【云原生进阶之数据库技术】第二章-Oracle-原理-4.2.3-数据文件解析

1 数据文件

在操作系统层面，Oracle 数据库将数据存储在数据文件中。Oracle 数据库必须至少有一个数据文件。数据文件是数据库中所有数据的实际存储空间，所有数据文件大小的和构成了数据库的大小。根据数据信息类型不同，数据文件分为永久性数据文件和临时数据文件两种。

1.1 数据文件的用途

每个未分区的 schema 对象（比如表、索引）、对象的每个分区都存储在自己的段（segment）中。每个段都只属于一个表空间（tablespace）。表空间和数据文件存在以下重要区别：

1. 每个表空间由一个或多个数据文件组成；
2. 一个数据库的所有数据都存储在数据库表空间的数据文件中；
3. 一个段可以跨越一个或多个数据文件，但是不能跨越多个表空间；
4. 一个Oracle数据库必须有 SYSTEM 和 SYSAUX 这两个表空间。在数据库创建时，Oracle 会自动为 SYSTEM 表空间分配第一批数据文件。SYSTEM 表空间中存有数据字典（data dictionary），即包含数据库元数据的表的一个集合。通常，Oracle 数据库还会有一个 undo 表空间和一个临时表空间（一般命名为 TEMP）。

下图展示了表空间、数据文件和段之间的关系。

图1 数据文件和表空间

schema对象：Tables and Table Clusters

1.2 数据文件特征

每一个ORACLE数据库有一个或多个物理的数据文件(data file)。一个数据库的数据文件包含全部数据库数据。逻辑数据库结构(如表、索引)的数据物理地存储在数据库的数据文件中。数据文件有下列特征：

1. 一个数据文件仅与一个数据库联系。
2. 一个数据文件只能属于一个数据库
3. 数据文件可以被设置成自动扩展
4. 一个或多个数据文件形成一个表空间
5. 一个数据文件只能属于一个表空间

数据文件中的数据在需要时可以读取并存储在ORACLE内存储区中。例如：用户要存取数据库一表的某些数据，如果请求信息不在数据库的内存存储区内，则从相应的数据文件中读取并存储在内存。当修改和插入新数据时，不必立刻写入数据文件。为了减少磁盘输出的总数，提高性能，数据存储在内存，然后由ORACLE后台进程DBWR决定如何将其写入到相应的数据文件。

查看数据文件：

#方式1：

SQL> select name from v$datafile;

#方式2：

SQL> select file_name from dba_data_files;

1.3 永久数据文件 vs 临时数据文件

永久表空间（permanent tablespace）包含有持久化的 schema 对象，存储在永久数据文件中。

临时表空间（temporary tablespace）中的 schema 对象只存在于一个 session 中。在本地管理的临时表空间包含有临时文件（temp files），用于存储哈希、排序等操作中的数据。当内存空间不够时，临时文件也会用来存储查询操作的结果集数据。

临时文件与永久数据文件相似，但存在以下区别：

1. 永久数据库对象，比如表，不会存储在临时文件中；
2. 临时文件一直被设定为 NOLOGGING 模式，即不会产生 redo日志。介质恢复过程中也不会识别临时文件；
3. 临时文件不能被设置为只读；
4. 不能使用 ALTER DATBASE 命令来创建临时文件；
5. 当你创建或者改变临时文件的大小时，Oracle 并不会保证会给临时文件分配到指定文件大小的磁盘空间。在 Linux 和 Unix 操作系统中，临时文件会被创建为稀疏文件（sparse files）。即只有当数据块被首次访问时才会给临时文件分配磁盘空间，而不是在创建或者 resize 临时文件时就分配。
6. 临时文件的信息可以在数据字典视图 DBA_TEMP_FILES 和 动态性能视图 VTEMPFILE 中查看，但无法在 DBA_DATA_FILES 或 VDATAFILE 视图中看到。

1.4 在线数据文件 vs 离线数据文件

数据文件有在线（可用）和离线（不可用）两种状态。数据库无法访问离线的数据文件。当要进行离线备份或者发生数据块损坏时，就可以将数据文件离线。如果数据库无法向一个数据文件写入数据，就会自动将该数据文件离线。

与数据文件类似，表空间也有在线和离线两种状态。如果将一个在线表空间中的一个数据文件离线，该表空间本身仍然会保持在线状态。当我们将一个表空间离线，该表空间内的所有数据文件都会暂时不可用。

从 Oracle 12c 开始，在数据库打开时，可以使用 ALTER DATABASE MOVE DATAFILE 语句将一个在线的数据文件从所在的物理文件迁移到另一个物理文件。该功能可以在以下场景中使用：

1. 将表空间从一种存储中迁移到另一种存储中；
2. 将很少被访问的数据文件迁移到开销低的存储中；
3. 将表空间设置为只读后，将其中的数据文件迁移到 write-once 存储中，比如 WORM （write once read many）驱动（一次性写入后不可删除和修改）；
4. 将数据库迁移到 Oracle ASM。

1.5 数据文件结构

在创建数据文件时，除了分配指定的磁盘空间以外，还会加上数据文件 header 的大小。数据文件 header 中包含有该数据文件的元数据，比如数据文件大小和检查点 SCN（checkpoint system change number, Checkpoint SCN）。每个数据文件 header 都包含一个绝对文件编号（用于在数据库中唯一标识该数据文件）和一个相对文件编号（用于在表空间中唯一标识该数据文件）。

创建数据文件时，分配的磁盘空间会被格式化但是尚未存储用户数据。这部分磁盘空间会被保留给相关表空间中将来存储数据的 segment。随着表空间的数据增长，Oracle 会将数据文件中的剩余空间用来给 segment 分配区（extent）。

下图展示了数据文件中的不同空间。

图2 数据文件中的空间