Математическое обеспечение и администрирование информационных систем

 

Тема 2. Системная архитектура Oracle.

2.1. Архитектура

Oracle проектировалась как максимально  переносимая СУБД, — она доступна  на всех распространенных платформах. Поэтому физическая архитектура  Oracle различна в разных операционных системах. Например, в ОС UNIX СУБД Oracle реализована в виде нескольких отдельных процессов операционной системы — практически каждая существенная функция реализована отдельным процессом. Для UNIX такая реализация подходит, поскольку основой многозадачности в ней является процесс. Для Windows, однако, подобная реализация не подходит и работала бы не слишком хорошо (система получилась бы медленной и плохо масштабируемой). На этой платформе СУБД Oracle реализована как один многопоточный процесс, т.е. с использованием подходящих для этой платформы механизмов реализации. На мэйнфреймах IBM, работающих под управлением OS/390 и zOS, СУБД Oracle использует несколько адресных пространств OS/390, совместно образующих экземпляр Oracle. Для одного экземпляра базы данных можно сконфигурировать до 255 адресных пространств. Более того, СУБД Oracle взаимодействует с диспетчером загрузки OS/390 WorkLoad Manager (WLM) для установки приоритетности выполнения определенных компонентов Oracle по отношению друг к другу и к другим задачам, работающим в системе OS/390. В ОС Netware тоже используется многопоточная модель. Хотя физические средства реализации СУБД Oracle на разных платформах могут отличаться, архитектура системы — достаточно общая, чтобы можно было понять, как СУБД Oracle работает на всех платформах.

В этой главе мы рассмотрим три  основных компонента архитектуры Oracle.

• Файлы. Будут рассмотрены пять видов файлов, образующих базу данных и поддерживающих экземпляр. Это файлы параметров, сообщений, данных, временных данных и журналов повторного выполнения.
• Структуры памяти, в частности системная глобальная область (System Global Area — SGA). Мы рассмотрим взаимодействие SGA, PGA и UGA. Будут также рассмотрены входящие в SGA Java-пул, разделяемый пул и большой пул.
• Физические процессы или потоки. Будут описаны три типа процессов, образующих экземпляр: серверные процессы, фоновые процессы и подчиненные процессы.

2.2. Сервер

Трудно решить, с какого компонента сервера начать описание. Процессы используют область SGA, поэтому рассматривать SGA до процессов не имеет смысла. С другой стороны, при описании процессов и их функционирования придется ссылаться на компоненты SGA. Они тесно взаимосвязаны. С файлами работают процессы, и их нет смысла описывать, пока не объяснено, что делают процессы. Ниже определены некоторые термины и сделан общий обзор сервера Oracle, после чего подробно рассматриваются отдельные компоненты.

Два термина в контексте Oracle вызывают большую путаницу. Речь идет о терминах "база данных" и "экземпляр". В соответствии с принятой в Oracle терминологией, эти понятия определяются так:

• база данных - набор физических файлов операционной системы;
• экземпляр - набор процессов Oracle и область SGA.

Эти два термина иногда взаимозаменяемы, но представляют принципиально разные концепции. Взаимосвязь между ними такова, что база данных может быть смонтирована и открыта в нескольких экземплярах. Экземпляр может смонтировать и открыть только одну базу данных в каждый момент времени. Не обязательно отрывать и монтировать одну и ту же базу данных при каждом запуске экземпляра.

Стало еще непонятнее? Вот ряд  примеров, которые помогут прояснить  ситуацию. Экземпляр — это набор  процессов операционной системы  и используемая ими память. Все  эти процессы могут работать с базой данных, которая представляет собой просто набор файлов (файлов данных, временных файлов, файлов журнала повторного выполнения, управляющих файлов). В каждый момент времени с экземпляром связан только один набор файлов. В большинстве случаев обратное утверждение тоже верно; с базой данных работает только один экземпляр. В случае же использования параллельного сервера Oracle (Oracle Parallel Server — OPS), опции Oracle, позволяющей серверу функционировать на нескольких компьютерах в кластерной среде, одна и та же база данных может быть одновременно смонтирована и открыта несколькими экземплярами. Это делает возможным доступ к базе данных одновременно с нескольких компьютеров. Oracle Parallel Server позволяет создавать системы с высокой доступностью данных и, при условии правильной реализации, очень масштабируемые. Рассмотрение опции OPS здесь не предусмотрено, поскольку для описания особенностей ее реализации потребовалась бы отдельная книга.

Итак, в большинстве случаев  между базой данных и экземпляром имеется отношение один к одному. Это, вероятно, и является причиной путаницы при использовании этих терминов. По опыту большинства пользователей, база данных — это экземпляр, а экземпляр — это база данных.

