Oracle高水位线(HWM)及性能优化

悠悠 2021-06-26 16:06 344阅读 0赞

说到`HWM`,我们首先要简要的谈谈ORACLE的逻辑存储管理.我们知道,ORACLE在逻辑存储上分4个粒度:**表空间,段,区和块**.

(1)`块`:是粒度最小的存储单位,现在标准的块大小是`8K`,ORACLE每一次`I/O`操作也是按块来操作的,也就是说当ORACLE从数据文件读数据时,是读取多少个块,而不是多少行.

(2)`区`:由一系列相邻的块而组成,这也是ORACLE空间分配的基本单位,举个例子来说,当我们创建一个表`PM_USER`时,首先ORACLE会分配一区的空间给这个表,随着不断的`INSERT`数据到`PM_USER`,原来的这个区容不下插入的数据时,ORACLE是以区为单位进行扩展的,也就是说再分配多少个区给`PM_USER`,而不是多少个块.

(3)`段`:是由一系列的区所组成,一般来说,当创建一个对象时(表,索引),就会分配一个段给这个对象.所以从某种意义上来说,段就是某种特定的数据.如`CREATE TABLE PM_USER`,这个段就是数据段,而`CREATE INDEX ON PM_USER(NAME)`,ORACLE同样会分配一个段给这个索引,但这是一个索引段了.查询段的信息可以通过数据字典: `SELECT * FROM USER_SEGMENTS`来获得,

(4)`表空间`:包含段,区及块.表空间的数据物理上储存在其所在的数据文件中.**一个数据库至少要有一个表空间.**

OK,我们现在回到`HWM`上来,那么,什么是高水位标记呢?这就跟ORACLE的段空间管理相关了.

**(一)ORACLE用`HWM`来界定一个段中使用的块和未使用的块.**

举个例子来说,当我们创建一个表:`PT_SCHE_DETAIL`时,ORACLE就会为这个对象分配一个段.在这个段中,即使我们未插入任何记录,也至少有一个区被分配,第一个区的第一个块就称为段头(`SEGMENT HEAD`),段头中就储存了一些信息,基中HWM的信息就存储在此.此时,因为第一个区的第一块用于存储段头的一些信息,虽然没有存储任何实际的记录,但也算是被使用,此时HWM是位于第2个块.当我们不断插入数据到PM\_USER后,第1个块已经放不下后面新插入的数据,此时,ORACLE将高水位之上的块用于存储新增数据,同时,HWM本身也向上移.也就是说,当我们不断插入数据时,HWM会往不断上移,这样,在HWM之下的,就表示使用过的块,HWM之上的就表示已分配但从未使用过的块.

**(二)HWM在插入数据时,当现有空间不足而进行空间的扩展时会向上移,但删除数据时不会往下移.**

这就好比是水库的水位,当涨水时,水位往上移,当水退出后,最高水位的痕迹还是清淅可见.  
考虑让我们看一个段，如一张表，其中填满了块，如图 1 所示。在正常操作过程中，删除了一些行，如图 2 所示。现有就有了许多浪费的空间：(I) 在表的上一个末端和现有的块之间，以及 (II) 在块内部，其中还有一些没有删除的行。

![HWM01][]  
图1：分配给该表的块。用灰色正方形表示行

ORACLE 不会释放空间以供其他对象使用，有一条简单的理由：由于空间是为新插入的行保留的，并且要适应现有行的增长。被占用的最高空间称为最高使用标记 (HWM)，如图 2 所示。

![HWM02][]  
图2：行后面的块已经删除了；HWM 仍保持不变

**(三)HWM的信息存储在段头当中.**

`HWM`本身的信息是储存在段头.在段空间是手工管理方式时,ORACLE是通过`FREELIST`(一个单向链表)来管理段内的空间分配.在段空间是自动管理方式时(ASSM),ORACLE是通过`BITMAP`来管理段内的空间分配.

