【千里之行始于足下】谈Oracle的system表空间

盖国强 2017-01-19

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编辑手记：SYSTEM表空间是Oracle数据库最重要的表空间，在创建数据库时被最先创建，其中包含了数据库的元数据，对于数据库来说生死攸关。对于很多初学者，全面了解system表空间就格外重要。

系统表空间是永远不能OFFLINE的，如果SYSTEM表空间OFFLINE，则数据库就无法打开，如果SYSTEM表空间出现故障，则数据库就需要进行介质恢复。在数据库的启动过程中，Oracle也需要通过SYSTEM表空间进行引导。

SYSTEM表空间及root dba

在系统表空间文件头存在一个重要的数据结构root dba，我们可以通过转储数据文件头获得这个信息。在5.2.2中我们曾经提到过，转储文件头可以通过如下命令：

alter session set events 'immediate trace nameFILE_HDRS level 10'

从生成的trace文件中，可以获得如下信息（Oracle 9i环境信息摘录）：

root dba仅在SYSTEM表空间的文件头存在，用于定位数据库引导的bootstrap$信息。root dba存储的是用十六进制表示的二进制数，其中包含10位的文件号以及22位的数据块号，将0x004001a1转换为二进制就是0000 0000 0100 0000 00000001 1010 0001，前10位为1，代表文件号为1，后22位转换为十进制为417，代表数据文件1上的417号数据块。

当然在数据库中无须如此复杂，我们可以用5.3.2中提到的getbfno来转换上述root dba：

SQL> select getbfno('0x004001a1') bfno from dual;
BFNO
------------------------------
datafile# is:1
datablock is:417

那么这个Block上存放的是什么对象呢？

Oracle中独一无二的Cache对象

可以查询一下数据库中file1 block 417上存放的对象：

在Oracle 9i中这里存放的是Oracle数据库中独一无二的Cache对象。这个对象的名称来自于文件号和数据块号，1.417正好就是文件1的第417个数据块。

这个Cache对象在Oracle数据库中的含义非同一般，在数据库启动的bootstrap过程中，这个对象之前的所有对象都需要用来bootstrap：

这些对象在CREATEDATABASE过程中通过sql.bsq文件创建，其对象号同样代表了这些对象的创建顺序。再来看看1.417对象中存储的信息，转储数据块可以使用如下命令：

alter system dump datafile 1 block 417

检查生成的跟踪文件，可以获得主要信息如下：

这个信息记录了BOOTSTRP的信息，00400179正好指向的是file 1 block 377：

SQL> select getbfno('0x00400179') bfno from dual;
BFNO
------------------------------
datafile# is:1
datablock is:377

这一数据块上存储的正是数据库的BOOTSTRP$引导表：

SQL> select segment_name from dba_extents
2 where block_id between 377 and blocks + 377 -1;
SEGMENT_NAME
-------------------------
BOOTSTRAP$

而1.417对象的前一个对象正是BOOTSTRAP$，这个对象中存放的就是创建这些对象的语句，这些语句在数据库启动时，需要被获取以在内存中创建这些对象，再从硬盘上加载启动数据库必须的元数据，从而启动Oracle数据库：

注意在Oracle 10g/11g中，Cache对象已经不再存在：

此时Oracle的root dba里直接存储了指向obj#=56的object，也就是存储指向了表bootstrap$的数据块的地址。

我们现在来模拟一下在10g/11g里，Oracle在启动数据库的时候是如何找到表bootstrap$和bootstrap$里存储的各个基表的创建语句的。

首先，Oracle会去读1号数据文件（通常是system表空间的第一个datafile，如system01.dbf ）的文件头，Oracle通过读取文件头里记录的root dba，就知道了指向表bootstrap$的数据块的地址：

从上述结果里我们可以看到，现在root dba指向了0x00400179（即file 1，block 377），接着Oracle会去读root dba指向的数据块，以获得bootstrap$的对象号和其存储的各个基表的创建语句：

可以看到这里root dba指向的object的对象号实际上是0x00000038，也就是10进制的56，即bootstrap$。

SQL> select to_number('38','XX') from dual;
TO_NUMBER('38','XX')
--------------------
56
SQL> select name from sys.obj$ where obj#=56;
NAME
------------------------------
BOOTSTRAP$

