深入原理：Consistent Reads 与 buffer cache

黄玮（Fuyuncat）

资深Oracle DBA，个人网www.HelloDBA.com，致力于数据库底层技术的研究，其作品获得广大同行的高度评价.

编辑手记：关于数据的一致性读你了解多少呢？今天作者将会从一致性读发生的情景，脏数据块的管理及一致性读的特性等多个方面去解读其原理，邀你一起get新技能！

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 Least 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

（1）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：

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_tables 2 union all 3 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)) ----------------------------------------------------------------------- 159390 AAA

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 Y 186467 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

（2）“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

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 Y 186467 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。

（3）“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

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_tables 2 union all 3 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)) ------------------------------------------------------------------------------------------ 159390 BBB

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 Y 186467 1 147146 cr N

（4）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

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_tables 2 union all 3 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)) ----------------------------------------------------------------------- 159390 AAA SQL> 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 Y 186467 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 Y 186467 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 Y 186467 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 3 0 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 Y 186467 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

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：

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

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：

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：

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：

-----the end