Oracle 数据布局探秘：段与区块的内部机制

前言

在 Oracle 数据库的庞大架构中，数据存储的效率与性能是决定整个系统健康状况的关键因素。Oracle 采用了一套精妙的逻辑存储管理体系来组织和分配数据，其中，"段（Segment）"和"区（Extent）"是两个核心的逻辑单元。

它们直接关系到数据如何被物理地写入和读取，以及存储空间的利用效率。理解并掌握 Oracle 的段与区管理方式，对于数据库管理员优化性能、规划容量、避免空间问题至关重要。

本文将深入探讨 Oracle 的段管理机制，特别是围绕段和区这两个概念，解析传统管理方式的痛点以及现代自动化管理方法的优势，旨在为您揭示 Oracle 存储管理的奥秘。

一、段空间管理方式

1、自动管理方式(ASSM(Auto Segment Space Management))

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简单说就是采用位图管理方式，每个段的段头都有一组位图，位图描述每个块的满度，根据满度的不同将每个块登记到相应的位图上，位图自动跟踪每个块的使用空间，该位图不是精确的，而是按 25%的区间来分： 0-25%的空闲空间、 25%-50%的空闲空间、50%-75%的空闲空间和 75%-100%的空闲空间。

 比如块大小为 8k，你要插入一行是 4k 的表行，那么 oracle 就给你在满度 50%的位图上找个登记的块。ASSM 的前提是 EXTENT MANAGEMENT LOCAL，在 ORACLE9I 以后，缺省状态为自动管理方式， ASSM 废弃 pctused 属性。

2、手工管理方式(MSSM(Manual Segment Space Management))

这是传统的方法，采用 FREELIST 空闲列表管理段，现在仍然在使用，未被淘汰，保留 pctfree 和 pctused 属性，这些概念后面介绍 block 时再讨论。

二、段和表的关系

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一个单纯的表就分配一个段，但往往表没那么单纯，比如表上经常会有主键约束，那么就会有索引，索引有索引段，还有分区表，每个分区会有独立的段，再有就是 oracle 的大对象, 如果你的表里引用 blob,clob,那么这个表就又被分出多个段来。

2.1、查看表与段的关系

cpp 复制代码

--创建用户并授权
SYS@pdb> create user u1 identified by u1;

User created.

SYS@pdb> grant connect,resource to u1;

Grant succeeded.


SYS@pdb> grant select any dictionary to u1;

Grant succeeded.

2、创建表
U1@pdb>  create table t1(id number);

Table created.


3、查看段分配情况
U1@pdb> select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments; 

no rows selected

这时候看到在查询段信息的时候， Oracle 没有分配段，原因是在19C 中采用了默认延迟段的创建方式。也就是说，在创建表的时候，暂时先不分配段，待插入第一条数据的时候再进行创建。

我们对表插入一条数据，再次查询段的情况：

cpp 复制代码

U1@pdb> insert into t1 values(1);

1 row created.

U1@pdb> commit

U1@pdb> select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments; 

SEGMENT_NAME                   SEGMENT_TYPE       SEGMENT_SU TABLESPACE_NAME                     BYTES     BLOCKS    EXTENTS
------------------------------ ------------------ ---------- ------------------------------ ---------- ---------- ----------
T1                             TABLE              ASSM       USERS                               65536          8          1

可以看到,T1表分配一个1个区。

插入更多的数据

cpp 复制代码

--sys用户执行
SYS@pdb>  insert into u1.t1 select object_id from dba_objects where rownum<=10000;

10000 rows created.


--u1用户查看
U1@pdb> select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments where segment_name='T1';

SEGMENT_NAME                   SEGMENT_TYPE       SEGMENT_SU TABLESPACE_NAME                     BYTES     BLOCKS    EXTENTS
------------------------------ ------------------ ---------- ------------------------------ ---------- ---------- ----------
T1                             TABLE              ASSM       USERS                              196608         24          3

可以看到,随着数据插入，T1表分配一个3个区。

另外，在建表时候可以带上 SEGMENT CREATION IMMEIDATE 选项，可以不使用默认延迟段的创建方式，例如：

cpp 复制代码

U1@pdb> create table t2(id number) segment creation immediate;

Table created.