Oracle已经通过root dba找到了表bootstrap$的对象号（obj#），但现在的问题是：只知道bootstrap$的obj#是不够的，bootstrap$中的记录到底存在哪里？

答案是表bootstrap$中记录的存储地址实际上是存在root dba所指向的数据块的ktetb这个结构里。好了，我们这里来证明上述观点：

上述记录里SQL_TEXT为“CREATE ROLLBACKSEGMENT SYSTEM STORAGE ( INITIAL 112KNEXT 1024K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 32765 OBJNO 0 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 9))”，在ultraEdit里看一下其16进制编码，上述语句的16进制编码为：

按照上述观点，在ktetb[0]. ktetbdba所指向的的那个block里一定会有一条记录，这条记录有三个column，这三个column的值分别为80，80和80

好了，我们现在来验证一下：

这里我们可以看到，bootstrap$ 中obj#=0的那条记录确实是存在上述block中，即我们的观点得到证明。

另外，我们从上述证明过程中也可以看出Oracle在10g/11g中会首先访问root dba（这里是0x00400179，即file 1 block 377）以获得表bootstrap$的对象号（obj#）和结构ktetb中所指向的存储bootstrap$中记录的数据块地址，接着就会去读取这个数据块（这里是0x0040017a，即file 1 block 378）以获得bootstrap$存储的各个基表的创建语句。关于这一点，我们也可以从下一节中我们会提到的Oracle在open过程中的10046事件的trace文件中得到佐证：

WAIT #1: nam='db file sequential read' ela= 35 file#=1 block#=377 blocks=1 obj#=-1 tim=17525910818553
WAIT #1: nam='db file scattered read' ela= 7618 file#=1 block#=378 blocks=3 obj#=-1 tim=17525910826329

现在我们来总结一下——Oracle在启动数据库的过程中，会先去读1号数据文件的文件头中记录的rootdba，再通过root dba去找bootstrap$中存储的那些数据字典的基表的定义，最后根据这些定义创建数据字典。即所谓的一生二，二生三，三生万物。

Oracle数据库的引导

现在我们可以全面地来回顾一下数据库的内部引导过程（已经熟悉了nomount、mount、open的过程），通过10046事件可以跟踪一下数据库的启动过程：

SQL> startup nomount;
ORACLE instance started.

Total System Global Area 139531744 bytes
Fixed Size 452064 bytes
Variable Size 121634816 bytes
Database Buffers 16777216 bytes
Redo Buffers 667648 bytes
SQL> alter session set events='10046 trace name context forever,level 12';
Session altered.
SQL> alter database mount;
Database altered.
SQL> alter database open;
Database altered.

从跟踪文件中可以获得如下重要信息

从以上信息中可以注意到，Oracle首先通过direct path read方式从每个数据文件头读取了第一个Block的信息，然后通过db file sequential read的单块读方式分别读取了数据文件1的第417个block和第377个block。

417上存放的正是1.417号对象，通过1.417对象进而找到bootstrap$对象，也就是block 377，找到了block 377，Oracle进而读取其内容，在内存中创建了这个对象：

再接下来，Oracle通过递归查询，从bootstrap$中获取其他对象的创建语句：

PARSING IN CURSOR #2 len=55 dep=1 uid=0 oct=3 lid=0 tim=1149404325233023 hv=3952717224 ad='533984d8'
select line#, sql_text from bootstrap$ where obj# != :1
END OF STMT

进而创建这些对象：

PARSING IN CURSOR #2 len=129 dep=1 uid=0 oct=36 lid=0 tim=1149404325255090 hv=0 ad='b700de24'
CREATE ROLLBACK SEGMENT SYSTEM STORAGE ( INITIAL 112K NEXT 1024K MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 32765 OBJNO 0 EXTENTS (FILE 1 BLOCK 9))
END OF STMT

在读取了1.417号对象之前的所有对象后，Oracle将可以正常打开数据库。

注意：在上一节我们已经指出——在Oracle 10g/11g中，Oracle将root dba直接指向了bootstrap$对象，从而消除了Oracle数据库中这个唯一的Cache对象。