65-Oracle Undo机制

前一期看了Oracle在redo上保持事务前滚的一致性，同样Oracle在Undo的管理机制也是现代事务型数据库的工程典范。核心在于通过多版本并发控制（MVCC）技术，在保障数据一致性与提升系统性能之间实现精妙平衡。Undo机制构建了原子事务的物理基础，通过存储数据前像实现秒级回滚。MVCC架构使读写操作完全解耦。Undo的智能空间管理（AUM）和保留期自动优化特性，精准控制RTO/RPO指标。通过UNDO_RETENTION GUARANTEE策略，可以为业务侧带来数据保险的时间窗口。引出另外另外一个话题：Flashback的实现对Undo有要求，然而两者处理的事务又大大不同（单开一期），这次重点是Oracle的Undo机制。

一、Undo机制核心功能与技术原理

1. 核心功能矩阵

|--------|-----------------------|--------------------------------------|
| ​功能类别​ | ​具体实现 | ​技术原理​ |
| ​事务回滚​ | 回滚单条SQL或整个事务 | 存储数据前镜像链表，通过回滚指针(ROLL_PTR)构建版本链 |
| ​读一致性​ | MVCC多版本控制 | 基于SCN(System Change Number)构建一致性快照视图 |
| ​实例恢复​ | 崩溃后回滚未提交事务 | SMON进程应用Undo日志回滚未提交事务 |
| ​闪回技术​ | Flashback Query/Table | 时间戳与SCN映射，访问历史Undo数据 |
| ​临时表优化 | 12c+临时Undo | 隔离存储临时表变更，减少Redo生成 |

2. 技术演进历程

Oracle 7-8i：手动回滚段

• 需要DBA手动创建和管理回滚段
• 易出现空间争用错误(ORA-01555)
• 事务回滚需扫描整个段，效率低
  Oracle 9i：自动Undo管理(AUM)​
• 引入UNDO_TABLESPACE参数
• 自动分配和管理Undo段
• UNDO_RETENTION参数控制保留时间
  Oracle 10g：IMU内存优化
• In-Memory Undo(IMU)技术
• 共享池中分配私有Undo缓冲区
• 减少60%磁盘I/O和Redo生成
  Oracle 11g：自动保留期调整
• 动态计算TUNED_UNDORETENTION
• 自动避免ORA-30036(空间不足)和ORA-01555(快照过旧)
  Oracle 12c：临时Undo
• 全局临时表(GTT)的Undo存入临时表空间
• 减少75% Redo日志量
• 物理备库支持临时表DML操作
  Oracle 19c～23ai：混合列压缩
• Undo数据列式存储压缩
• 减少40%空间占用
• 优化数据仓库场景

二、Undo日志技术原理深度解析

Undo日志是内容，Undo表空间是容器。
所有事务生成的Undo日志最终持久化到Undo表空间文件中。

1. 数据结构

​ Undo记录头结构：​

• XID：事务ID（16字节，包含回滚段号+槽号+序列号）
• UBA：前序Undo记录地址（文件号+块号+记录偏移）
• Opcode：操作类型标识（0x02=INSERT, 0x04=UPDATE, 0x10=DELETE）
• Flags：状态标志位（活动/过期等）
• Data Length：数据长度
  ​ 数据区结构：​
• RowID：修改行的物理地址
• ColID：修改列标识符
• OldVal：修改前的列值

2. 存储架构

层级结构：​

1. Undo表空间：专用存储容器
2. 数据文件：物理存储文件（如undotbs01.dbf）
3. 回滚段：每个事务绑定独立段
4. 区(Extents)：8个连续块组成的分配单元
5. 块(Blocks)：标准8KB Oracle块
6. Undo记录：实际存储单元
   空间状态管理：​

• 活动区(Active)​：事务进行中，强制保留
• 未过期区(Unexpired)​：已提交+保留期内，优先保留
• 过期区(Expired)​：超保留期，可覆盖使用

3. 写入流程

1. DML操作触发Undo记录生成
2. Undo记录写入Buffer Cache
3. 同步生成Redo日志（Write-Ahead Logging）
4. LGWR进程将Redo写入日志文件
5. DBWn进程异步将Undo数据写入磁盘
6. 事务提交时更新状态

