数据库的作用就是实现对数据的管理和查询。任何一个数据库系统，必然存在对数据的大量读或者写或者两中操作都大量存在。IO问题也往往是导致数据库性能问题的重要原因。在这篇文章中，主要帮助大家在理解Oracle的读写操作机制的基础上，灵活解决遇到的各种常见的IO问题。

1         Oracle中IO的产生
IO当然包括了读、写两部分，先介绍Oracle中写操作的产生。
1.1      写
介绍写操作之前，先简单的看下Oracle的物理结构：oracle的物理文件包括以下三种文件：控制文件（Control Files）、重做日志文件（Redo Log Files）、数据文件（datafiles）。而数据文件中，根据功能的不同，还可以分为系统数据文件、临时空间文件、回滚段文件和用户数据文件。另外，如果数据库的Archive Log模式被激活，还存在归档日志文件。Oracle的IO产生，就是对这些文件的数据读、写操作。下面再详细看下几种主要写操作的产生及其过程。
1.1.1      控制文件
控制文件中记录了整个数据库的物理结构信息，如数据库名字、数据文件及日志文件名字和位置、事件戳信息等等。任何数据库的结构变化（如果创建新的数据文件）都会引起Oracle修改控制文件。同时控制文件还记录系统和各个数据文件的SCN（System Change Number，关于SCN可以参见文章《Oracle SCN机制详解》）信息，以用于数据恢复，因此数据文件上的SCN变化后，Oracle也会相应修改控制文件上的SCN信息。
1.1.2      用户数据修改
由于内存的读写效率比磁盘的读写效率高万倍，因此，为了降低IO wait，oracle会将数据cache在内存（Buffer Cache，对Buffer Cache的详细介绍可以参见《Oracle内存全面分析》）中，对数据的读写尽量在内存中完成。当Buffer Cache中的数据缓存块被修改过了，它就被标记为“脏”数据。根据LRU（Least Recently Used）算法，如果一个数据块最近很少被使用，它就称为“冷”数据块。进程DBWn（系统中可以存在多个DBW进程，n为序号）负责将“冷”的“脏”数据写入数据文件中去。DBWn进程会在以下两种情况下将“脏”数据写入磁盘中去：
 
  • 当服务进程扫描一定数量（阀值）的Buffer Cache后还没有找到干净、可重用的缓存块后，它会通知DBWn进程将“脏”数据写入文件中去，以释放出空闲缓存；
  • 当发生检查点（Checkpoint）时。
1.1.3      Redo Log
在非直接写（Direct Write）的情况下，事务中的写操作都会产生Redo Log，作为数据块异常关闭时的恢复记录。同样，和写用户数据类似，Redo Log也不会被直接写入Redo Log文件，而是先写入Log Buffer中。
Log Buffer是一个可以循环重用的缓存区。LGWR进程负责将Log Buffer中的记录写入Redo Log File中去。一旦Log Buffer中的条目被写入了Redo Log文件中，就可以被重用了。
为了保证事务尽快获得Log Buffer，LGWR进程一般会尽快将Log Buffer中的数据写入Redo Log文件中去。在以下几种情况下，LGWR回将一个连续的Log Buffer写入Redo Log文件中去：
 
  • 当一个事务提交（COMMIT）时；
  • 每3秒钟写一次Log Buffer；
  • 当Log Buffer到达1/3满时；
  • 当DBWn进程将“脏”数据写入磁盘时；
 
1.1.4      Archive Log
当据库的Archive Log模式被激活后，所有Redo Log数据都会被写入Archive Log文件中以便日后进行恢复。当发生日志组切换时，ARCn（Archive进程，可以存在多个）进程就会Redo Log文件拷贝到指定存储目录中去，成为Archive Log文件。
1.1.5      临时表空间
当Oracle在执行一些SQL时，会需要一些临时空间来存储执行语句时产生的中间数据。这些临时空间由Oracle从指定的临时表空间中分配给进程。主要有三种情况会占用临时空间：临时表/索引操作、排序和临时LOB操作。
 
  • 临时表/索引
在会话中，当第一次对临时表进行INSERT（包括CTAS）时，Oracle会从临时表空间中为临时表及其索引分配临时空间一存储数据。
 
  • 排序
任何会使用到排序的操作，包括JOIN、创建（重建）INDEX、ORDER BY、聚合计算（GROUP BY）以及统计数据收集，都可能使用到临时表空间。
排序操作首先会选择在内存中的Sort Area进行（Sort In Memory），一旦Sort Area不足，则会使用临时空间进行排序操作（Sort In Disk）。看以下例子：
 
SQL> alter session set sort_area_size = 10000000;
 
Session altered.
 
