管理撤销数据（一）

学习目标

• 描述撤消数据的目的
• 实现自动撤销管理
• 创建和配置undo段
• 获取undo段信息

之前管理撤销数据被称为管理回滚数据

undo数据

在 Oracle 数据库中，UNDO 数据（撤销数据）用于确保事务的一致性和原子性。UNDO 数据记录了数据库中数据修改操作的逆操作（即撤销操作）。当事务被回滚、撤销，或者在数据库恢复时，UNDO 数据发挥了重要作用。

1. UNDO 数据的作用

UNDO 数据在 Oracle 中主要有两个用途：

• 事务回滚：如果事务被回滚（例如，用户执行 ROLLBACK 命令，或者由于错误回滚），数据库需要撤销在该事务中所做的所有更改。UNDO 数据提供了这些撤销操作的必要信息，确保数据库恢复到事务开始之前的状态。

• 数据库恢复和一致性：在多个事务并发执行的环境中，UNDO 数据也帮助保证数据库的一致性。例如，在一个事务修改数据之后，另一个事务可能会查询这些数据。如果第一个事务被回滚，UNDO 数据可以让第二个事务看到的是回滚之前的数据状态，从而避免读取到不一致的数据（读一致性）。

2. UNDO 数据的存储

UNDO 数据通常存储在一个专用的表空间中，称为 UNDO 表空间（undo tablespace）。这个表空间用于存储所有的撤销信息。UNDO 表空间是 Oracle 数据库中非常重要的组件之一，其大小和管理策略直接影响数据库的性能和事务的处理能力。

• UNDO 表空间：当创建数据库时，Oracle 会自动创建一个默认的 UNDO 表空间（通常是 UNDOTBS1）。你可以根据需要创建更多的 UNDO 表空间。

• UNDO 段 (Undo Segment)：UNDO 表空间由多个 UNDO 段组成，每个段用于存储特定事务的撤销信息。

• UNDO 扩展 (Undo Extent)：UNDO 数据是按块（extent）进行分配的。每个 UNDO 段由多个 UNDO 扩展组成，扩展是最小的存储单位。

3. UNDO 数据的管理

UNDO 数据的管理不仅仅是空间分配的问题，还包括如何设置和维护 UNDO 表空间的大小、回滚行为、自动管理等参数。Oracle 提供了一些机制来优化和管理 UNDO 数据。

3.1 UNDO 表空间的自动管理

在 Oracle 中，UNDO 表空间可以使用两种方式进行管理：

• 手动管理 (Manual Undo Management)：使用此模式时，数据库管理员需要手动创建和管理 UNDO 段，指定每个段的大小和数量。这种方式提供了更细粒度的控制，但需要更多的配置和管理。

• 自动管理 (Automatic Undo Management)：这是 Oracle 默认的 UNDO 管理模式。在此模式下，Oracle 会自动创建和管理 UNDO 段，确保有足够的空间存储所有事务的撤销数据。使用自动管理时，DBA 不需要干预段的创建和空间的分配。

自动管理方式下，Oracle 使用 UNDO_RETENTION 参数来控制撤销信息的保留时间。UNDO_RETENTION 决定了撤销数据的最短保留时间，以确保回滚的事务可以正确恢复。这个时间值不代表数据保留的实际时间，只是指撤销数据的最小保留时间。

3.2 UNDO 表空间的大小和调整

UNDO 表空间的大小非常关键，因为它直接影响到事务的处理能力。如果 UNDO 表空间不足以存储所有事务的撤销信息，Oracle 会产生错误或开始覆盖旧的撤销数据，导致事务的回滚失败或者出现数据一致性问题。

• 调整 UNDO 表空间大小：可以通过调整 UNDO_RETENTION 参数、增加 UNDO 表空间的大小（例如通过 ALTER DATABASE DATAFILE 或 ALTER TABLESPACE），或者创建更多的 UNDO 数据文件来调整。

• UNDO_RETENTION：这个参数指定了撤销信息的最小保留时间。一般来说，可以根据系统的负载和事务的回滚需求来调整它。

  ALTER SYSTEM SET UNDO_RETENTION = 3600;  -- 设置撤销数据的保留时间为 1 小时
  

  在自动管理模式下，Oracle 会尝试保持 UNDO 数据至少在这个时间范围内可用，但这并不意味着 UNDO 数据会保留固定的时间；如果空间不足，系统会尽量保持数据的一致性。