**(四)ORACLE的全表扫描是读取高水位标记(`HWM`)以下的所有块.**

所以问题就产生了.当用户发出一个全表扫描时，ORACLE 始终必须从段一直扫描到 `HWM`，即使它什么也没有发现。该任务延长了全表扫描的时间。

**(五)当用直接路径插入行时 — 例如，通过直接加载插入（用 `APPEND` 提示插入）或通过 `SQL*LOADER` 直接路径 — 数据块直接置于 `HWM` 之上。它下面的空间就浪费掉了。**

我们来分析这两个问题,后者只是带来空间的浪费,但前者不仅是空间的浪费,而且会带来严重的性能问题.我们来看看下面的例子:

(A)我们先来搭建测试的环境,第一步先创建一个段空间为手工管理的表空间:

CREATE TABLESPACE "RAINNY" 
    LOGGING 
    DATAFILE 'D:ORACLE_HOMEORADATARAINNYRAINNY.ORA' SIZE 5M 
    AUTOEXTEND 
    ON NEXT 10M MAXSIZE UNLIMITED EXTENT MANAGEMENT LOCAL 
    SEGMENT SPACE MANAGEMENT MANUAL;

(B)创建一个表,注意,此表的第二个字段我故意设成是`CHAR(100)`,以让此表在插入1千万条记录后,空间有足够大:

CREATE TABLE TEST_TAB(C1 NUMBER(10),C2 CHAR(100)) TABLESPACE RAINNY;

插入记录

DECLARE
        I NUMBER(10);
    BEGIN
        FOR I IN 1..10000000 LOOP
            INSERT INTO TEST_TAB VALUES(I,'TESTSTRING');
        END LOOP;
        COMMIT;
    END;
    /

©我们来查询一下,看在插入一千万条记录后所访问的块数和查询所用时间:

SQL> SET TIMING ON
    SQL> SET AUTOTRACE TRACEONLY
    SQL> SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB;
     
    ELAPSED: 00:01:03.05
     
    EXECUTION PLAN
    ------------------------------------------------------------
    0 SELECT STATEMENT OPTIMIZER=CHOOSE (COST=15056 CARD=1)
    1 0 SORT (AGGREGATE)
    2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'TEST_TAB' (COST=15056 CARD=10000
    000)
     
    STATISTICS
    ----------------------------------------------------------
    0      RECURSIVE CALLS
    0      DB BLOCK GETS
    156310 CONSISTENT GETS
    154239 PHYSICAL READS
    0      REDO SIZE
    379    BYTES SENT VIA SQL*NET TO CLIENT
    503    BYTES RECEIVED VIA SQL*NET FROM CLIENT
    2      SQL*NET ROUNDTRIPS TO/FROM CLIENT
    0      SORTS (MEMORY)
    0      SORTS (DISK)
    1      ROWS PROCESSED

我们来看上面的执行计划,这句SQL总供耗时是:1分3秒.访问方式是采用全表扫描方式(FTS),逻辑读了156310个BLOCK,物理读了154239个BLOCK.  
我们来分析一下这个表:

BEGIN
    DBMS_STATS.GATHER_TABLE_STATS(OWNNAME=> 'TEST', 
    TABNAME=> 'TEST_TAB',
    PARTNAME=> NULL);END;
    /

发现这个表目前使用的`BLOCK`有: 156532,未使用的`BLOCK`(`EMPTY_BLOCKS`)为:0,总行数为(`NUM_ROWS`):1000 0000

(D)接下来我们把此表的记录用`DELETE`方式删掉,然后再来看看`SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB`所花的时间:

DELETE FROM TEST_TAB; 
    COMMIT;
     
    SQL> SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB; 
     
    ELAPSED: 00:01:04.03 
     
    EXECUTION PLAN 
    ---------------------------------------------------------- 
    0 SELECT STATEMENT OPTIMIZER=CHOOSE (COST=15056 CARD=1)
    1 0 SORT (AGGREGATE) 
    2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'TEST_TAB' (COST=15056 CARD=1)
     
