Oracle 缓冲区缓存（Buffer Cache）的替换算法介绍

好的，我们将对 Oracle 数据库缓冲区缓存（Buffer Cache）的替换算法进行一场深入而全面的剖析。这是 Oracle 内存管理的核心，直接决定了数据库的性能表现。

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第一部分：官方技术详解

一、核心概念与作用

1. 什么是缓冲区缓存？
缓冲区缓存是系统全局区（SGA）中最大且最关键的部分之一。它充当数据库数据文件（磁盘）和服务器进程（内存）之间的中间缓存层。其核心目的是通过在内存中保留最近和最频繁访问的数据块副本，来最大限度地减少昂贵且缓慢的物理 I/O 操作。

2. 为什么需要替换算法？
缓冲区缓存的大小是有限的，远小于整个数据库。当缓存已满且服务器进程需要将新数据块读入内存时，必须决定淘汰哪个现有的数据块，以便为新块腾出空间。这个决策机制就是替换算法。一个高效的算法应能尽可能多地保留“有用”的数据块，避免将 soon-to-be-used-again（很快再次被使用）的块换出，从而最大化缓存命中率。

二、内部架构与核心算法：LRU 与 TCH

Oracle 的缓冲区缓存管理是一个复杂的、自适应的系统，其核心是 LRU（Least Recently Used）算法 的一个高度优化变体，并引入了触摸次数（Touch Count, TCH） 的概念。

1. 缓冲区的状态与结构

缓冲区缓存中的每个数据块（Buffer）都有一个相关的缓冲区头（Buffer Header），它存储了丰富的元数据，用于管理其状态。这些头信息存储在高速缓存缓冲区链（CBC, Cache Buffers Chains） 上，并通过哈希表进行快速查找。

关键元数据包括：

• 状态：
  • Pinned：当前正被某个进程使用，不能被换出。
  • Clean：内存中的内容与磁盘一致。
  • Free/Unused：缓冲区为空，可供使用。
  • Dirty：内存中的内容已被修改，与磁盘不一致，最终必须由 DBWn（Database Writer） 进程写入磁盘。
• 访问模式：
  • 访问时间：最后一次被访问的时间戳。
  • 触摸次数（TCH）：一个计数器，记录该块被访问的频率。
• 队列指针：用于将缓冲区连接到各种管理链表（如 LRU 链表）。

2. 替换算法详解：多链表 LRU 与触摸次数（TCH）

Oracle 并不使用一个单一的 LRU 列表，而是使用两个主要链表来管理缓冲区：

• LRU List（最近最少使用列表）：

  • 这是一个按最近访问时间排序的链表。最近被访问的块被移动到链表的 MRU（Most Recently Used）端，而最久未被访问的块则滑向链表的 LRU 端。
  • 当服务器进程需要空闲缓冲区（Free Buffer） 来读取新块时，它从 LRU 端的尾部开始扫描。

• Dirty List（脏列表） / Write List：

  • 专门用于链接所有脏缓冲区。DBWn 进程会定期或根据特定条件（如检查点）将此列表中的缓冲区写入磁盘。写入后，这些缓冲区被标记为 Clean，并可以重新链接到 LRU 列表上。

核心算法流程（“冷热”分离模型）：

1. 新块进入缓存：

   • 当一个服务器进程需要读取一个不在缓存中的数据块时，它必须找到一个空闲缓冲区。
   • 它从 LRU 列表的尾部（LRU端） 开始扫描，寻找可用的候选者。

2. 扫描与淘汰决策：

   • 在扫描过程中，进程会检查每个遇到的缓冲区。
   • 如果缓冲区是干净的（Clean）且触摸次数（TCH）为 0：这是一个理想的淘汰候选。进程立即使用它来存放新读入的数据块。新块被插入到 LRU 列表的 MRU 端，并且其 TCH 被设置为 1。
   • 如果缓冲区是脏的（Dirty）：进程不会立即处理它，而是跳过。脏缓冲区的写出由 DBWn 负责。
   • 如果缓冲区是干净的但 TCH > 0：这表示该块最近被访问过，是“热”块。进程不会淘汰它，而是将其 TCH 值减 1，并将其向 MRU 端移动一些位置。然后继续扫描。

3. 触摸次数（TCH）的作用：

   • TCH 是一个热度指标。每次缓冲区被访问（读或写），TCH 都会增加（有一个上限，通常是 10 左右）。
   • 这个机制确保了频繁访问的“热”块会保持较高的 TCH，从而在 LRU 扫描中很难被选中淘汰。而那些被访问一次后就再也没用过的“冷”块，其 TCH 会通过上述的减一操作逐渐降为 0，最终成为被淘汰的目标。
   • 这解决了传统 LRU 的一个弱点：偶尔的全表扫描会污染缓存，将大量热块挤出。因为全表扫描的块通常只被访问一次，它们的 TCH 很低，会很快被淘汰，而真正的热块由于 TCH 高，得以保留。