3.3 UNDO 数据的清理

UNDO 数据并不会无限期保留，而是会在某些条件下被清理。Oracle 会自动清理不再需要的 UNDO 数据。例如，当事务提交或回滚时，相关的 UNDO 数据会被标记为过时，并最终被删除。

• 提交事务后：当一个事务成功提交时，相关的 UNDO 数据不再需要，可以被清除。
• 回滚事务后：如果一个事务被回滚，UNDO 数据会被释放，但它可以保留一段时间，以便其他并发事务可以访问旧数据（例如，进行快照读取）。

当数据库启动时，Oracle 会自动清理掉在前一次会话期间已经过时的 UNDO 数据。

3.4 查看 UNDO 数据

DBA 可以使用以下视图来查看与 UNDO 相关的信息：

• DBA_UNDO_EXTENTS：显示当前 UNDO 表空间中的所有 UNDO 扩展信息。你可以查看这些扩展的使用情况、空间大小和状态。

  SELECT * FROM DBA_UNDO_EXTENTS;
  

• DBA_UNDO_SEGMENTS：显示所有 UNDO 段的详细信息，包括每个段的状态、大小、当前事务数等。

  SELECT * FROM DBA_UNDO_SEGMENTS;
  

• V$UNDOSTAT：显示 UNDO 数据的使用情况，例如已用空间、撤销操作的数量等。这些信息对监控和优化 UNDO 管理非常有用。

  SELECT * FROM V$UNDOSTAT;
  

4. 管理 UNDO 数据时的常见问题和注意事项

• UNDO 表空间不足：如果 UNDO 表空间不足，Oracle 会覆盖旧的 UNDO 数据，导致事务回滚失败或者数据不一致。在这种情况下，需要增加 UNDO 表空间的大小或调整 UNDO_RETENTION 参数，确保有足够的空间来存储撤销数据。

• 长时间运行的查询和事务：如果长时间运行的查询或事务未提交，它们会占用 UNDO 表空间，并且可能会阻塞对同一数据的其他事务。DBA 可以通过监控长事务，及时提交或回滚这些事务，以减少对 UNDO 数据的占用。

• 自动扩展：可以设置 UNDO 数据文件的自动扩展选项（例如，AUTOEXTEND），这样当表空间空间不足时，Oracle 可以自动增加数据文件的大小，以保证事务的顺利进行。

  ALTER DATABASE DATAFILE '/path/to/undo01.dbf' AUTOEXTEND ON NEXT 100M MAXSIZE UNLIMITED;
  

• UNDO 数据的回收：在某些情况下（例如，系统繁忙、频繁的事务回滚），UNDO 数据会快速增长。如果 UNDO 数据不再需要，Oracle 会在后台回收这些数据，但在高负载环境下，回收过程可能会受到影响。

UNDO 数据 的概念和具体管理细节

1. UNDO 数据的核心概念

1.1 事务的原子性和一致性

在数据库中，事务是一组操作，要么完全执行，要么完全不执行。为了保证这一点，原子性（Atomicity）和一致性（Consistency）是两个核心概念：

• 原子性：确保事务的所有操作要么完全成功，要么完全失败。如果事务中的某个操作失败，数据库会回滚，撤销所有前面的操作。

• 一致性：事务必须使数据库从一个一致的状态转变到另一个一致的状态。这意味着每个事务的执行必须遵循数据库的完整性约束。

为了实现这两个特性，Oracle 使用了 UNDO 数据。UNDO 数据记录了每个修改操作的反向操作，它保证了在事务回滚时能够恢复到原始状态。

1.2 UNDO 数据的作用

• 事务回滚：当事务需要回滚时，Oracle 会使用 UNDO 数据来撤销事务中的所有修改。例如，如果一个事务插入了数据，UNDO 数据会记录删除这些数据的操作。

