Oracle体系结构（15）—— Oracle 数据库的逻辑结构

数据库的物理结构定义了数据库包含的实际存在的数据文件。而数据文件中的数据之间存在一定的逻辑关系，所有数据之间的对应关系称为数据库的逻辑结构。数据库从逻辑上可以划分为以下几个层次：

（1）表空间（Tablespace）：Oracle 数据库逻辑上由一个或多个表空间组成。表空间物理上由一个或多个数据文件构成。
（2）段（Segment）：一个或多个段组成一个表空间。通过为各种不同的数据库对象分配不同的段，来保存数据。比如：student 表中的所有数据会存放在 student 段中。
（3）区（Extent）：由一个或多个区组成一个段。
（4）数据块（Data Block）：若干个连续存储的数据块组成一个区。数据块是数据库 I/O 最小的单位。数据块的大小是操作系统块大小的整数倍。

Oracle 数据库的逻辑结构与物理结构的对应关系如下图所示：

一、表空间（Tablespace）

Oracle 数据库是由若干个表空间构成的。任何数据库对象在存储时都必须存储在某个表空间中。表空间对应若干个磁盘文件，即表空间是由一个或多个磁盘文件构成的。表空间相当于操作系统中的文件夹，也是数据库逻辑结构与物理文件之间的一个映射。表空间的大小等于所有从属于它的数据文件大小的总和。Oracle 数据库一般包含以下几种类型的表空间：

（1）系统表空间（system tablespace）：系统表空间中存放诸如表空间名称、表空间所含的数据文件等数据库管理所需的信息。系统表空间必须在任何时候都处于可用状态，也是数据库运行的必要条件。因此，系统表空间不能脱机。系统表空间包括数据字典、存储过程、触发器和系统回滚段。
（2）SYSAUX 表空间（SYSAUX tablespace）：充当 SYSTEM 的辅助表空间，主要存储除数据字典以外的其他对象。以降低 SYSTEM 表空间的负荷。
（3）临时表空间（temp tablespace）：用于存储 Oracle 数据库运行期间所产生的临时数据。一个数据库可以创建多个临时表空间。当数据库关闭后，临时表空间中所有数据将全部被清除。
（4）undo 空间（undo tablespace）：用来保存事务中的 DML 语句的 undo 信息，保存的是数据在被修改之前的值。undo 表空间用于：事务的回滚；实例恢复（回滚）；一致性读时需要构造 CR 块。

一个数据库一般包含以下几个表空间：SYSTEM 表空间、临时表空间（用于存放临时数据）、UNDO（存放 undo 信息）、用户自定义的表空间（存放用户数据）。

查询数据库包含的表空间信息：

SQL> SELECT name FROM V$TABLESPACE;

NAME
------------------------------
SYSTEM
SYSAUX
UNDOTBS1
USERS
TEMP
UNDOTBS2
TS001
TMP002

8 rows selected.

查看表空间对应的数据文件：

 SQL> SELECT TABLESPACE_NAME,FILE_NAME FROM DBA_DATA_FILES;

TABLESPACE_NAME 	       FILE_NAME
------------------------------ --------------------------------------------------------
USERS			       +DATA/orcl/datafile/users.259.1070471891
UNDOTBS1		       +DATA/orcl/datafile/undotbs1.258.1070471891
SYSAUX			       +DATA/orcl/datafile/sysaux.257.1070471889
SYSTEM			       +DATA/orcl/datafile/system.256.1070471889
UNDOTBS2		       +DATA/orcl/datafile/undotbs2.264.1070472143
TS001			       +DATA/orcl/datafile/ts1_001.dbf
TMP002			       +DATA/orcl/datafile/tmp002.dbf
TS001			       +DATA/orcl/datafile/ts1_002.dbf

8 rows selected.