4. 辅助列表（Auxiliary Lists）：

   • 为了提升扫描效率，Oracle 还维护了其他辅助列表，如 LRUW（LRU Write，即脏列表） 和 检查点队列（Checkpoint Queue），后者按块第一次变脏的日志顺序（RBA）链接脏缓冲区，用于高效的恢复和写出。

三、管理机制与相关参数

• DB_CACHE_SIZE：定义标准块大小缓冲区缓存的大小。
• DB_nK_CACHE_SIZE：为非标准块大小的表空间（如 4k, 16k, 32k）定义独立的缓存区域。
• 多个缓冲池（Multiple Buffer Pools）：允许对数据进行更精细的缓存策略管理。
  • KEEP Pool：用于存放绝对不能被换出的“钉死”对象（如小型的、频繁访问的代码表）。ALTER TABLE ... STORAGE (BUFFER_POOL KEEP);
  • RECYCLE Pool：用于存放一次性访问的大型对象（如临时作业的大表），防止它们污染主缓存。ALTER TABLE ... STORAGE (BUFFER_POOL RECYCLE);
  • DEFAULT Pool：默认池，使用上述的主替换算法。
• 自动内存管理（AMM/ASMM）：MEMORY_TARGET 或 SGA_TARGET 参数允许 Oracle 自动调整缓冲区缓存的大小，根据工作负载在 SGA 各组件之间动态重新分配内存。

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第二部分：场景、争用、排查与解决

四、性能争用与排查

缓冲区缓存的低效会直接导致物理 I/O 增加，从而引发一系列等待事件。

1. 场景：free buffer waits

• 原理：这是最典型、最直接的缓冲区缓存争用事件。当服务器进程需要将新块读入缓存，但在 LRU 列表上找不到可用的干净缓冲区时，就会发生此等待。
• 根本原因：
  1. 缓存太小：无法容纳工作集（Working Set）。
  2. DBWn 写出速度跟不上：脏缓冲区产生得太快，DBWn 来不及将它们清洗干净，导致 LRU 列表上充斥着待写出的脏块，没有足够的干净块可供重用。
  3. 低效的 SQL：大量的全表扫描或低效的索引使用，产生了远超缓存容量的逻辑读，剧烈地冲刷缓存。
• 排查：
  1. 检查 AWR 报告的 “Buffer Pool” 部分。关注 Buffer Hit Ratio，但更重要的是 Free Buffer Waits 和 Free Buffer Inspected 的统计信息。Free Buffer Inspected 表示为了找一个空闲缓冲区而检查的块数，这个值过高意味着寻找空闲块非常困难。
  2. 检查 V$SYSSTAT：

     SELECT name, value FROM v$sysstat
     WHERE name IN ('free buffer requested', 'free buffer inspected', 'dirty buffers inspected');
     

  3. 检查 DBWn 是否繁忙（V$BGPROCESS, AWR 报告的 “Background Wait Events”）。
• 解决：
  • 增加 DB_CACHE_SIZE：最直接的解决方案。
  • 优化 DBWn：增加 DB_WRITER_PROCESSES（多个 DBWn 进程），调整 DB_BLOCK_MAX_DIRTY_TARGET，或确保 I/O 子系统足够快。
  • 优化 SQL：这是治本的方法。减少不必要的逻辑读，增加索引以避免全表扫描。
  • 使用多缓冲池：将大型的、一次性的作业表分配到 RECYCLE 池，保护 DEFAULT 池中的热数据。

2. 场景：write complete waits 和 buffer busy waits

• write complete waits：当进程需要读取一个当前正被 DBWn 写出到磁盘的脏缓冲区时，它必须等待写出完成。这表明 I/O 或 DBWn 是瓶颈。
• buffer busy waits：当多个进程同时请求以不兼容的模式（如一个要读，一个要修改）访问同一个缓冲区时发生。这通常是应用程序并发争用的表现（如索引块的热块争用、或者小表的频繁更新）。
• 排查与解决：
  • 查询 V$WAITSTAT 查看等待发生在什么类型的块上（如 data block, index block, undo block）。

    SELECT * FROM v$waitstat ORDER BY count DESC;
    

  • 对于 buffer busy waits on data blocks，考虑使用 自动段空间管理（ASSM） 或增加 PCTFREE 来分散数据。
  • 对于 buffer busy waits on index blocks，考虑使用反向键索引（Reverse Key Indexes） 或哈希分区索引来打散热点。

五、常用查询与管理 SQL

• 查看缓冲区缓存命中率（历史）：应结合 AWR 报告看趋势，单点值意义不大。

  SELECT (1 - (phy.value / (cur.value + con.value))) * 100 "Buffer Hit Ratio (%)"
  FROM v$sysstat cur, v$sysstat con, v$sysstat phy
  WHERE cur.name = 'db block gets'
    AND con.name = 'consistent gets'
    AND phy.name = 'physical reads';
  