    STATISTICS 
    ---------------------------------------------------------- 
    0      RECURSIVE CALLS 
    0      DB BLOCK GETS 
    156310 CONSISTENT GETS 
    155565 PHYSICAL READS 
    0      REDO SIZE 
    378    BYTES SENT VIA SQL*NET TO CLIENT 
    503    BYTES RECEIVED VIA SQL*NET FROM CLIENT 
    2      SQL*NET ROUNDTRIPS TO/FROM CLIENT 
    0      SORTS (MEMORY) 
    0      SORTS (DISK) 
    1      ROWS PROCESSED

大家来看,在`DELETE`表后,此时表中已没有一条记录,为什么`SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB`花的时间为1分4秒, 反而比有记录稍微长点,这是为什么呢?而且大家看,其逻辑读了156310个 BLOCK,跟之前有一千万行记录时差不多,ORACLE怎么会这么笨啊?

我们在`DELETE`表后再次分析表,看看有什么变化:  
这时, `TEST_TAB`表目前使用的`BLOCK`是: 156532,未使用的`BLOCK`(`EMPTY_BLOCKS`)为:0,总行数为(`NUM_ROWS`)已变成:0  
为什么表目前使的`BLOCK`数还是156532呢?

**问题的根源就在于ORACLE的`HWM`.也就是说,在新增记录时,`HWM`会慢慢往上移,但是在删除记录后,`HWM`却不会往下移,也就是说,DELETE一千万条记录后,此表的HWM根本没移动,还在原来的那个位置,所以,HWM以下的块数同样也是一样的.ORACLE的全表扫描是读取ORACLE高水位标记下的所有BLOCK**,也就是说,不管HWM下的`BLOCK`现在实际有没有存放数据,ORACLE都会一一读取,这样,大家可想而知,在我们`DELETE`表后,ORACLE读了大量的空块,耗去了大量的时间.

我们再来看`DELETE`表后段空间实际使用的状况:

SQL> EXEC SHOW_SPACE('TEST_TAB','TEST');
    TOTAL BLOCKS............................164352 --总共164352块
    TOTAL BYTES.............................1346371584
    UNUSED BLOCKS...........................7168 --有7168块没有用过,也就是在HWM上面的块数
    UNUSED BYTES............................58720256
    LAST USED EXT FILEID....................9
    LAST USED EXT BLOCKID...................158856-- BLOCK ID 是针对数据文件来编号的，表示最后使用的一个EXTENT的第一个BLOCK的编号
    LAST USED BLOCK.........................1024 --在最后使用的一个EXTENT 中一共用了1024块
     
    PL/SQL PROCEDURE SUCCESSFULLY COMPLETED

总共用了164352块，除了一个`SEGMENT HEADER`,实际总共用了164351个块，有7168块从来没有使用过。`LAST USED BLOCK`表示在最后一个使用的`EXTENT` 中使用的`BLOCK`, 结合`LAST USED EXT BLOCK ID`可以计算`HWM` 位置 :

`LAST USED EXT BLOCK ID + LAST USED BLOCK -1 = HWM` 所在的数据文件的BLOCK编号

代入得出: 158856+1024-1=159879,这个就是HWM所有的`BLOCK`编号  
HWM所在的块:`TOTAL BLOCKS- UNUSED BLOCKS=164352-7168=157184`,也就是说,HWM在第157184个块,其`BLOCKID`是159879

**(E)结下来,我们再做几个试验:**

第一步:执行`ALTER TABLE TEST_TAB DEALLOCATE UNUSED;`  
我们看看段空间的使用状况:

SQL> EXEC SHOW_SPACE('TEST_TAB','TEST');
     
    TOTAL BLOCKS............................157184
    TOTAL BYTES.............................1287651328
    UNUSED BLOCKS...........................0
    UNUSED BYTES............................0
    LAST USED EXT FILEID....................9
    LAST USED EXT BLOCKID...................158856
    LAST USED BLOCK.........................1024

此时我们再代入上面的公式,算出`HWM`的位置: `157184-0=157184` HWM所在的`BLOCK ID`是`158856+1024-1=159879`,跟刚刚的没有变化,也就是说执行`ALTER TABLE TEST_TAB DEALLOCATE UNUSED`后,段的高水位标记的位置没有改变,但是大家看看`UNUSED BLOCKS`变为0了,总的块数减少到157184,这证明,`DEALLOCATE UNUSED`为释放`HWM`上面的未使用空间,但是并不会释放`HWM`下面的自由空间,也不会移动`HWM`的位置.