二、 段（Segment）

当建立数据对象（表、索引、簇等）时，Oracle 会自动给这些数据对象分配相应的存储空间，以存放它们的数据信息，这些为数据对象所分配的存储空间被称为段。

一个段只能存放在一个表空间中，但是可分布在属于这个表空间中的多个数据文件中。段由多个区组成，用于保存特定的数据库对象，每种数据对象都具有相应的段。段可分为以下几种类型：
（1）数据段：也称为表段，当创建一张表时，系统自动创建一个以该表的名字命名的数据段。
（2）索引段：包含索引信息。创建索引时，系统自动创建一个以该索引的名字命名的索引段。
（3）回滚段：当一个事务开启（DML 会自动开启事务）时，系统会自动为之分配回滚段。当修改表中数据的时候，该数据修改前的值会存放在回滚段中，当用户回滚（rollback）事务时，Oracle 将利用回滚段中保存的数据来恢复到原来的值。提交事务之后，系统会自动释放相应回滚段的数据。
（4）临时段：是 Oracle 在运行过程中自行创建的段。当一个 SQL 语句需要临时工作区时，由 Oracle 建立临时段。一旦语句执行完毕，临时段将自动消除。
（5）LOB 段：如果表中含有 CLOB 和 BLOB 等大型对象类型数据时，系统将创建 LOB 段以存储相应的大型对象数据。

查看 scott 用户所有的段及类型：

SQL> select segment_name,segment_type,owner 
     from dba_segments 
     where owner='SCOTT';

SEGMENT_NAME				  SEGMENT_TYPE	     OWNER
------------------------------------- ------------------ ------------------------------
PK_EMP						  INDEX 	     SCOTT
PK_DEPT 					  INDEX 	     SCOTT
E02							  TABLE 	     SCOTT
E01							  TABLE 	     SCOTT
SALGRADE					  TABLE 	     SCOTT
EMP							  TABLE 	     SCOTT
DEPT						  TABLE 	     SCOTT

7 rows selected.

三、区（extent）

区是由一组连续的数据块（data block）构成的数据库逻辑存储分配单位。用于保存特定数据类型的数据，区不可跨越多个数据文件。

当用户创建表时，Oracle 为此表的数据段分配一个包含若干数据块的初始区（initial extent）。如果一个段的初始区中的数据块已满，且有新数据插入时，Oracle 自动为这个段分配一个增量区（incremental extent）。为了管理的需要，每个段的段头（header block）包含一个记录此段所有区（extent）的目录。

段的定义中包含了区（extent）的存储参数，存储参数适用于各种类型的段。该参数控制 Oracle 如何为段分配可用空间。如：在 CREATE TABLE 语句中使用 STORAGE 子句设定存储参数，决定创建表时为段分配多少初始空间，或限定一个表最多可以包含多少区。如果没有指定存储参数，创建表时使用所在表空间的默认存储参数。

四、数据块（data block）

数据块是 Oracle 逻辑存储结构中最小的一个逻辑单元，也是执行数据库输入输出操作的最小存储单元。
Oracle 数据块的大小是操作系统数据块的整数倍。
Oracle 数据库支持同一个数据库中使用多种大小的块，初始化参数 DB_BLOCK_SIZE 确定数据块的标准大小，与标准块大小不同的块就是非标准块。

一个 Oracle block 由三个部分组成，分别是：数据块头、自由空间、实际数据。

查看数据块大小：

SQL> show parameter db_block_size

NAME				     TYPE	 VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
db_block_size			     integer	 8192

SQL> select name,value 
     from v$parameter 
     where name = 'db_block_size';

NAME		     VALUE
-------------------- ------------------------------
db_block_size	     8192

古之成大事者，不惟有超士之才，亦有坚忍不拔之志。——苏轼

漫漫人生路，浊浊人间情。学习是一个艰辛的过程，学习Oracle亦是如此，而经历过切切持续学习，不难成为其中高手。

了解Oracle详细安装流程后，我们很有必要学习下Oracle其基本物理及逻辑结构，从而理解其整体组成管理层次，为后续深入学习打下基础。

一、Oracle物理结构：

1，操作系统数据块

操作系统数据块是文件系统所使用的最小分配单元。数据库就是搭建在操作系统数据块基础上。

2，数据文件

保存Oracle数据的操作操作系统文件，用户可以通过登录操作系统浏览到数据库的数据文件。数据库创建时会创建对应数据文件，数据文件中保存着数据字典和用户数据等信息。