SQL> select owner, object_name from t_test1
  2  order by object_id;
 
47582 rows selected.
 
Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 1312425564
 
------------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation          | Name    | Rows  | Bytes | Cost (%CPU)| Time     |
------------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT   |         | 47582 |  1486K|   155   (4)| 00:00:02 |
|   1 |  SORT ORDER BY     |         | 47582 |  1486K|   155   (4)| 00:00:02 |
|   2 |   TABLE ACCESS FULL| T_TEST1 | 47582 |  1486K|   150   (1)| 00:00:02 |
------------------------------------------------------------------------------
 
 
Statistics
----------------------------------------------------------
          1  recursive calls
          0  db block gets
        658  consistent gets
          0  physical reads
          0  redo size
    1566184  bytes sent via SQL*Net to client
      35277  bytes received via SQL*Net from client
       3174  SQL*Net roundtrips to/from client
          1  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
      47582  rows processed
 
SQL> alter session set sort_area_size = 10000;
 
Session altered.
 
SQL> select owner, object_name from t_test1
  2  order by object_id;
 
47582 rows selected.
 
Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 1312425564
 
--------------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation          | Name    | Rows  | Bytes |TempSpc| Cost (%CPU)| Time|
--------------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT   |         | 47582 |  1486K|       |  1251   (1)| 00:0
0:16 |
|   1 |  SORT ORDER BY     |         | 47582 |  1486K|  4136K|  1251   (1)| 00:0
0:16 |
|   2 |   TABLE ACCESS FULL| T_TEST1 | 47582 |  1486K|       |   150   (1)| 00:0
0:02 |
 
---------------------------------------------------------------------------------
 
Statistics
----------------------------------------------------------
          6  recursive calls
         20  db block gets
        658  consistent gets
        629  physical reads
          0  redo size
    1566184  bytes sent via SQL*Net to client
      35277  bytes received via SQL*Net from client
       3174  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          1  sorts (disk)
      47582  rows processed 
  • 临时LOB对象
LOB对象包括BLOB、CLOB、NCLOB、和BFILE。在PLSQL程序块中，如果定义了LOB变量，则这些LOB变量就是临时LOB对象。临时LOB对象被创建在临时表空间上，直到LOB数据被释放，或者会话结束。
1.1.6      回滚段
我们知道，一个事务在未被提交前，其做的任何修改都是可以被回滚（Rollback）的。这些回滚数据就被放到回滚段（Rollback Segment）上。此外，一致性读（Read Consistency）、数据库恢复（Recover）都会用到回滚段。
任何数据块的修改都会被记录在回滚段中，甚至Redo Log也会产生回滚记录。当任何一个非只读（只有查询）的事务开始时，oracle会自动为其指定下一个可用的回滚段。事务中任何数据变化都被写入回滚段中。如果事务回滚，oracle根据回滚段中的回滚记录将buffer cache中的“脏”数据恢复，释放回滚段空间。当事务被提交，由于要保证一致性读，oracle并不会立即释放回滚段中的数据，而是会保留一段时间。
1.1.7      Direct-Path Insert
这里，我们还要介绍一种特殊的写操作——Direct-Path Insert（直接路径插入）。Direct-Path Insert通过直接在表中已存在的数据后面添加数据，直接将数据写入数据文件中，而忽略掉了Buffer Cache。
我们前面提到，为了能在意外时恢复数据，每一个数据修改都会被记录到Redo Log中。然而，由于Redo Log需要写入到物理文件中去，是一个比较消耗性能的操作。为了提高性能，我们在批量写入数据时就可以通过Direct-Path Insert的指定NOLOGING的方式来避免写Redo Log。
有多种方法可以指定Direct-Path Insert：CTAS（CREATE TABLE AS SELECT）；SQL*Loader指定Direct参数；在语句中指定APPEND提示。