Во многих тестовых средах это, однако, не так. На моем диске, например, может быть пять отдельных баз данных. На тестовой машине СУБД Oracle установлена в одном экземпляре. В каждый момент времени работает только один экземпляр, но обращаться он может к разным базам данных, в зависимости от задач, которые я решаю. Создав несколько конфигурационных файлов, я могу монтировать и открывать любую из этих баз данных. В данном случае у меня один "экземпляр", но несколько баз данных, лишь одна из которых доступна в каждый момент времени.

Итак, теперь под термином "экземпляр" мы будем понимать процессы и память сервера Oracle. Термин "база данных" означает физические файлы, в которых находятся данные. База данных может быть доступна многим экземплярам, но экземпляр в каждый момент времени обеспечивает доступ только к одной базе данных.

Теперь  можно приступать к рассмотрению абстрактной схемы СУБД Oracle⁵.

Упрощенно, СУБД Oracle включает большую область  памяти — SGA, — содержащую внутренние структуры данных, доступ к которым  необходим всем процессам для  кеширования данных с диска, кеширования данных повторного выполнения перед записью на диск, хранения планов выполнения разобранных операторов SQL и т.д. Имеется также набор процессов, подключенных к этой области SGA, причем механизм подключения в каждой операционной системе другой. В среде UNIX процессы физически подключаются к большому сегменту разделяемой памяти — выделенному ОС фрагменту памяти, к которому может одновременно обращаться несколько процессов. В ОС Windows для выделения памяти процессы используют библиотечную функцию malloc() языка C, поскольку они сами являются потоками одного большого процесса. В СУБД Oracle также имеется набор файлов, читаемых и записываемых процессами/потоками базы данных (причем читать и записывать эти файлы имеют право только процессы Oracle). В этих файлах хранятся данные таблиц, индексов, временное пространство, журналы повторного выполнения и т.д.

Если запустить  СУБД Oracle в UNIX-системе и выполнить  команду ps (для просмотра состояния процессов), можно увидеть количество работающих процессов и их имена. Например:

 

$ /bin/ps -aef | grep ora816

  ora816 20827     1  0   Feb 09 ?        0:00 ora_d000_ora816dev

  ora816 20821     1  0   Feb 09 ?        0:06 ora_smon_ora816dev

  ora816 20817     1  0   Feb 09 ?        0:57 ora_lgwr_ora816dev

  ora816 20813     1  0   Feb 09 ?        0:00 ora_pmon_ora816dev

  ora816 20819     1  0   Feb 09 ?        0:45 ora_ckpt_ora816dev

  ora816 20815     1  0   Feb 09 ?        0:27 ora_dbw0_ora816dev

  ora816 20825     1  0   Feb 09 ?        0:00 ora_s000_ora816dev

  ora816 20823     1  0   Feb 09 ?        0:00 ora_reco_ora816dev

 

Я еще опишу  назначение каждого из этих процессов, но часто их в совокупности называют просто фоновыми процессами Oracle. Это — постоянно работающие процессы, образующие экземпляр; они появляются при запуске СУБД и работают до тех пор, пока она не будет остановлена. Интересно отметить, что все это — процессы, а не программы. СУБД Oracle реализуется одной программой в UNIX, но программа эта многолика. Программа, которая запускалась для реализации процесса ora_lgwr_ora816dev, была использована и для запуска процесса ora_ckpt_ora816dev. Есть только один двоичный файл с именем oracle. Просто он выполняется несколько раз с разными именами. В ОС Windows с помощью программы tlist, входящей в Windows resource toolkit, можно обнаружить только один процесс — Oracle.exe. В случае NT тоже есть всего одна двоичная программа. Этот процесс создает несколько потоков, представляющих фоновые процессы Oracle. С помощью утилиты tlist (или любого из множества подобных средств) можно увидеть эти потоки:

 

C:\Documents and Settings\Thomas Kyte\Desktop>tlist 1072

1072 ORACLE.EXE

   CWD:     C:\oracle\DATABASE\

   CmdLine: c:\oracle\bin\ORACLE.EXE TKYTE816

   VirtualSize:   144780 KB   PeakVirtualSize:   154616 KB

   WorkingSetSize: 69424 KB   PeakWorkingSetSize: 71208 KB

   NumberOfThreads: 11

      0 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

      5 Win32StartAddr:0x00000000 LastErr:0x00000000 State:Initialized

        0.0.0.0 shp  0x00400000  ORACLE.EXE

     5.0.2163.1 shp  0x77f80000  ntdll.dll

        0.0.0.0 shp  0x60400000  oraclient8.dll

        0.0.0.0 shp  0x60600000  oracore8.dll

        0.0.0.0 shp  0x60800000  oranls8.dll

 

В данном случае имеется 11 потоков, выполняющихся  в рамках одного процесса Oracle. Если подключиться к базе данных, количество потоков увеличится до 12. В ОС UNIX к существующим процессам oracle просто добавился бы еще один. Теперь можно представить следующую схему. Предыдущая схема представляла концептуальный вид СУБД Oracle сразу после запуска. Теперь, если подключиться к СУБД Oracle в наиболее типичной конфигурации, схема будет выглядеть примерно так⁶: ...