U1@pdb> select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments where segment_name='T2'; 

SEGMENT_NAME                   SEGMENT_TYPE       SEGMENT_SU TABLESPACE_NAME                     BYTES     BLOCKS    EXTENTS
------------------------------ ------------------ ---------- ------------------------------ ---------- ---------- ----------
T2                             TABLE              ASSM       USERS                               65536          8          1

延迟段的方式是由参数 deferred_segment_creation 来控制，默认值为 TRUE。也可通过更改此参数实现禁用延迟段。该参数可以在会话级别修改，也可以在 spfile 修改，下次启动生效。

cpp 复制代码

SYS@pdb> show parameter deferred_segment_creation

NAME                                 TYPE        VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
deferred_segment_creation            boolean     TRUE

--session级别修改deferred_segment_creation参数
SQL> alter session set deferred_segment_creation=false;

U1@pdb2> create table t3(id number) ;

Table created.

U1@pdb2> select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments; 

SEGMENT_NAME                   SEGMENT_TYPE       SEGMENT_SU
------------------------------ ------------------ ----------
TABLESPACE_NAME                     BYTES     BLOCKS    EXTENTS
------------------------------ ---------- ---------- ----------
T1                             TABLE              ASSM
USERS                              196608         24          3

T2                             TABLE              ASSM
USERS                               65536          8          1

T3                             TABLE              ASSM
USERS                               65536          8          1

创建带主键的表，观察段的分配情况：

cpp 复制代码

U1@pdb> create table t3(id number primary key) segment creation immediate;

Table created.U1

@pdb>  select * from user_segments;

这里可以看到表和主键上的索引都会分配单独的段

创建带大对象字段的表，观察段的分配情况：

cpp 复制代码

U1@pdb> create table t4(id number,name clob) segment creation immediate;

Table created.

U1@pdb> select * from user_segments;
这里可以看到上面的语句，产生了段类型为TABLE及段类型为LOBSEGMENT的对象

2.2 延迟段分配在索引上的使用

cpp 复制代码

--创建索引时指定不分配空间
CREATE INDEX IDX_T1 ON T1(ID) UNUSABLE;

--查看索引段分配情况
select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments; 
发现索引未分配空间

--将索引重建
 ALTER INDEX idx_t1 REBUILD;

--再次查看索引段分配情况
select segment_name,segment_type,segment_subtype,tablespace_name,bytes,blocks,extents from user_segments; 
发现索引分配空间

--将索引分配的空间回收
ALTER INDEX idx_t1 unusable;

三、区 extent

区是 ORACLE 进行存储空间分配的最小单位，是由一系列逻辑上连续的 Oracle 数据块组成的逻辑存储结构。段中第一个区叫初始区，随后分配的区叫后续区。

管理方式有两种：基于字典的管理（已淘汰）和基于本地管理。

3.1 表和区（extent）的关系

当建立表的时候建立段（segment），然后自动分配相应的 extent（1 个或者多个）

cpp 复制代码

select * from dba_extents t where t.owner='U1' and t.segment_name='T1';

可以手工 allocate extent 提前分配 extent（用于需大量插入数据的表）。

cpp 复制代码

1、u1用户下创建表t5,设置立即创建段
U1@pdb> create table u1.t5(id number) segment creation immediate;

Table created.

2、查看t5表分配的区
U1@pdb> select * from user_extents where segment_name='T5';
SEGMENT_NAME                   PARTITION_NAME                                                                                     SEGMENT_TYPE        TABLESPACE_NAME                 EXTENT_ID      BYTES     BLOCKS
------------------------------ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------ ------------------------------ ---------- ---------- ----------
T5                                                                                                                                TABLE               USERS                                   0      65536          8

3、sys用户插入数据
SYS@pdb> insert into u1.t5 select object_id from dba_objects where rownum<=10000;
SYS@pdb> COMMIT;

Commit complete.

