Oracle Bigfile Tablespace大文件表空间

Oracle表空间Tablespace是逻辑结构的最高层次，其他分别对应段对象segment、区extent和块block。而物理层面的Oracle数据库是通过一系列的文件构成，其中数据文件datafile是与Tablespace进行对应的对象。


Tablespace与Datafile的关系是一对多的关系。一个表空间Tablespace可以对应多个Datafile，Datafile则是只能归属在一个Tablespace里。传统的Oracle管理概念中，倡导一个表空间中创建多个数据文件，特别是创建分布在多个存储磁盘上，以期分散I/O。但是，Oracle10g推出的BigFile Tablespace大文件表空间，将这个概念有所变化。


1、  Bigfile tablespace

在Oracle 10g中，推出了Bigfile tablespace的概念。表空间Tablespace从Oracle 10g以后就分为两个类型，smallfile tablespace和bigfile tablespace。过去一个表空间对应多个数据文件我们成为Smallfile Tablespace。

所谓Bigfile Tablespace最显著的差别就是一个表空间只能对应一个数据文件。Bigfile Tablespace虽只对应一个数据文件，但数据文件对应的最大体积大大增加。传统的small datafile每个文件中最多包括4M个数据块，按照一个数据块8K的大小核算，最大文件大小为32G。每个Small Tablespace理论上能够包括1024个数据文件，这样计算理论的最大值为32TB大小。而Bigfile Datafile具有更强大的数据块block容纳能力，最多能够包括4G个数据块。同样按照数据块8K计算，Bigfile Datafile大小为32KG=32TB。理论上small tablespace和big tablespace总容量相同。

下面我们通过一连串的实验来观察Bigfile Tablespace。


SQL> select * from v$version;

BANNER
----------------------------------------------------------------
Oracle Database 10g Enterprise Edition Release 10.2.0.1.0 - Prod
PL/SQL Release 10.2.0.1.0 - Production
CORE     10.2.0.1.0       Production
TNS for 32-bit Windows: Version 10.2.0.1.0 - Production
NLSRTL Version 10.2.0.1.0 - Production

SQL> create bigfile tablespace bttest datafile 'D:\ORADATA\ORCL\BTTEST.dbf' size 10m autoextend off
 2  extent management local uniform. size 1m
 3  segment space management auto;

Tablespace created


此处，我们通过create bigfile tablespace语句建立Bigfile Tablespace。注意两方面的问题，其一是Bigfile Tablespace必须使用local本地extent管理方式，不允许使用DMT（Dictionary Managed Tablespace）。另一方面是段segment空间使用auto自动方式，不要使用manual。

不过这两个条件在Undo或者临时Bigfile表空间的时候，是允许例外的。

Small Tablespace和Bigfile Tablespace是可以并存的。


SQL> select tablespace_name, bigfile from dba_tablespaces;

TABLESPACE_NAME                BIGFILE
------------------------------ -------
（篇幅原因，省略……）
QCDATA                         NO
QCTEMP                         NO
BTTEST                         YES

11 rows selected


在创建bigfile tablespace的时候，就已经指定了数据文件。如果此时我们尝试加入一个新的数据文件，Oracle系统会报错。


SQL> alter tablespace bttest add datafile 'D:\ORADATA\ORCL\BTTEST02.dbf' size 10m autoextend off;

alter tablespace bttest add datafile 'D:\ORADATA\ORCL\BTTEST02.dbf' size 10m autoextend off

ORA-32771: 无法在大文件表空间中添加文件


下面我们分析一下bigfile tablespace的特性。

2、Bigfile的相对文件编号

此处我们观察一下Bigfile Tablespace体系下的一些特征。


SQL> select file_name, file_id, relative_fno from dba_data_files;

FILE_NAME                         FILE_ID RELATIVE_FNO
------------------------------ ---------- ------------
D:\ORADATA\ORCL\USERS01.DBF             4            4
D:\ORADATA\ORCL\SYSAUX01.DBF            3            3
D:\ORADATA\ORCL\UNDOTBS01.DBF           2            2
D:\ORADATA\ORCL\SYSTEM01.DBF            1            1
D:\ORADATA\ORCL\EXAMPLE01.DBF           5            5
D:\ORADATA\ORCL\SPTABLESPACE            6            6
D:\ORADATA\ORCL\QCDATA.DBF              7            7
D:\ORADATA\ORCL\BTTEST.DBF              8         1024

8 rows selected


每个文件都包括两个编号，一个是绝对文件编号file_id，另一个是相对文件编号relative_fno。在文件数量较少，或者创建删除文件比较少情况下的数据库，file_id和relative_fno是相同的。Relative_fno是一个循环周期，以1024为一个循环。当file_id依次递增到1024整数倍之后，file_id会继续增加，而relative_fno会形成一个内部循环。


