数据块（Data Block）原理深入剖析

数据块（Data Block）原理深入剖析

什么是数据块（Data Block）

数据块（Oracle Data Blocks），本文简称为“块”，是Oracle最小的存储单位，Oracle数据存放在“块”中。一个块占用一定的磁盘空间。特别注意的是，这里的“块”是Oracle的“数据块”，不是操作系统的“块”。

Oracle每次请求数据的时候，都是以块为单位。也就是说，Oracle每次请求的数据是块的整数倍。如果Oracle请求的数据量不到一块，Oracle也会读取整个块。所以说，“块”是Oracle读写数据的最小单位或者最基本的单位。

块的标准大小由初始化参数DB_BLOCK_SIZE指定。具有标准大小的块称为标准块（Standard Block）。块的大小和标准块的大小不同的块叫非标准块（Nonstandard Block）。同一中，Oracle9i及以上版本支持同一数据库中同时使用标准块和非标准块。Oracle允许指定5种非标准块（Nonstandard Block）。

操作系统每次执行I/O的时候，是以操作系统的块为单位；Oracle每次执行I/O的时候，都是以Oracle的块为单位。

Oracle数据块大小一般是操作系统块的整数倍。

 

数据块的格式（Data Block Format）

块中存放表的数据和索引的数据，无论存放哪种类型的数据，块的格式都是相同的，块由块头（header/Common and Variable),表目录（Table Directory）,行目录（Row Directory）,空余空间（Free Space）和行数据（Row Data）五部分组成，如下图所示。

块头（header/Common and Variable)：存放块的基本信息，如：块的物理地址，块所属的段的类型（是数据段还是索引段）。

表目录（Table Directory）：存放表的信息，即：如果一些表的数据被存放在这个块中，那么，这些表的相关信息将被存放在“表目录”中。

行目录（Row Directory）：如果块中有行数据存在，则，这些行的信息将被记录在行目录中。这些信息包括行的地址等。

行数据（Row Data）：是真正存放表数据和索引数据的地方。这部分空间是已被数据行占用的空间。

空余空间（Free Space）：空余空间是一个块中未使用的区域，这片区域用于新行的插入和已经存在的行的更新。

头部信息区（Overhead）：我们把块头（header/Common and Variable),表目录（Table Directory）,行目录（Row Directory）这三部分合称为头部信息区（Overhead）。头部信息区不存放数据，它存放的整个块的信息。头部信息区的大小是可变的。一般来说，头部信息区的大小介于84字节（bytes）到107字节（bytes）之间。

数据块中自由空间的使用

当往数据库中插入（INSERT）数据的时候，块中的自由空间会减少；当对块中已经存在的行进行修改（UPDATE）的时候（使记录长度增加），块中的自由空间也会减少。

DELETE语句和UPDATE语句会使块中的自由空间增加。当使用DELETE语句删除块中的记录或者使用UPDATE语句把列的值更改成一个更小值的时候，Oracle会释放出一部分自由空间。释放出的自由空间并不一定是连续的。通常情况下，Oracle不会对块中不连续的自由空间进行合并。因为合并数据块中不连续的自由空间会影响数据库的性能。只有当用户进行数据插入（INSERT）或者更新（UPDATE）操作，却找不到连续的自由空间的时候，Oracle才会合并数据块中不连续的自由空间。

对于块中的自由空间，Oracle提供两种方式：自动管理，手动管理

行链接和行迁移（Row Chaining and Migrating）

行链接（Row Chaining）：如果我们往数据库中插入（INSERT）一行数据，这行数据很大，以至于一个数据块存不下一整行，Oracle就会把一行数据分作几段存在几个数据块中，这个过程叫行链接（Row Chaining）。如下图所示：

如果一行数据是普通行，这行数据能够存放在一个数据块中；如果一行数据是链接行，这行数据存放在多个数据块中。

行迁移(Row Migrating)：数据块中存在一条记录，用户执行UPDATE更新这条记录，这个UPDATE操作使这条记录变长，这时候，Oracle在这个数据块中进行查找，但是找不到能够容纳下这条记录的空间，无奈之下，Oracle只能把整行数据移到一个新的数据块。原来的数据块中保留一个“指针”，这个“指针”指向新的数据块。被移动的这条记录的ROWID保持不变。行迁移的原理如下图所示：