三、关键配置与管理策略

1. 核心参数配置

-- 基础配置 --
ALTER SYSTEM SET undo_management = AUTO;          -- 启用自动管理
ALTER SYSTEM SET undo_tablespace = undotbs2;      -- 指定表空间
ALTER SYSTEM SET undo_retention = 1800 SCOPE=BOTH;-- 保留30分钟
--
show parameter undo;
NAME              TYPE    VALUE
----------------- ------- --------
temp_undo_enabled boolean FALSE
undo_management   string  AUTO
undo_retention    integer 900
undo_tablespace   string  UNDOTBS1
-- 高级优化 --
ALTER SYSTEM SET "_in_memory_undo" = TRUE;  -- 启用IMU(10g+)
ALTER SYSTEM SET temp_undo_enabled = TRUE;  -- 启用临时Undo(12c+)
--System altered.

2. 表空间管理

​创建表空间：​

CREATE UNDO TABLESPACE undotbs2
  DATAFILE '/opt/oracle/oradata/FREE/FREEPDB1/undotbs2_01.dbf' SIZE 20G
  AUTOEXTEND ON NEXT 1G MAXSIZE UNLIMITED
  RETENTION GUARANTEE;  -- 关键系统启用保证模式

​空间维护操作：​

-- 空间回收
ALTER TABLESPACE undotbs1 SHRINK SPACE KEEP 15G;
-- 表空间切换
ALTER SYSTEM SET UNDO_TABLESPACE = undotbs2;
-- 删除旧表空间
DROP TABLESPACE undotbs1 INCLUDING CONTENTS AND DATAFILES;

3. 监测体系

​空间压力监控：​

SELECT 
  TO_CHAR(begin_time, 'YYYY-MM-DD HH24:MI') AS snapshot_time,
  undoblks AS undo_blocks_generated,
  maxquerylen AS longest_query_sec,
  ssolderrcnt AS ora_01555_count,
  tuned_undoretention AS actual_retention_sec
FROM v$undostat
ORDER BY begin_time DESC;

​事务级监控：​

SELECT 
  s.sid,
  s.username,
  t.start_time,
  t.used_ublk AS undo_blocks_used,
  t.used_urec AS undo_records_used
FROM v$transaction t
JOIN v$session s ON t.ses_addr = s.saddr;
--11g 生产库

SID USERNAME       START_TIME           UNDO_BLOCKS_USED UNDO_RECORDS_USED
-- -------------------- -------------------- ---------------- ------------
3401 HIS50         01/15/24 21:20:00                   1                 1

​文件级监控：​

SELECT 
  file_name,
  bytes/1024/1024 AS size_mb,
  maxbytes/1024/1024 AS max_size_mb,
  autoextensible,
  increment_by * 8192/1024/1024 AS increment_mb
FROM dba_data_files
WHERE tablespace_name = 'UNDOTBS1';
---
FILE_NAME                                             SIZE_MB         MAX_SIZE_MB AUTOEXTENSIBLE       INCREMENT_MB
__________________________________________________ __________ ___________________ _________________ _______________
/opt/oracle/oradata/FREE/FREEPDB1/undotbs01.dbf           345    33554431.9765625 YES                             5

四、验证脚本集

1. 读一致性验证

--会话1
UPDATE HR.employees SET salary = 15000 WHERE employee_id = 100;
-- 不提交事务

--会话2
SELECT salary FROM HR.employees e WHERE e.employee_id = 100; 
-- 应返回修改前的值（比如6000）

2. 保留期保证验证

-- 设置保留保证
ALTER TABLESPACE undotbs1 RETENTION GUARANTEE;

-- 生成测试数据并等待超保留期
BEGIN
  UPDATE HR.employees SET salary = salary * 1.1;
  COMMIT;
  DBMS_LOCK.SLEEP(2000);  -- 等待超过undo_retention
END;
/

-- 尝试历史查询
SELECT salary FROM HR.employees 
  AS OF TIMESTAMP SYSTIMESTAMP - INTERVAL '30' MINUTE
WHERE employee_id = 100;
-- 应成功返回历史数据