• 读一致性：UNDO 数据也用于在事务并发执行时保证读取一致性。即使某个事务修改了数据，其他事务仍然能够读取到数据修改前的状态，这通过使用 快照隔离 实现。Oracle 通过 UNDO 数据来确保读取时的数据一致性，避免读取到不完整或临时的变更。

• 数据库恢复：如果数据库崩溃或出现故障，Oracle 会使用 UNDO 数据来回滚所有尚未提交的事务，从而恢复到崩溃前的一致状态。

2. UNDO 数据的存储与管理

2.1 UNDO 表空间 (UNDO Tablespace)

在 Oracle 数据库中，所有的 UNDO 数据都会存储在一个专门的表空间中，这就是 UNDO 表空间。

• UNDO 表空间：用于存储所有事务的撤销信息。每个 Oracle 数据库实例都会有一个或多个 UNDO 表空间。

• 默认表空间：在安装数据库时，Oracle 会自动创建一个默认的 UNDO 表空间，通常名为 UNDOTBS1。你也可以创建多个 UNDO 表空间。

• UNDO 数据文件：UNDO 表空间包含多个数据文件，存储着 UNDO 数据的物理内容。这些数据文件通过配置 DB_CREATE_FILE_DEST 参数来指定。

2.2 UNDO 段 (Undo Segment)

UNDO 表空间并非是一个单一的空间，而是由多个 UNDO 段 组成的。每个 UNDO 段代表一个逻辑的撤销单元，用来存储一个事务的撤销操作。

• UNDO 段的作用：每个事务开始时，Oracle 会为该事务分配一个 UNDO 段，并将事务的撤销信息写入其中。当事务提交或回滚时，Oracle 会清理相应的 UNDO 段。

• UNDO 段的生命周期：每个 UNDO 段的生命周期与事务的生命周期相同，当事务提交时，UNION 段会被标记为可回收；如果事务回滚，相关的 UNDO 数据会被用于撤销所有修改。

2.3 UNDO 扩展 (Undo Extent)

UNDO 数据是按 扩展（extent）进行分配的。每个 UNDO 段由多个 UNDO 扩展组成。每个扩展通常包含一个固定数量的数据块（例如，1MB 或 2MB），这些数据块用于存储撤销操作的具体数据。

• 扩展的分配：在 UNDO 表空间中，随着事务的进行，Oracle 会动态分配扩展来存储 UNDO 数据。当某个 UNDO 段的空间不足时，Oracle 会为它分配新的扩展。

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UNDO 和 REDO

1. UNDO 和 REDO 的定义

• UNDO 数据：用于撤销已经执行的事务操作，使数据库回到事务开始之前的状态。也就是说，UNDO 数据记录了事务修改操作的逆向操作，比如删除操作的撤销是“插入一条记录”，更新操作的撤销是“将值恢复为原值”。

• REDO 数据：用于重做已经提交的事务操作。如果数据库崩溃并且部分事务没有持久化到磁盘时，REDO 数据将被用来确保已提交的事务在恢复时不会丢失。REDO 数据记录了事务对数据库所做的修改（包括插入、删除、更新等），这些操作如果在系统崩溃后丢失，REDO 数据将使数据库恢复到事务提交后的状态。

2. UNDO 和 REDO 的区别

特性	UNDO 数据	REDO 数据
作用	用于回滚（撤销）未提交的事务，恢复到事务之前的状态	用于恢复（重做）已提交的事务，确保事务的持久性
存储内容	存储事务修改的反向操作	存储事务修改的实际操作
使用时机	事务回滚或数据库恢复时使用	数据库崩溃恢复时使用，确保已提交事务不会丢失
是否依赖提交	与事务是否提交无关，任何未提交的事务都会有 UNDO 数据	只有事务提交后，才会生成 REDO 数据

3. UNDO 和 REDO 如何协同工作

在 Oracle 中，UNDO 和 REDO 的协同工作确保了数据库在事务处理中具有原子性、持久性和恢复能力。它们的工作机制可以通过以下几个方面来理解：

3.1 事务的执行过程

当一个事务执行时，数据库会同时记录 UNDO 和 REDO 数据：

• REDO 数据：在事务修改数据时，Oracle 会将这些修改的操作（例如插入、删除、更新）记录为 REDO 日志。无论事务是否成功提交，REDO 数据都会被写入到重做日志文件（redo log）中。