无论是行链接还是行迁移，都会影响数据库的性能。Oracle在读取这样的记录的时候，Oracle会扫描多个数据块，执行更多的I/O。

块中自由空间的自动管理

Oracle使用位图（bitmap）来管理和跟踪数据块，这种块的空间管理方式叫“自动管理”。自动管理有下面的好处：

Ø        易于使用

Ø        更好地利用空间

Ø        可以对空间进行实时调整

块中自由空间的手动管理

用户可以通过PCTFREE, PCTUSED来调整块中空间的使用，这种管理方式叫手动管理。相对于自动管理，手动管理方式比较麻烦，不容易掌握，容易造成块中空间的浪费。

PCTFREE参数用于指定块中必须保留的最小空闲空间百分例。之所以要预留这样的空间，是因为UPDATE时，需要这些空间。如果UPDATE时，没有空余空间，Oracle就会分配一个新的块，这会产生行迁移（Row Migrating）。

PCTUSED也是用于设置一个百分比，当块中已使用的空间的比例小于这个百分比的时候，这个块才被标识为有效状态。只有有效的块才被允许插入数据。

 

行链接，行迁移的解决之道

 如果数据库中存在行链接，行迁移，将会严重影响数据库的性能。因此，我们应该想办法消除行链接和行迁移。请按照下面的步骤消除行链接和行迁移。

STEP1：创建数据字典表CHAINED_ROWS

数据字典表CHAINED_ROWS用于接收ANALYZE...LIST CHAINED ROWS的数据，数据字典表CHAINED_ROWS由脚本UTLCHAIN.SQL或者脚本UTLCHN1.SQL创建。

 

STEP2：对表进行分析

ANALYZE TABLE student_infor LIST CHAINED ROWS;

执行这个命令将会把分析的结果写入表CHAINED_ROWS中

 

STEP3：查出链接行或者迁移行

      SELECT *

FROM CHAINED_ROWS

WHERE TABLE_NAME = 'student_infor';

OWNER_NAME TABLE_NAME CLUST... HEAD_ROWID TIMESTAMP

---------- ---------- -----... ------------------ ---------

TT student_infor ... AAAAluAAHAAAAA1AAA 04-MAR-2008

TT student_infor ... AAAAluAAHAAAAA1AAB 04-MAR-2008

TT student_infor ... AAAAluAAHAAAAA1AAC 04-MAR-2008

从数据字典表中CHAINED_ROWS查询出链接行或者迁移行。该语句将列出表student_infor中存在的链接行或者迁移行。如果表中存在链接行或者迁移行，请执行下面的步骤；如果该语句没有任何输出，说明该表不存在链接行或者迁移行。

 

STEP4：创建中间表

      CREATE TABLE int_student_infor

AS SELECT *

FROM student_infor

WHERE ROWID IN

(SELECT HEAD_ROWID

FROM CHAINED_ROWS

WHERE TABLE_NAME = 'student_infor');

中间表int_student_infor用于临时存放链接行或者迁移行。该表的结构必须和表student_infor（本例中的表）的结构完全相同。执行完上面的命令，链接行或者迁移行已经被插入到中间表int_student_infor中。

 

STEP5：从已经存在的表student_infor中删除链接行和迁移行

      DELETE FROM student_infor

WHERE ROWID IN

(SELECT HEAD_ROWID

FROM CHAINED_ROWS

WHERE TABLE_NAME = 'student_infor');

 

STEP6：把中间表中的数据插入已经存在的表student_infor中

      INSERT INTO student_infor

SELECT *

FROM int_student_infor;

      这一步使原来的数据行被重新插入，从而消除行迁移。

 

STEP7：链接行的消除

如果CHAINED_ROWS中存在链接行，只能通过提高数据块（Data Block）的大小，使一行数据能够被容纳在一个数据块中。但是，如果列的类型是LONG，或者是宽度比较大的CHAR，VARCHAR2，行链接将无法避免的。

 

数据块大小（Data Block Size）的选择

通常数据库块的大小都是8K，但是对于不通的应用（OLTP，DSS）应该选择不通的块大小。数据库块大小的遵循如下的原则。

下面的情况可以选择小尺寸数据块：

        行的宽度很小，并伴有大量的随机访问（Random Access）

        减少块竞争

注：选择小尺寸数据块会浪费大量的存储空间，

 

下面的情况可以选择大尺寸数据块：

        行的宽度很大，或者含有LOB字段

        应用中存在大量的顺序读（Sequential Access）

        节省I/O,一次可以读入更多的数据量

        节省存储空间