这种机制让我们联想起了Oracle Small Tablespace的数据文件上限限制，也是1023个文件。我们设想一种极端的情况，如果一个表空间中的数据文件个数超过了1024，也就是一个表空间内的数据文件中，存在相同的relative_fno。这种情况首先是不被允许的。


设置1024的relative_fno是进行Oracle数据寻址的需要。这里我们要关注到Oracle定位数据行的rowid信息，rowid是Oracle内部唯一标注一行记录的地址。Rowid包括四部分组成，对象号+文件号+块号+slot行号。Rowid长度固定，所以四部分的长度都是固定的，这里的文件号fno是相对文件编号。这里的查找顺序是，对象号获取所在表空间的编号，在表空间内部使用相对文件号来定位到文件。如果一个表空间内出现相同的relative_fno文件，定位就不可能了。所以，small tablepsace的内部文件上限必然是1023。


但是，Bigfile Tablespace存在一些不同之处。如果一个表空间只有一个数据文件且只能拥有一个数据文件，那么relative_fno就失去了存在的意义。所以在dba_data_files中的relative_fno列上，bigfile tablespace对应的datafile是直接1024。


SQL> create table t_big tablespace bttest as select * from dba_tables;
Table created

SQL> select dbms_rowid.rowid_object(t.rowid) obj_id, dbms_rowid.rowid_relative_fno(t.rowid,'BIGFILE') relative_fno,
 2  dbms_rowid.rowid_block_number(t.rowid) block_num, dbms_rowid.rowid_row_number(t.rowid) rownums,
 3  dbms_rowid.rowid_to_absolute_fno(t.rowid,'SYS','T_BIG') abso_fno
 4  from t_BIG t where rownum<4;

   OBJ_ID RELATIVE_FNO  BLOCK_NUM    ROWNUMS   ABSO_FNO
---------- ------------ ---------- ---------- ----------
    55707         1024         21          0          8
    55707         1024         21          1          8
    55707         1024         21          2          8


借助dbms_rowid包的相应方法，我们也可以看清bigfile tablespace上rowid行的relative_fno信息。

3、Bigfile Datafile大小探索

一个数据文件最大能有多大，在Oracle中有两个因素控制，一个是Oracle内部寻址能够寻找到的最大范围多少个块，另一个是数据库每个块大小是多大。

我们首先来看看Small Datafile的情况。Rowid是一个用16进制表示的18位长度类字符串。其中，前6位表示object_id，之后3位表示文件编号，之后6位表示块号，最后3位表示row的slot编号。

--语句摘自MOS[ID 1057891.6]

  SQL> select substr(rowid,1,6) "object",
              substr(rowid,7,3) "file",
              substr(rowid,10,6) "block",
              substr(rowid,16,3) "row"
      from test;

       object fil block  row
       ------ --- ------ ---
       AAABPW AAF AAAAv1 AAA


在small datafile中，对数据块有6×4=24位二进制表示。Oracle利用中间的22位进行块地址存储。这样，22位二进制可以表示的数据块编号范围为（2^22-1）=4M个数据块。如果按照每个数据块8K的普遍大小计算，这样每个small datafile大小上限就是32G。如果按照每个数据块上限32K计算，这样每个small datafile大小上限就是128G。


在bigfile datafile中，事情有所不同。由于没有relative_fno的问题，这样rowid中就不需要保存relative_fno的最多1024的数值。这样就节省出10位二进制位给数据块定位，相同长度的rowid就可以进行32位二进制长度的数据块寻址。每个bigfile datafile中，最多可以包括到（2^32-1）=4G个数据块。在数据块大小8K的环境下，最大为32TB数据。如果是数据块大小为32K环境下，文件最大可以到128TB大小。


4、结论和讨论

在本文第一部分中，我们讨论了Bigfile Tablespace和Small Tablespace的理论分析，两者理论上最大容量值是一样的。只是Bigfile的单个文件容量上限很大，我们如何看待这种新类型呢？

首先，实际生产环境下，Bigfile Tablespace在应对大数据量存储的时候略有优势。因为Small Tablespace在实现相同的存储大小时，要消耗大量的多文件管理开销。同时控制文件为了维护多位置上的文件，协同检查点和文件头SCN等内容，要消耗很大精力。

其次，Small Tablespace的存储量只是理论，很少有系统真的建立上千个文件在一个表空间中。从这个角度看，Bigfile吸引力是不小的。

最后，Oracle对于Bigfile Tablespace支持是全面的。存储层面上，ASM、Logical Volumn Manager/RAID、Dynamically Extensible Logical Volumes和OMF都提供了比较全面的支持。


但是，Bigfile Tablespace并不是万灵药。Bigfile是Oracle层面的Bigfile，并不涉及到OS层面的支持。使用Bigfile的时候，要选择合适的底层存储系统提供支持。此外，Bigfile的理念违背了我们过去宣称的I/O分散理论。所以，最好在有底层强大存储支持（如ASM）的情况下使用Bigfile，达到最优的性能平衡点。