• UNDO 数据：在事务修改数据时，Oracle 会在内存中的撤销段中记录这次修改的“逆操作”，以便在事务回滚时能够撤销这些修改。UNDO 数据会被写入到UNDO 表空间，用于存储回滚信息。

3.2 提交事务时

• 当事务提交时，REDO 数据会被持久化到重做日志文件中，这确保了事务的持久性。即使数据库崩溃，重做日志可以帮助数据库恢复到事务提交后的状态。

• UNDO 数据会被标记为过期，并可以被回收，因为已经提交的事务不需要回滚。

3.3 回滚事务时

• 当事务回滚时，UNDO 数据被使用，它会将数据恢复到事务开始前的状态。回滚操作是基于撤销日志（UNDO 日志）来进行的。

• REDO 数据不会被使用，因为回滚并不涉及重做任何已提交的操作，它只是撤销已执行的操作。

3.4 数据库崩溃恢复时

在数据库崩溃的情况下，数据库必须确保所有已提交的事务不丢失，并且回滚所有未提交的事务。此时，UNDO 和 REDO 的配合至关重要：

• REDO 数据：当数据库恢复时，Oracle 会扫描 重做日志文件，重新执行已提交事务的操作，确保事务提交后所做的更改被持久化。也就是说，重做日志可以确保数据库中所有已提交事务的数据更新不会丢失。

• UNDO 数据：在恢复过程中，Oracle 会通过扫描 UNDO 表空间，回滚所有未提交的事务，将其撤销到事务开始之前的状态。通过使用 UNDO 数据，未提交的事务所做的更改不会影响数据库的最终状态。

3.5 写前日志（WAL，Write-Ahead Logging）

在 Oracle 中，事务的写前日志机制保证了 REDO 数据 会先写入到重做日志文件，再将修改的数据写入到数据文件。这是为了确保即使系统崩溃，未提交的事务的修改数据也可以通过 REDO 数据恢复。

写前日志的顺序：

1. 事务开始并进行修改操作。
2. REDO 数据先写入到重做日志文件。
3. 数据页（块）会被修改并写入磁盘。
4. 如果事务提交，REDO 数据会被完全持久化，表示事务成功提交。

4. 具体的操作流程和例子

我们可以用一个简单的例子来具体说明 UNDO 和 REDO 的工作过程：

假设有一个事务 T1，它修改了表 EMP 中某个员工的薪水：

UPDATE emp SET salary = 5000 WHERE empno = 100;

4.1 事务执行前

• REDO：数据库记录了这条 更新操作，确保即使崩溃后，事务提交后这个更改不会丢失。
• UNDO：数据库记录了更新操作的反向操作，即将 salary 恢复为原来的值。

4.2 事务提交时

• REDO：事务提交后，REDO 数据会被持久化到重做日志文件中，以确保在恢复过程中这次更新可以重新执行。
• UNDO：此时，UNDO 数据不再需要，并可以被回收。

4.3 事务回滚时

• 如果事务没有提交，用户调用 ROLLBACK，那么：
  • UNDO：Oracle 会使用 UNDO 数据，将 empno = 100 的薪水恢复到更新前的值。
  • REDO：不会使用 REDO 数据，因为回滚并不涉及对已提交事务的任何操作。

4.4 系统崩溃后恢复

• 如果在事务 T1 提交后系统崩溃，恢复过程如下：
  • REDO：数据库会扫描重做日志，重新应用事务 T1 的修改，确保薪水为 5000。
  • UNDO：如果有未提交的事务（例如，修改了其他员工薪水的事务 T2），它们会被回滚到原始状态，确保未提交事务的数据不会被持久化。

5. UNDO 和 REDO 的同步与优化

在实际应用中，UNDO 和 REDO 的写入会遵循 异步和同步的机制：

• REDO 日志：通常会异步写入磁盘（即先写入内存，后写入磁盘）。这样做可以提高性能，但同时也需要保证数据的可靠性，避免丢失已提交事务的更改。

• UNDO 数据：因为涉及到撤销操作，它的写入通常是同步的，确保在事务回滚时，所有撤销信息都能够被正确地存储和应用。