX'
        Activation ID=0=0x0
        Control Seq=14715=0x397b, File size=51200=0xc800
        File Number=1, Blksiz=8192, File Type=3 DATA
Tablespace #0 - SYSTEM  rel_fn:1
Creation   at   scn: 0x0000.00000009 02/06/2013 17:15:16
Backup taken at scn: 0x0000.000cec73 03/31/2013 21:44:20 thread:1
 reset logs count:0x30817c6a scn: 0x0000.003cef48
 prev reset logs count:0x305eefc2 scn: 0x0000.000c7def
 recovered at 05/12/2013 22:15:57
 status:0x2004 root dba:0x00400208 chkpt cnt: 1095 ctl cnt:1094
begin-hot-backup file size: 41600
Checkpointed at scn:  0x0000.0054c1ba 05/13/2013 20:02:02
 thread:1 rba:(0xa2.4d1e.10)
注意：只有system表空间的文件头才具备root dba，它用来定位数据库引导的bootstrap$信息，root dba一共4字节。
root dba(0x00400208)转换为2进制：0000000001 0000000000001000001000，前面10位表示文件号，就是1（/u01/oradata/hx/system01.dbf）。后面22位表示数据文件1上的第520个块。
函数转换root dba(eygle提供的脚本)
SYS AS SYSDBA >CREATE OR REPLACE FUNCTION getbfno (p_dba IN VARCHAR2)  
  2       RETURN VARCHAR2  
  3    IS  
  4       l_str   VARCHAR2 (255) DEFAULT NULL;  
  5    BEGIN  
  6       l_str :=  
  7             'datafile# is:'  
  8          || DBMS_UTILITY.data_block_address_file
  9  (TO_NUMBER (LTRIM (p_dba, '0x'),'xxxxxxxx'))  
 10          || chr(10)||'datablock is:'  
 11          || DBMS_UTILITY.data_block_address_block
 12  (TO_NUMBER (LTRIM (p_dba, '0x'),'xxxxxxxx'));  
 13       RETURN l_str;  
 14    END;  
 15    /
 col bfno for a20

Function created.
SYS AS SYSDBA >select getbfno('&a') bfno from dual;
Enter value for a: 00400208
old   1: select getbfno('&a') bfno from dual
new   1: select getbfno('00400208') bfno from dual
BFNO
--------------------
datafile# is:1
datablock is:520
不同版本数据库中root dba 块的意义：
通过下面sql语句，可以看到头块为520之前的块的对象。

SYS AS SYSDBA >select b.object_id,a.segment_name,a.segment_type,a.header_block from dba_segments a,dba_objects b where
    a.segment_name=b.object_name(+) and a.header_file=1 and a.header_block<=520 order by a.header_block;
 OBJECT_ID|SEGMENT_NAME |SEGMENT_TYPE |HEADER_BLOCK

----------|-------------------------|------------------|------------
          |SYSTEM                   |ROLLBACK          |         128
         2|C_OBJ#                   |CLUSTER           |         144
         3|I_OBJ#                   |INDEX             |         168
         6|C_TS#                    |CLUSTER           |         176
         7|I_TS#                    |INDEX             |         184
         8|C_FILE#_BLOCK#           |CLUSTER           |         192
         9|I_FILE#_BLOCK#           |INDEX             |         200
        10|C_USER#                  |CLUSTER           |         208
        11|I_USER#                  |INDEX             |         216
        15|UNDO$                    |TABLE             |         224
        17|FILE$                    |TABLE             |         232
        18|OBJ$                     |TABLE             |         240
        23|PROXY_DATA$              |TABLE             |         248
        24|I_PROXY_DATA$            |INDEX             |         256
        25|PROXY_ROLE_DATA$         |TABLE             |         264
        26|I_PROXY_ROLE_DATA$_1     |INDEX             |         272
        27|I_PROXY_ROLE_DATA$_2     |INDEX             |         280
        28|CON$                     |TABLE             |         288
        29|C_COBJ#                  |CLUSTER           |         296
        30|I_COBJ#                  |INDEX             |         304
        33|I_TAB1                   |INDEX             |         312
        34|I_UNDO1                  |INDEX             |         320
        35|I_UNDO2                  |INDEX             |         328
        36|I_OBJ1                   |INDEX             |         336
        37|I_OBJ2                   |INDEX             |         344
        38|I_OBJ3                   |INDEX             |         352
        39|I_OBJ4                   |INDEX             |         360
        40|I_OBJ5                   |INDEX             |         368
        41|I_IND1                   |INDEX             |         376
        42|I_ICOL1                  |INDEX             |         384
        43|I_FILE1                  |INDEX             |         392
        44|I_FILE2                  |INDEX             |         400
        45|I_TS1                    |INDEX             |         408
        46|I_USER1                  |INDEX             |         416
        47|I_USER2                  |INDEX             |         424
        48|I_COL1                   |INDEX             |         432
        49|I_COL2                   |INDEX             |         440
        50|I_COL3                   |INDEX             |         448
        51|I_CON1                   |INDEX             |         456
        52|I_CON2                   |INDEX             |         464
        53|I_CDEF1                  |INDEX             |         472
        54|I_CDEF2                  |INDEX             |         480
        55|I_CDEF3                  |INDEX             |         488
        56|I_CDEF4                  |INDEX             |         496
        57|I_CCOL1                  |INDEX             |         504
        58|I_CCOL2                  |INDEX             |         512
        59|BOOTSTRAP$               |TABLE             |         520