4、再次查看t5表分配的区
U1@pdb> select * from user_extents where segment_name='T5';
SEGMENT_NAME                   PARTITION_NAME                                                                                     SEGMENT_TYPE        TABLESPACE_NAME                 EXTENT_ID      BYTES     BLOCKS
------------------------------ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------ ------------------------------ ---------- ---------- ----------
T5                                                                                                                                TABLE               USERS                                   0      65536          8
T5                                                                                                                                TABLE               USERS                                   1      65536          8
T5                                                                                                                                TABLE               USERS                                   2      65536          8

可以看到段T5的初始区 ID 为 0，大小为 65536 bytes, 向表段中插入数据，观察Oracle 为该段分配更多的区（extent）。

3.2 区和表数据的关系

将表 T5 数据全部删除，观察区的情况：

cpp 复制代码

1、删除前，查看一下全表扫描T5所需要的块数
Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 1231860717

-------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation          | Name | Rows  | Cost (%CPU)| Time     |
-------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT   |      |     1 |     7   (0)| 00:00:01 |
|   1 |  SORT AGGREGATE    |      |     1 |            |          |
|   2 |   TABLE ACCESS FULL| T5   | 10000 |     7   (0)| 00:00:01 |
-------------------------------------------------------------------

Note
-----
   - dynamic statistics used: dynamic sampling (level=2)


Statistics
----------------------------------------------------------
          0  recursive calls
          0  db block gets
         23  consistent gets
          0  physical reads
          0  redo size
        550  bytes sent via SQL*Net to client
        388  bytes received via SQL*Net from client
          2  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
          1  rows processed


SYS@pdb>  delete from u1.t5;

10000 rows deleted.

SYS@pdb> commit;

Commit complete.

3、再次查看执行计划，仍然扫描和删除前一样的blocks
SYS@pdb> set autot trace
SYS@pdb> select count(1) from u1.t5;


Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 1231860717

-------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation          | Name | Rows  | Cost (%CPU)| Time     |
-------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT   |      |     1 |     7   (0)| 00:00:01 |
|   1 |  SORT AGGREGATE    |      |     1 |            |          |
|   2 |   TABLE ACCESS FULL| T5   | 10000 |     7   (0)| 00:00:01 |
-------------------------------------------------------------------

Note
-----
   - dynamic statistics used: dynamic sampling (level=2)


Statistics
----------------------------------------------------------
          0  recursive calls
          0  db block gets
         23  consistent gets
          0  physical reads
          0  redo size
        549  bytes sent via SQL*Net to client
        388  bytes received via SQL*Net from client
          2  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
          1  rows processed

4、查看T5表区的信息
SYS@pdb> select segment_name,file_id,extent_id,blocks,bytes from dba_extents where segment_name='T5';

SEGMENT_NAME                      FILE_ID  EXTENT_ID     BLOCKS      BYTES
------------------------------ ---------- ---------- ---------- ----------
T5                                     12          0          8      65536
T5                                     12          1          8      65536
T5                                     12          2          8      65536

此时表T5段的数据已经删除，但所有 extent 依然健在，无法回收 T5段的所有区。

也可以要求一个预分配的所需空间（但要注意，所需要的空间一定是在表空间可达到的空间范围内）

cpp 复制代码

 alter table u1.t5 allocate extent(datafile '/opt/oracle/oradata/ORCLCDB/ORCLPDB1/users01.dbf' size 8m);


col SEGMENT_NAME for a30

select segment_name,file_id,extent_id,bytes from dba_extents where segment_name='T5';

SEGMENT_NAME                      FILE_ID  EXTENT_ID      BYTES
------------------------------ ---------- ---------- ----------
T5                                     12          0      65536
T5                                     12          1      65536
T5                                     12          2      65536
T5                                     12          3    1048576
T5                                     12          4    1048576
T5                                     12          5    1048576
T5                                     12          6    1048576
T5                                     12          7    1048576
T5                                     12          8    1048576
T5                                     12          9    1048576
T5                                     12         10    1048576

11 rows selected.

回收未使用的分区用 deallocate, 注意：只能收回从未使用的 extent

cpp 复制代码

SYS@pdb> alter table u1.t5 deallocate unused;

Table altered.

SYS@pdb>  select segment_name,file_id,extent_id,bytes from dba_extents where segment_name='T5';

SEGMENT_NAME                      FILE_ID  EXTENT_ID      BYTES
------------------------------ ---------- ---------- ----------
T5                                     12          0      65536
T5                                     12          1      65536
T5                                     12          2      65536

**思考：**为什么delete无法释放已经使用的区？如何释放这些实际上未使用的区？

**提示：**高水位线和shrink，关于这两个知识点，后面我们再详细介绍。

四、数据块 block

block是数据库内 I/O 最小单位，数据库需要读取数据时总是无法只读取一条记录，而是必须读整个数据块，只有在创建表空间时就能指定数据块容量，无法修改数据块容量。