二、Oracle逻辑结构：

1，Oracle数据块

数据库内部I/O最小单位，数据库的最小逻辑单元。据库需要读取数据时总是无法只读取一条记录，而是必须读取整个数据块。

2，区

数据库中若干数据块的集合，数据库中空间以区进行扩展。

3，段

段是存储的对象，例如一张表或一个索引，都对应一个段。段由若干区组成。

4，表空间

表空间由一个或者多个数据文件组成。表空间数据文件中存在一个或者多个段。SYSTEM表空间包含数据字典，是数据库的大脑，没有SYSTEM表空间，数据库就无法运转。

Oracle物理及逻辑结构对应图

三、对应关系

每个数据库都必须由一个或多个表空间组成。（一对多关系）

每个表空间都必须由一个或多个数据文件（data file）组成。（一对多关系）

每个表空间都可以包含一个或多个段。（一对多关系）

每个数据文件都必须由一个或多个操作系统块（OS bolck）组成。（一对多关系）

每个段都必须由一个或多个区间组成（一对多关系）

每个区间都必须由一个或多个Oracle数据块（Oracle block）组成。（一对多关系）

每个区间都必须被定位并且只能定位在一个数据文件内，数据文件中的空间可以被分配一个或多个区间（多对一关系）

每个Oracle数据块都必须由一个或多个操作系统数据块组成（一对多关系）

三、拓展

Oracle物理及逻辑结构展现了用户眼中的宏观世界。数据库运行时，整个数据库都将围绕着这些结构进行跑转，数据将在其中进行流通，进而存储和展现。后续我们将围绕Oralce的体系结构，详细分析Oracle详细构造。

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一、定义

oracle的逻辑结构包括表空间(tablespace)，段(segment),扩展区（extent）,数据块(data block)
oracle数据库在逻辑上是由多个表间组成的，表空间中存储的对象叫段，比如数据段，索引段，和回退段。段由区组成，区是磁盘分配的最小单位。段的增大是通过增加区的个数来实现的。每个区的大小是数据块大小的整数倍，区的大小可以不相同；数据块是数据库中最小的I/O单位，同时也是内存数据缓冲区的单位，及数据文件存储空间单位。块的大小由参数DB_BLOCK_SIZE设置，其值应设置为操作系统块大小的整数倍。
结构图如下

二、数据块

数据块是数据中最小的数据组织单位与管理单位， 数据库中最小的逻辑存储单元，是数据文件磁盘存储空间单位，也是数据库I/O 的最小单位（读一个数据块，产生一次IO），数据块大小由DB_BLOCK_SIZE参数决定。
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吧。
数据块结构如下图所示

块头:存放块的基本信息，如块的物理地址、块所属的段类型（是数据段还是索引段）
表目录: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。
行数据:真正存放表数据和索引数据的地方。这部分空间也被数据行占用空间。
空余空间: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更新。
头部信息区：我们把块头、表目录、行目录这三部分合称为头部信息区，头部信息区不存放数据，它存放的是整个块的信息。头部信息区的大小是可变的。一般来说 头部信息区 大小介于84字节和107字节。
当往数据库中插入数据的时候，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。
当使用delete或者update使行记录变小的时候，oracle会释放部分自由空间，释放的自由空间并不是连续的。
通常情况下oracle不会对块中不连续的自由空间进行合并。只有当用户进行数据插入或者更新操作，却找不到连续的自由空间的时候，oracle才会合并数据块中的不连续自由空间。
对于块中的自由空间，oracle提供两种管理方式：自动管理和手动管理。
1.1获取数据块编号

SELECT dbms_rowid.rowid_block_number(ROWID) BLOCK, --返回输入ROWID的数据块号 
       COUNT(1)
  FROM emp t
 GROUP BY dbms_rowid.rowid_block_number(ROWID);