3. 临时Undo性能验证

-- 启用临时Undo
ALTER SESSION SET temp_undo_enabled = TRUE;

-- 创建临时表
CREATE GLOBAL TEMPORARY TABLE temp_emp AS SELECT * FROM HR.employees;

-- 测试I/O对比
SET AUTOTRACE STATISTICS;

-- 临时表操作
INSERT INTO temp_emp SELECT * FROM HR.employees;
COMMIT;
-- 记录统计信息中的redo size

-- 常规表操作
INSERT INTO HR.employees SELECT * FROM employees WHERE 1=0;
ROLLBACK;
-- 比较redo size差异（临时表应显著减少）

4. IMU效果验证

-- 检查IMU状态
SELECT name, value 
FROM v$sysstat 
WHERE name LIKE '%IMU%flush%';
--
NAME                                               VALUE
--------------------------------------------- ----------
IMU recursive-transaction flush                     3401
IMU undo retention flush                            0
IMU ktichg flush                                    2
IMU bind flushes                                    0
IMU mbu flush                                       0
-- 生成负载测试
DECLARE
  CURSOR c_emp IS SELECT * FROM HR.employees FOR UPDATE;
BEGIN
  FOR r IN c_emp LOOP
    UPDATE HR.employees SET salary = salary * 1.01 WHERE CURRENT OF c_emp;
  END LOOP;
  COMMIT;
END;
/
-- 再次检查IMU统计

五、最佳实践指南

1. 容量规划公式

所需空间(GB) = (DPM × ARS × UR) / (1024³) × 1.5

• DPM：每分钟DML操作数
• ARS：平均行大小（字节）
• UR：保留期（分钟）
• 1.5：安全系数（含元数据开销）

2. 高可用架构设计

多表空间轮换策略

• 创建至少两个Undo表空间
• 定期切换：ALTER SYSTEM SET UNDO_TABLESPACE=undotbs2;
• 保留旧表空间24小时后删除
  空间保障策略

-- 关键系统启用保留保证
ALTER TABLESPACE undotbs1 RETENTION GUARANTEE;

3. 参数优化对比

|----------|-----------------|-------|----------|------|
| ​场景类型​ | ​undo_retention | ​IMU​ | ​临时Undo​ | ​压缩​ |
| ​OLTP系统​ | 2小时 | 启用 | 启用 | 禁用 |
| ​数据仓库​ | 6小时 | 按需 | 按需 | 启用 |
| ​金融系统​ | 12小时+保证 | 启用 | 启用 | 禁用 |
| ​开发环境​ | 24小时 | 可选 | 可选 | 可选 |

4. 故障处理一览

|-----------|----------|-----------------------|
| ​故障现象​ | 可能原因​ | ​解决方案​ |
| ORA-01555 | Undo保留不足 | 增加UNDO_RETENTION或表空间 |
| ORA-30036 | 空间不足 | 扩展表空间或启用AUTOEXTEND |
| 闪回失败 | 历史数据不可用 | 启用RETENTION GUARANTEE |
| 性能下降 | IMU未启用 | 检查"_in_memory_undo"参数 |

六、演进趋势与未来方向

多租户、云原生优化

• CDB/PDB多租户Undo隔离
• 基于负载的自动伸缩策略
• 跨区域Undo复制
• AI的到来自动预测和优化
  持久内存应用
• 利用PMEM存储Undo日志
• 持久内存直接访问加速
• 崩溃恢复时间缩短90%
  ​ 性能数据 ​：
  Oracle 19c在混合负载下，IMU+临时Undo组合可降低整体I/O 45%，提升事务吞吐量30%（from：Oracle官方实验室基准测试）。

七、使用体验

Oracle Undo机制通过多阶段技术演进，已从基础的事务回滚工具发展为支持多版本控制、闪回操作和多租户、云原生优化的综合数据管理平台。关键最佳实践包括：

1. 根据业务负载科学规划空间容量
2. OLTP系统启用IMU和临时Undo
3. 关键业务启用RETENTION GUARANTEE
4. 建立多层次监控预警体系
5. 定期进行健康检查和性能优化