BLOCK 的管理方法是区的管理和段管理的具体体现

自动管理方式（ASSM）：如创建表空间时区（extent）为本地管理方式，并且将段（segment）的存储空间方式设置为 AUTO（即 ASSM），该表空间的所有块均采用位图自动管理方式，这是系统默认的。

空闲列表方式（MSSM）：引入 FREELIST 概念，以及 PCTFREE 和 PCTUSED 两个参数控制可用存储区的大小，避免行迁移现象的发生。这两个参数可在创建表空间时设置，也可在建立数据库的模式对象（表，索引）中设置。模式对象中设置的优先级比表空间的要高。就是说；如表和索引中没有设置，则按表空间的设置，如表空间也没设置，则按自动管理方式管理块。

引用一下ORACLE官方文档中块的格式

4.1 数据块的管理方式

freelist：空闲列表中登记了可以插入数据的可用块，位置在段头，插入表行数据时首先查找该列表。

pctfree：用来为一个块保留的空间百分比，以防止在今后的更新操作中增加一列或多列值的长度。达到该值，从 freelist 清除该块信息。

pctused：一个块的使用水位的百分比，这个水位将使该块返回到可用列表中去等待更多的插入操作。达到该值，该块信息加入 freelist，这个参数在 ASSM 下不使用。

查看表的默认定义

cpp 复制代码

-- Create table
create table ROW_MIG_DEMO
(
  x INTEGER not null,
  a CHAR(1000),
  b CHAR(1000),
  c CHAR(1000),
  d CHAR(1000),
  e CHAR(1000)
)
tablespace USERS
  pctfree 10
  initrans 1
  maxtrans 255
  storage
  (
    initial 64K
    next 1M
    minextents 1
    maxextents unlimited
  );

4.2 数据块的pctfree 和 pctused

接下来我们更加详细的了解下 pctfree 和 pctused

pctfree 这个参数定义了一个块保留空间的百分比，保留空间是为了将来可能发生的更新操作，因为更新可能增大被更新行占用的空间，如果此时该块没有可利用空间，那么只有发生 row migrate 了，从而会降低 I/O 性能。

换句话说，就是当一个块的利用率达到pctfree 的时候， oracle 就将该块从 freelist 中移除，不再向该块插入数据。所以说 pctfree是控制什么时候将块从 freelist 中移除的。

示例：

cpp 复制代码

CREATE TABLE test_table(n NUMBER) PCTFREE 20;

pctused 这个参数控制一个块什么时候被重新启用来插入数据，例如当一个块达到 pctfree 利用率的时候， oracle 停止向该块插入数据，同时从 freelist 移除该块，但是后来发生一些删除操作，使得该块的利用率下降，当该块的利用率降到 pctused 以下的时候该块就被重新启用来插入数据了，也即是将该块重新加入到 freelist 列表中，所以说 pctused是控制什么时候将一个块重新加入 freelist 的。

**举个例子：**比如一个块的 pctfree 定为 10%， pctused 定为 40%（oracle 默认设置）。那么一个块的使用率达到 90%（即 1-10%）的时候， oracle 将该块从 freelist 中移除，停止使用该块来插入数据（但可更新）。

后来该块上发生了一些删除操作，使得该块的利用率下降，当使用率下降到 40%以下的时候， oracle 重新将该块加入 freelist，可用于新的插入。

在 Oracle11g 中，表空间默认使用本地位图自动管理， PCTFREE 的默认值是 10，且无法自定义管理 PCTUSED 属性。

结语

通过本文的探讨，我们深入了解了 Oracle 数据库中段和区这两个核心逻辑存储单元的角色及其管理方式。从早期依赖手动参数的复杂时代，到如今广泛采用的自动化段空间管理（ASSM）和本地管理区（LME），Oracle 的存储管理机制经历了显著的演进，旨在提供更高效、更简便、更少出错的管理体验。

特别是 ASSM 基于位图的精细化空间管理和 LME 避免数据字典争用的优势，使其成为现代 Oracle 数据库存储的最佳实践。正确地配置和利用 ASSM 和 LME（尤其是 AUTOALLOCATE 模式），不仅能极大地简化数据库管理员的工作，更能有效提升数据库的整体性能、优化空间利用率、减少碎片，从而确保数据库系统的稳定运行和持续高效。

掌握这些知识，是每一位 Oracle 数据库从业者不可或缺的技能。

#数据库 #oracle #段区块 #逻辑结构