看到表emp 数据全部分布在一个数据块上

二、区（extent）

区是磁盘空间分配的最小单位。磁盘按区划分，每次至少分配一个区。区存储于段中，它由连续的数据块组成。区的分配过程中，每次至分配5个区。如果所剩的空闲空间不够5个区，就会出现错误：ORA-01653。可以通过字典dba_tablespaces查询表空间中区的信息。可以通过字典user_tables查询段中区的信息。可以通过字典user_extents查询区的分配状况。我们可以通过以下SQL语句分别查询表空间、段、区中区的分配信息
一个或多个块组成区，一个或多个区组成段。
一个区只能属于一个数据文件。

 SELECT t.segment_name    区名称,
       t.segment_type    区类型,
       t.tablespace_name 表空间,
       t.extent_id       区id,
       t.bytes           区大小,
       t.blocks          块数目
  FROM user_extents t;

2.1 区的分配

当创建一个表时，oracle会给这个表的数据段分配一个初始区（initial extent），即使没有数据的插入，oracle还是会分配这个初始区。伴随着数据的插入，这个初始区的空间被填满数据，oracle会再分配一个新的区给这个数据段，这样的区，我们把它叫做递增区，如果第一个递增区用完，oracle还会分配另外的递增区，周而复始地这样循环下去。
出于管理的需要，段的头部含有区的一个目录。

2.2 区的释放

通常分配给一个段的区所占用的空间不会释放。除非我们把和这些段相关的对象给删除（drop table或drop cluster） 但是我们可以通过下面的方式回收分配给一个段的区。

truncate …… drop storage 命令会回收分配给一个段的区。

alter table …… deallocate unused 命令会回收已经分配给一个段，但还没使用的区。

三 段

段是由一个或多个连续或不连续的区组成的逻辑存储单元，用于存储特定的、具有独立存储结构的数据库对象。根据存储对象类型不同，分为： 数据段（表段）、索引段、临时段和回退段4类。
表由段组成，一个表由一个或者多个段组成。普通表由一个段组成，分区表由多个段组成。
创建表的时候，其实质就是创建一个或者多个段。

3.1段的分类

表段：又称数据段，用来存储表或簇的数据，可以细分为普通表段、分区表段、簇段、索引化表段
创建数据段的时候，可以指定数据段的存储参数。
索引段：用来存放索引数据，包括 ROWID 和索引值，每个非分区索引有一个单独的索引段。
创建索引时，实质就是创建一个或者多个索引段
回退段：用于保存数据库的回退信息，包含当前未提交事务所修改的数据的原始版本。利用回退段中保存的回退信息，可以实现事务回滚、数据库恢复、数据的读一致性和闪回查询

数据段用来存储用户的数据，每个表都有一个对应的回滚段，其名称和数据表的名字相同。
索引段用来存储系统、用户的索引信息。
回滚段用来存储用户数据修改前的值

3.2 段相关的视图

通过视图 dba_segment或者 user_segments;可以知道 段名称与数据库对象名称一致 ；

select t.owner 用户,t.segment_name 段名称 ,t.tablespace_name 表空间名称 ,T.segment_type 段类型  from  dba_segments t
  where t.owner='SCOTT';--查看scott 用户下的段

–查询结果中除了有表外还有索引
查看段、区、块的关系

SELECT t.segment_name    段名称,
       t.segment_type    段类型,
       t.tablespace_name 表空间名称,
       t.bytes           字节数,
       t.blocks          块数目,
       t.extents         区数目
  FROM user_segments t;

四、表空间

是Oracle数据库最大的逻辑结构，一个Oracle数据库在逻辑上由多个表空间组成，一个表空间只隶属于一个数据库。Oracle中有一个称为SYSTEM的表空间，这个表空间是在创建或安装数据库时自动创建的。主要用于存储系统的数据字典，过程，函数，触发器等；也可以存储用户的表，索引等。这些对象实际上是存放在数据文件中，数据文件是数据的物理载体。一个表空间可以有多数据文件，但是一个数据文件只能属于一个表空间。一个表空间就是一片磁盘区域,他由一个或者多个磁盘文件组成,一个表空间可以容纳许多表、索引或者簇等。每个表空间有一个预制的磁盘区域称为初始区间（initial extent）用完这个区间后再用下一个，直到用完表空间，这时候需要对表空间进行扩展，增加数据文件或者扩大已经存在的数据文件；每个数据库都拥有一个系统表空间(SYSTEM tablespace)和一个辅助表空间（SYSAUX tablespace）