• 查看缓冲池配置和统计信息：

  SELECT name, block_size, current_size, buffers, target_size
  FROM v$buffer_pool_statistics;
  

• 查看对象在缓存中的热度：

  SELECT o.owner, o.object_name, o.object_type,
         COUNT(*) buffers,
         SUM(DECODE(bh.STATUS, 'free', 0, 1)) used_buffers
  FROM dba_objects o, v$bh bh
  WHERE o.data_object_id = bh.objd
    AND o.owner NOT IN ('SYS','SYSTEM')
  GROUP BY o.owner, o.object_name, o.object_type
  ORDER BY used_buffers DESC;
  

• 检查等待事件：

  SELECT event, total_waits, time_waited, average_wait
  FROM v$system_event
  WHERE event IN ('free buffer waits', 'write complete waits', 'buffer busy waits', 'db file sequential read', 'db file scattered read')
  ORDER BY time_waited DESC;
  

• 强制清空缓存（仅用于开发和测试！）：

  ALTER SYSTEM FLUSH BUFFER_CACHE; -- 清空Buffer Cache
  ALTER SYSTEM FLUSH SHARED_POOL; -- 通常一并执行，清除执行计划
  

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第三部分：通俗易懂的解释

想象一下缓冲区缓存是一个大学的图书馆阅览室，里面的座位（Buffers）是有限的。

• 数据块：就是一本本的书。
• 物理 I/O：就是去遥远的总书库调书，非常慢。
• 目标：让最受欢迎、最近最常被借阅的书尽量留在阅览室里，减少去总书库的次数。

替换算法（图书馆管理员的管理规则）：

1. 新书到来：当一个学生（服务器进程）想读一本新书（数据块），但阅览室没座位了，他必须请走一个人，腾出座位。

2. 寻找可清退的人：

   • 管理员（替换算法）不会随便赶人。他会从最久没翻过书的人（LRU 端） 开始询问。
   • 他拍了拍第一个人：“同学，你的书（缓冲区）看完了吗（Clean）？而且我看你借阅记录（TCH）也很久没更新了（TCH=0）。” 如果是，太好了，就请他离开，让新同学坐下。新同学被安排到“刚来的人”区域（MRU 端），并得到一张积分卡（TCH=1）。
   • 如果他看到一个人书没看完（Dirty），他不会打扰他（因为需要先还书，这是 DBWn 的工作），直接跳过。
   • 如果他看到一个人正在认真看书，而且积分卡（TCH）分数很高，说明他是常客。管理员不会赶他走，反而会给他的积分卡扣一分（TCH-1），并把他往“刚来的人”区域挪一挪，然后继续往后找。

3. 积分卡（TCH）的作用：

   • 每次你续借或者打开书看，积分就加一分（上限10分）。这保证了真正的学霸（热块） 永远积分很高，很难被请走。
   • 而那种偶尔来一次、借一本畅销小说看两眼就放下（全表扫描） 的人，积分很快就会被扣光，成为首先被清退的目标。这样就保护了学霸的座位不被临时访客挤占。

出现的问题（等待事件）：

• free buffer waits（找不到座位等待）：管理员发现，从一头走到另一头，每个人都在看书（全是脏缓冲区或热块），找不到一个可以清退的人。新同学只能干等着（等待），直到有一个人看完书（DBWn 把脏块写出）或者管理员终于找到一个可清退的人。

  • 原因：要么阅览室太小（缓存太小），要么大家看书时间太长（DBWn 写出慢），要么突然来了太多新同学（高逻辑读）。

• buffer busy waits（争抢同一本书）：两个学生都想看同一本书的同一页（同一个缓冲区），而且一个人想写读书笔记（修改），另一个人只想读。他们必须互相协调，一个人用的时候另一个人就得等着。

  • 原因：热门资源（热点块）的并发访问冲突。

总结：
Oracle 的缓冲区缓存替换算法是一个精巧的、自适应的系统，它通过 LRU 链表 和 触摸次数（TCH） 机制，智能地区分了“热数据”和“冷数据”，高效地管理着有限的内存资源。DBA 的核心工作就是确保这个“阅览室”：

1. 足够大（DB_CACHE_SIZE）。
2. 管理员（DBWn）效率高（配置合理的 DBWR 进程和 I/O）。
3. 来的学生（SQL）都是好学生，不会毫无节制地一次借走几百本书（优化 SQL，减少逻辑读）。

通过监控相关的等待事件和使用性能视图，DBA 可以精准地诊断出缓存系统的瓶颈所在，并采取相应的优化措施，从而保证数据库的响应速度。

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