第二步:我们再来看看执行`ALTER TABLE TEST_TAB MOVE`后段空间的使用状况:

SQL> EXEC SHOW_SPACE('TEST_TAB','TEST');
     
    TOTAL BLOCKS............................8
    TOTAL BYTES.............................65536
    UNUSED BLOCKS...........................5
    UNUSED BYTES............................40960
    LAST USED EXT FILEID....................9
    LAST USED EXT BLOCKID...................2632
    LAST USED BLOCK.........................3

此时,总共用到的块数已变为8, 我们再代入上面的公式,算出HWM的位置: 8-5=3 `HWM`所在的`BLOCK ID`是2632+3-1=2634,

OK,我们发现,此时`HWM`的位置已经发生变化,现在`HWM`的位置是在第3个`BLOCK`,其`BLOCK ID`是2634,所有数据文件的ID是9(这个没有发生变化,数据文件还是原来的那个数据文件,只是释放了原来的自由空间),最后使用的块数也变为3,也就是说已经使用了3块,`HWM`就是在最后一个使用的块上,即第3个块上.大家可能会觉得奇怪,为什么释放空间后,未使用的块还有5个啊?也就是说`HWM`之上还是有5个已分配但从未使用的块.答案就跟`HWM`移动的规律有关.当我们在插入数据时,ORACLE首先在`HWM`之下的块当中定位自由空间(通过自由列表`FREELIST`),如果`FREELIST`当中没有自由块了,ORACLE就开始往上扩展,而HWM也跟着往上移,每5块移动一次.我们来看ORACLE的说明:

The high water mark is: 
    -Recorded in the segment header block 
    -Set to the beginning of the segment on the creation 
    -Incremented in five-block increments as rows are inserted 
    -Reset by the truncate command 
    -Never reset by the delete command 
    -Space above the high-water-mark can be reclaimed at the table level by using the following command: 
    ALTER TABLE DEALLOCATE UNUSED…

我们再来看看:`SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB`所花的时间:

SQL> SELECT COUNT(*) FROM TEST_TAB; 
     
    ELAPSED: 00:00:00.00 
    EXECUTION PLAN 
    ----------------------------------------------------------
    0 SELECT STATEMENT OPTIMIZER=CHOOSE 
    1 0 SORT (AGGREGATE) 
    2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'TEST_TAB'
     
    STATISTICS 
    ---------------------------------------------------------- 
    0     RECURSIVE CALLS 
    0     DB BLOCK GETS
    3     CONSISTENT GETS 
    0     PHYSICAL READS 
    0     REDO SIZE 
    378   BYTES SENT VIA SQL*NET TO CLIENT 
    503   BYTES RECEIVED VIA SQL*NET FROM CLIENT 
    2     SQL*NET ROUNDTRIPS TO/FROM CLIENT 
    0     SORTS (MEMORY) 
    0     SORTS (DISK) 
    1     ROWS PROCESSED

很快,不到1秒.

我们最后再来对表作一次分析, 此时这个表目前使用的`BLOCK`为: 0,未使用的`BLOCK`(EMPTY\_BLOCKS)为:0,总行数为(`NUM_ROWS`):0  
从中我们也可以发现,分析表和`SHOW_SPACE`显示的数据有点不一致.那么哪个是准的呢?其实这两个都是准的,只不过计算的方法有点不同.事实上,当你创建了一个对象如表以后,不管你有没有插入数据,它都会占用一些块,ORACLE也会给它分配必要的空间.同样,用`ALTER TABLE MOVE`释放自由空间后,还是保留了一些空间给这个表.  
最后,我们再来执行`TRUNCATE`命令,截断这个表,看看段空间的使用状况:

TRUNCATE TABLE TEST_TAB; 
     
    SQL> EXEC SHOW_SPACE('TEST_TAB','TEST'); 
     
    TOTAL BLOCKS............................8 
    TOTAL BYTES.............................65536 
    UNUSED BLOCKS...........................5 
    UNUSED BYTES............................40960 
    LAST USED EXT FILEID....................9 
    LAST USED EXT BLOCKID...................2632 
    LAST USED BLOCK.........................3 
     
    PL/SQL PROCEDURE SUCCESSFULLY COMPLETED 
     
    SQL>

我们发现`TRUNCATE`后和`MOVE`没有什么变化.

为了,最终验证一下我上面的观点,我再`DROP`一下表,然后新建这个表,看看这时在没有插入任何数据之前,是否`ORACLE`确实有给这个对象分配必要的空间:

DROP TABLE TEST_TAB; 
     
    CREATE TABLE TEST_TAB(C1 NUMBER(10),C2 CHAR(100)) TABLESPACE RAINNY; 
     
    SQL> EXEC SHOW_SPACE('TEST_TAB','TEST'); 
    TOTAL BLOCKS............................8 
    TOTAL BYTES.............................65536 
    UNUSED BLOCKS...........................5 
    UNUSED BYTES............................40960 
    LAST USED EXT FILEID....................9 
    LAST USED EXT BLOCKID...................2112 
    LAST USED BLOCK.........................3

大家看,即使我没有插入任何一行记录,ORACLE还是给它分配了8个块.当然这个跟建表语句的`INITIAL` 参数及`MINEXTENTS`参数有关:请看`TEST_TAB`的存储参数:

S TORAGE
    (
    INITIAL 64K
    MINEXTENTS 1
    MAXEXTENTS UNLIMITED
    );

也就是说,在这个对象创建以后,ORACLE至少给它分配一个区,初始大小是`64K`,一个标准块的大小是`8K`,刚好是8个`BLOCK`.

## 总结: ##

在9I中:

(1)如果`MINEXTENT` 可以使`ALTER TABLE TABLENAME DEALLOCATE UNUSED`将`HWM`以上所有没使用的空间释放  
(2)如果`MINEXTENT >HWM` 则释放`MINEXTENTS` 以上的空间。如果要释放`HWM`以上的空间则使用`KEEP 0`。

ALTER TABLE TABLESNAME DEALLOCATE UNUSED KEEP 0;

(3) `TRUNCATE TABLE DROP STORAGE`(缺省值)命令可以将`MINEXTENT` 之上的空间完全释放(交还给操作系统),并且重置`HWM`。  
(4)如果仅是要移动`HWM`,而不想让表长时间锁住,可以用`TRUNCATE TABLE REUSE STORAGE`,仅将HWM重置。  
(5)`ALTER TABLE MOVE`会将HWM移动,但在`MOVE`时需要双倍的表空间,而且如果表上有索引的话,需要重构索引  
(6)`DELETE`表不会重置`HWM`,也不会释放自由的空间(也就是说`DELETE`空出来的空间只能给对象本身将来的`INSERT/UPDATE`使用,不能给其它的对象使用)

在`ORACLE 10G`:

可以使用`ALTER TABLE TEST_TAB SHRINK SPACE`命令来联机移动`HWM`,  
如果要同时压缩表的索引,可以发布:`ALTER TABLE TEST_TAB SHRINK SPACE CASCADE`  
注意:在使用此命令时需要先使行可迁移`row movement`(具体见例子)。  
与使用`ALTER TABLE MOVE` 不同的是执行此命令后并不需要重构索引。