从上图，对比之前bootstrap$中的sql语句，我们可以看到，520之前的块都和数据库启动相关
在oracle 10g和11g中，520块正好就是bootstrap$的头块，可以转储这个块分析：

alter system dump datafile 1 block 520;  

frmt: 0x02 chkval: 0xe443 type: 0x10=DATA SEGMENT HEADER - UNLIMITED
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………        
Extent Control Header                                                                                
  -----------------------------------------------------------------                                    
  Extent Header:: spare1: 0      spare2: 0      #extents: 1      #blocks: 7                            
                  last map  0x00000000  #maps: 0      offset: 4128                                     
      Highwater::  0x0040020c  ext#: 0      blk#: 3      ext size: 7                                   
  #blocks in seg. hdr's freelists: 1                                                                   
  #blocks below: 3                                                                                     
  mapblk  0x00000000  offset: 0                                                                        
                   Unlocked                                                                            
     Map Header:: next  0x00000000  #extents: 1    obj#: 59     flag: 0x40000000                       
  Extent Map                                                                                           
  -----------------------------------------------------------------                                    
   0x00400209  length: 7                                                                               
                                                                                                       
  nfl = 1, nfb = 1 typ = 1 nxf = 0 ccnt = 3                                                            
  SEG LST:: flg: USED   lhd: 0x0040020b ltl: 0x0040020b    
可以看到，这个块是obj#:=59的对象的头块，实际就是bootstrap$，以后的7个块（从0x00400209 开始，即521号块开始）都是bootstrap中存储的内容（当然，这些内容就是创建那些对象的sql语句了）。 简单的说，520号块就像一级位图块。如果是oracle9i，第520号块存储的是一个cache段，这个cache并不直接存放bootstrap$的内容，它类似二级位图块，指向bootstrap$的头块。指向头块后，数据库需要做的工作和10g就差不多了。

6 结论：
oracle open阶段初始化的时候，要做下面几件事（10g or 11g）：
1). 在内存中创建bootstraps$结构
1). 读system表空间中的1号文件的数据文件头中记录的root dba（实际就是bootstrap$的头块）
2). 通过root dba定位到bootstrap$
3). 把bootstrap$表中的数据装载到内存中的bootstraps$
4). 执行bootstrap$中的sql语句，创建一系列的数据字典。
5). 打开数据库，有冤报冤，有仇报仇，哈哈。
注意：如果是异常关闭数据库，那么需要前滚恢复完成后才能进行初始化。因为数据库一致性后，才能创建相关对象。跟踪原始日志的下面内容反应这一过程：

Started writing zeroblks thread 1 seq 163 blocks 125065-125072

*** 2013-05-14 10:36:56.943
Completed writing zeroblks thread 1 seq 163
==== Redo read statistics for thread 1 ====
Total physical reads (from disk and memory): 65536Kb
-- Redo read_disk statistics --
Read rate (ASYNC): 62531Kb in 0.50s => 122.13 Mb/sec
Longest record: 7Kb, moves: 0/45758 (0%)
Change moves: 17/18 (94%), moved: 0Mb                                                                  
Longest LWN: 1542Kb, moves: 15/91 (16%), moved: 14Mb
Last redo scn: 0x0000.0055bed1 (5619409)
----------------------------------------------
----- Recovery Hash Table Statistics ---------
Hash table buckets = 262144
Longest hash chain = 1
Average hash chain = 5143/5143 = 1.0
Max compares per lookup = 1
KCRA: start recovery claims for 5143 data blocks                                                       


*** 2013-05-14 10:36:57.100
KCRA: blocks processed = 5143/5143, claimed = 5143, eliminated = 0                                     


                                                                                                       
*** 2013-05-14 10:36:57.651                                                                            
Completed redo application of 37.74MB                                                                  
                                                                                                       
*** 2013-05-14 10:37:04.636                                                                            
Completed recovery checkpoint                                                                          
----- Recovery Hash Table Statistics ---------                                                         
Hash table buckets = 262144                                                                            
Longest hash chain = 1                                                                                 
Average hash chain = 5143/5143 = 1.0                                                                   
Max compares per lookup = 1                                                                            
Avg compares per lookup = 35602/67666 = 0.5                                                            
----------------------------------------------                                                         
Recovery sets nab of thread 1 seq 163 to 125065 with 8 zeroblks                                        
                                                                                                       
*** 2013-05-14 10:37:06.383                                                                            
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PARSING IN CURSOR #140574972147112 len=188 dep=1 uid=0 oct=1 lid=0 tim=1368499026383791 hv=4006182593 ad='6c8c9f50' sqlid
='32r4f1brckzq1'
create table bootstrap$ ( line#         number not null,   obj#           number not null,   sql_text   varchar2(4000) no
t null)   storage (initial 50K objno 59 extents (file 1 block 520))
END OF STMT      
                                                         
7.思考：

1.oracle为什么要这样初始化数据库？
2.bootstraps$之前的段空间管理技术是否普通表空间的管理技术一样？如果不一样，有什么异同？
3.oracle 10g和11g中，bootstraps$的头块是否可以看作是段头？
4.初始化时候，创建的哪些对象分别是干什么的，为什么每次启动数据库都需要创建那些对象，一次创建不就行了么？。
5.那个rollback对象有什么特殊性？。
6.初始化是否要等到回滚完成才能进行？