4.1 表空间分类

表空间根据存储数据类型的不同，分为系统表空间和非系统表空间两类。
系统表空间主要存放数据库的系统信息，如数据字典、数据库对象定义信息，数据库组件信息等。
非系统表空间又分为撤销表空间、临时表空间和用户表空间等。其中撤销表空间用于自动管理数据库的回退信息，临时表空间用于管理数据库的临时信息，用户表空间用于存储业务数据。

4.1.1 大文件表空间

大文件表空间是由一个很大的数据文件组成。大表空间使用oralce能够使用和管理超级大的文件 。
默认情况下，系统默认创建的是小文件表空间，小文件表空间是传统的表空间类型，oracle创建的system表空间和sysaux表空间都是小文件表空间

使用大文件表空间的优点：
1、使表空间的容量更大
2、在超大型数据库中，简化数据文件的管理，使用大文件表空间，可以减少SGA的需求，同时还可以控制文件尺寸。
3、简化整个数据库的管理

4.1.2 系統表空間

每个数据库都有一个叫system的表空间，一旦打开数据库，系统表空间必须在线（online）数据字典的数据被存放在系统表空间中。

4.1.3 辅助表空间

辅助表空间是对系统表空间的补充，许多数据库组件（components）的信息不存放在系统表空间中，而是存储放在辅助表空间中，创建数据库的过程中，oracle会自动创建辅助表空间，通常情况下，oracle不允许删除和重命名辅助表空间。Oracle也不支持传输辅助表空间

4.1.4 回滚表空间

undo tablespace 回滚表空间是一种类型的表空间，用于存放回滚数据。回滚段表空间是一个特殊的表空间，回滚段表空间只能用于存放回滚段。不能在回滚段表空间创建其他数据库对象（如表、索引）。每个数据库可有零个或者多个回滚表空间。但是只能有一个活动的回滚表空间。system回滚段是特殊的回滚段，它存在于system表空间，system回滚段用于回滚系统事务。非系统事务只能交由非系统回滚段来处理。因此，除了系统回滚段表空间外，每个数据库应该另外创建一个回滚段表空间

4.1.5 临时表空间

临时表空间是临时存放数据的地方。临时表空间中含有排序段，临时数据都放在排序段中，临时数据是进行排序时用到的一些数据，这些数据暂时存放在临时段中，一个sql语句可能会使用一个或者多个临时表空间。临时表空间中不能创建永久性的数据对象（如表、索引）一个排序段可以被多个排序操作所共享。当执行第一次排序的时候，oracle在临时表空间中创建排序段，这个排序段不断扩展，直到能够容纳所有的排序数据。创建用户的时候，应该给用户指定一个临时表空间，用户的排序段存放在这个表空间中，如果没有给用户指定临时表空间，oracle会自动给这个用户指定一个临时表空间，这个临时表空间叫默认临时表空间。如果系统表空间是本地管理的，则必须定义一个默认临时表空间system表空间不能作为默认临时表空间；如果系统表空间是字典管理的，则不必定义一个默认临时表空间，sytem表空间可以作为默认临时表空间，但是一旦用户使用系统表空间进行排序，oracle会发出警告。从性能的角度考虑，不应该把sytem表空间作为临时表空间。创建数据库的时候。可以指定默认临时表空间，数据库完成以后，我们也可以使用alter database default
temporary tablespace 名令指定默认临时表空间。

查看临时表空间

     SELECT tablespace_name,
             file_name,
             bytes / 1024 / 1024 file_size,
             autoextensible
        FROM dba_temp_files;
--默认临时表空间
select * from database_properties where property_name='DEFAULT_TEMP_TABLESPACE';