## Oracle 官方说明 ##

Shrinking Database Segments Online  
You use online segment shrink to reclaim fragmented free space below the high water mark in an Oracle Database segment. The benefits of segment shrink are these:  
\* Compaction of data leads to better cache utilization, which in turn leads to better online transaction processing (OLTP) performance.  
\* The compacted data requires fewer blocks to be scanned in full table scans, which in turns leads to better decision support system (DSS) performance.  
Segment shrink is an online, in-place operation. DML operations and queries can be issued during the data movement phase of segment shrink. Concurrent DML operation are blocked for a short time at the end of the shrink operation, when the space is deallocated. Indexes are maintained during the shrink operation and remain usable after the operation is complete. Segment shrink does not require extra disk space to be allocated.  
Segment shrink reclaims unused space both above and below the high water mark. In contrast, space deallocation reclaims unused space only above the high water mark. In shrink operations, by default, the database compacts the segment, adjusts the high water mark, and releases the reclaimed space.  
Segment shrink requires that rows be moved to new locations. Therefore, you must first enable row movement in the object you want to shrink and disable any rowid-based triggers defined on the object.  
Shrink operations can be performed only on segments in locally managed tablespaces with automatic segment space management (ASSM). Within an ASSM tablespace, all segment types are eligible for online segment shrink except these:  
\* IOT mapping tables  
\* Tables with rowid based materialized views  
\* Tables with function-based indexes

操作的过程：

SQL> create table demo as select * from dba_source;
    Table created.
    Elapsed: 00:00:05.83
     
    SQL> select count(*) from demo;
     
      COUNT(*)
    ----------
        210992
    Elapsed: 00:00:01.06
     
    SQL> insert into demo select * from demo;
    210992 rows created.
    Elapsed: 00:00:59.83
     
    SQL> commit;
    Commit complete.
     
    //得到一个40万条记录的表，下面来查看这个表空间分布情况。
     
    SQL> exec show_space('demo','auto');
     
    PL/SQL procedure successfully completed.
    Elapsed: 00:00:00.07
     
    SQL> set serveroutput on
     
    SQL>  exec show_space('demo','auto');
     
    Total Blocks............................9216
    Total Bytes.............................75497472
    Unused Blocks...........................768
    Unused Bytes............................6291456
    Last Used Ext FileId....................4
    Last Used Ext BlockId...................8328
    Last Used Block.........................256

一共有9216个数据块，`HWM`在9216-768=8448这个块.  
也可以通过查看`extents`得到`HWM=8*16+128*63+256=8192+256=8448`

PL/SQL procedure successfully completed.
    Elapsed: 00:00:00.01
     
    SQL> delete from demo where rownum<220000;
     
    219999 rows deleted.
    Elapsed: 00:00:40.99
     
    SQL> commit;
     
    Commit complete.
    Elapsed: 00:00:00.01
     
    SQL>  exec show_space('demo','auto');
     
    Total Blocks............................9216
    Total Bytes.............................75497472
    Unused Blocks...........................768
    Unused Bytes............................6291456
    Last Used Ext FileId....................4
    Last Used Ext BlockId...................8328
    Last Used Block.........................256
     
    PL/SQL procedure successfully completed.
     
    //删除操作后表的HWM没有变化，还是在第8448块这个位置。
    Elapsed: 00:00:00.00
     
    SQL> alter table demo shrink space;
    alter table demo shrink space
    *
    ERROR at line 1:
    ORA-10636: ROW MOVEMENT is not enabled
    //先要enable row movement才能shrink
    Elapsed: 00:00:00.09
     
    SQL> alter table demo enable row movement;
     
    Table altered.
    Elapsed: 00:00:00.10
     
    SQL>  alter table demo shrink space;
     
    Table altered.
    Elapsed: 00:01:35.51
     
    SQL>  exec show_space('demo','auto');
     
    Total Blocks............................3656
    Total Bytes.............................29949952
    Unused Blocks...........................0
    Unused Bytes............................0
    Last Used Ext FileId....................4
    Last Used Ext BlockId...................3720
    Last Used Block.........................72
     
    PL/SQL procedure successfully completed.
    Elapsed: 00:00:00.02
    //可以看到HWM降到了3656这个块上面!

[HWM01]: /images/20210626/fd2dc777067c4b50aa5b0fe199d9e8b8.png
[HWM02]: /images/20210626/e161ca79326a44268e3921782ac0f242.png