Обычно СУБД Oracle при подключении  пользователя создает новый процесс. Это принято называть конфигурацией выделенного сервера, поскольку на все время сеанса ему выделяется отдельный серверный процесс. Сеансы и выделенные серверы находятся в отношении один к одному. Клиентский процесс (любая программа, пытающаяся подключиться к СУБД) будет непосредственно взаимодействовать с соответствующим выделенным сервером по сети, например, через сокет TCP/IP. Именно этот сервер будет получать и выполнять SQL-операторы. Он будет читать файлы данных, а также искать необходимые данные в кеше. Он будет выполнять операторы UPDATE и PL/SQL-код. Единственное его назначение — отвечать на получаемые SQL-запросы.

СУБД Oracle также может работать в  режиме многопоточного сервера (multi-threaded server — MTS), в котором при подключении не создается дополнительный поток или процесс UNIX. В режиме MTS СУБД Oracle использует пул "разделяемых серверов" для поддержки большого количества пользователей. Разделяемые серверы — это просто механизм организации пула подключений. Вместо запуска 10000 выделенных серверов (это действительно много, если речь идет о процессах или потоках) для 10000 сеансов режим MTS позволяет обслуживать их с помощью гораздо меньшего количества разделяемых серверов, которые (как следует из названия) будут совместно использоваться всеми сеансами. Это позволяет СУБД Oracle поддерживать намного больше сеансов, чем в режиме выделенного сервера. Машина, на которой работает сервер, может не справиться с поддержкой 10000 процессов, но управление 100 или 1000 процессами для нее вполне реально. В режиме MTS разделяемые серверные процессы обычно запускаются сразу при старте СУБД и отображаются в списке, выдаваемом командой ps (в представленных выше результатах выполнения команды ps процесс ora_s000_ora816dev представляет собой разделяемый серверный процесс).

Принципиальное отличие режима MTS от режима выделенного сервера  состоит в том, что клиентский процесс, подключившийся к СУБД, никогда  не взаимодействует непосредственно  с разделяемым сервером, как это  происходит в случае выделенного сервера. Он не может взаимодействовать с разделяемым сервером, так как соответствующий процесс используется совместно. Чтобы обеспечить совместное использование этих процессов, необходим другой механизм взаимодействия. Для этого в СУБД Oracle используется процесс (или набор процессов), которые называют диспетчерами. Клиентский процесс взаимодействует по сети с процессом-диспетчером. Процесс-диспетчер помещает запрос клиента в очередь запросов в SGA (это одно из многих назначений области SGA). Первый же свободный разделяемый сервер выберет и обработает этот запрос (например, запрос может иметь вид UPDATE T SET X = X+5 WHERE Y = 2). По завершении выполнения команды разделяемый сервер поместит ответ в очередь ответов. Процесс-диспетчер следит за очередью и немедленно передает полученный результат клиенту. Концептуально поток информации в режиме MTS выглядит следующим образом⁷: ...

Клиентское подключение посылает запрос диспетчеру. Диспетчер поместит этот запрос в очередь запросов в  области SGA (1). Первый свободный разделяемый сервер выберет этот запрос (2) из очереди и обработает его. Когда разделяемый сервер закончит выполнение, ответ (коды возврата, данные и т.д.) помещается в очередь ответов (3), после чего выбирается диспетчером (4) и возвращается клиенту.

С точки зрения разработчика нет  никакой разницы между подключением к серверу в режиме MTS и подключением к выделенному серверу. Теперь, когда  стало понятно, как происходит подключение  к выделенному и разделяемому серверу, возникают вопросы: а как  вообще подключиться; как запускается выделенный сервер и как связываться с процессом-диспетчером? Ответы зависят от платформы, но в принципе все происходит так, как описано ниже.

Мы рассмотрим наиболее общий случай: запрос на подключение по сети с  использованием протоколов TCP/IP. В этом случае клиент находится на одной машине, а сервер — на другой, причем эти машины связаны сетью на базе семейства протоколов TCP/IP. Все начинается с клиента. Он посылает запрос клиентскому ПО Oracle на подключение к базе данных. Например, выполняется команда:

 

C:\> sqlplus scott/tiger@ora816.us.oracle.com

 

Здесь клиентом является утилита SQL*Plus. scott/tiger — имя пользователя и пароль, а ora816.us.oracle.com — имя службы TNS. TNS — сокращение от Transparent Network Substrate (прозрачная сетевая среда), которое обозначает "базовое" программное обеспечение, встроенное в клиент Oracle и обеспечивающее удаленное подключение (двухточечное взаимодействие клиента и сервера). Строка подключения TNS указывает программному обеспечению Oracle, как подключаться к удаленной базе данных. В общем случае клиентское программное обеспечение обращается к файлу TNSNAMES.ORA. Это обычный текстовый файл конфигурации, обычно находящийся в каталоге [ORACLE_HOME]\network\admin и содержащий записи вида: