目录
[1.1 什么是内存融合？](#1.1 什么是内存融合？)
[1.2 核心设计哲学](#1.2 核心设计哲学)
[2.1 全局缓存服务（GCS）](#2.1 全局缓存服务（GCS）)
[2.2 全局队列服务（GES）](#2.2 全局队列服务（GES）)
[2.3 私有互连（Private Interconnect）](#2.3 私有互连（Private Interconnect）)
[3.1 数据块状态跟踪](#3.1 数据块状态跟踪)
[3.2 一致性读取（CR）副本的生成](#3.2 一致性读取（CR）副本的生成)
[4.1 读-读场景：最简单的共享](#4.1 读-读场景：最简单的共享)
[4.2 读-写场景：并发控制](#4.2 读-写场景：并发控制)
[4.3 写-写场景：最复杂的协调](#4.3 写-写场景：最复杂的协调)
[4.4 全局资源目录（GRD）的角色](#4.4 全局资源目录（GRD）的角色)
[5.1 减少"ping"操作](#5.1 减少"ping"操作)
[5.2 私有互连优化](#5.2 私有互连优化)
[5.3 缓冲区缓存调优](#5.3 缓冲区缓存调优)
[5.4 序列设计优化](#5.4 序列设计优化)
[6.1 实例故障恢复](#6.1 实例故障恢复)
[6.2 过去映像（PI）的作用](#6.2 过去映像（PI）的作用)
[7.1 诊断内存融合问题](#7.1 诊断内存融合问题)
[7.2 真实性能问题分析](#7.2 真实性能问题分析)
[8.1 Oracle 12c/19c的增强](#8.1 Oracle 12c/19c的增强)
[8.2 Oracle 21c的革新](#8.2 Oracle 21c的革新)
引言：为什么需要内存融合？
在现代企业级应用环境中，高可用性和可扩展性是数据库系统的核心需求。Oracle Real Application Clusters (RAC) 通过多节点集群架构实现了这些目标，但集群环境面临一个根本性挑战：如何让多个独立的数据库实例共享同一份数据，同时保持高性能和一致性？
传统的分布式系统往往通过磁盘同步来实现数据一致性，但这会导致严重的性能瓶颈。Oracle RAC的创新解决方案就是内存融合技术（Cache Fusion）------这是RAC架构的基石，也是其高性能的秘密武器。
ORACLE RAC架构图
一、内存融合技术概览
1.1 什么是内存融合？
内存融合是一种高级缓存一致性机制，它允许RAC集群中所有节点的缓冲区缓存（Buffer Cache）透明地共享数据块。本质上，它将多个独立的实例缓存融合为一个虚拟的全局缓存，使得任何实例都能访问任何数据块，无论这些数据块物理上位于哪个节点的内存中。
1.2 核心设计哲学
内存融合的设计遵循三个核心原则：
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透明性：应用程序无需知道数据位于哪个节点
-
一致性：保证所有节点看到的数据视图是一致的
-
高效性：最小化磁盘I/O和网络开销
二、内存融合的架构组件
2.1 全局缓存服务（GCS）
GCS是内存融合的大脑，负责：
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跟踪所有数据块的当前状态和位置
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管理数据块在实例间的传递
-
协调并发访问控制
每个数据块都有一个主实例（Master Instance），通常是最新持有该数据块的实例。GCS使用分布式哈希算法确定数据块的主实例。
2.2 全局队列服务（GES）
GES管理除数据块之外的全局资源，如：
-
库缓存（Library Cache）同步
-
字典缓存（Dictionary Cache）同步
-
事务锁管理
2.3 私有互连（Private Interconnect）
这是内存融合的高速公路，专用网络连接所有集群节点：
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使用InfiniBand、10GbE或更高性能网络
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传输数据块、锁信息和心跳信号
-
要求低延迟（微秒级）和高带宽
三、数据块状态与一致性模型
3.1 数据块状态跟踪
Oracle RAC为每个数据块维护精细的状态信息：
sql
SELECT inst_id, file#, block#, status, dirty, temp, ping
FROM gv$bh
WHERE block# = 12345
ORDER BY inst_id;关键状态包括：
-
SCUR：共享当前模式（Shared Current）
-
XCUR：独占当前模式（Exclusive Current）
-
CR：一致性读取（Consistent Read）
-
READ：正在从磁盘读取
3.2 一致性读取（CR）副本的生成
当不同实例需要同一数据块的不同版本时，内存融合不会简单地传输原始数据块，而是按需创建CR副本，例如：
1、实例1修改了块B，事务尚未提交
2、实例2查询同一数据块时，GCS会指导实例1创建该块的CR副本并通过私有互连发送给实例2
这个过程避免了磁盘I/O，同时保证了读一致性。
四、内存融合工作流程深度解析
4.1 读-读场景：最简单的共享
场景：实例1和实例2都需要读取同一个干净的数据块
1. 实例1首先读取，从磁盘加载到本地缓存
2. 实例2请求相同数据块
3. GCS检查发现实例1有该块的当前副本
4. 数据块通过私有互连从实例1传输到实例2
5. 两个实例现在共享该块的只读副本4.2 读-写场景：并发控制
sql
-- 实例1正在读取数据块，实例2需要修改同一数据块
UPDATE employees SET salary = salary * 1.1 WHERE employee_id = 100;处理流程：
-
实例2向GCS请求数据块的独占访问权
-
GCS要求实例1降级其共享锁（如果持有）
-
实例1刷新重做日志，发送数据块给实例2
-
实例2获得独占锁，修改数据块
-
数据块现在处于"脏"状态，仅存在于实例2缓存
4.3 写-写场景：最复杂的协调
场景：两个实例几乎同时修改同一数据块的不同行
1. 实例1先获得锁，修改行A
2. 实例2请求修改行B，但需要同一数据块
3. GCS协调锁转换：
- 实例1提交其更改并写入重做日志
- 数据块传输到实例2
- 实例2应用自己的修改
4. 可能出现"ping"操作，但Oracle优化了行级锁定4.4 全局资源目录（GRD）的角色
GRD是分布在所有节点上的元数据集合，包含：
-
每个数据块的当前位置和状态
-
锁资源和模式
-
过去镜像（Past Image）信息
五、性能优化与调优
5.1 减少"ping"操作
"ping"是当数据块需要在实例间强制移动时发生的操作，会影响性能：
sql
-- 监控ping频率
SELECT name, value
FROM v$sysstat
WHERE name LIKE '%gc%ping%';优化策略：
1. 应用分区：将相关数据访问集中在同一实例
2. 使用服务：通过服务定向连接
3. 序列缓存：增大序列缓存减少争用5.2 私有互连优化
sql
-- 检查私有互连性能
SELECT * FROM gv$cluster_interconnects;关键指标：
1. 网络延迟：应低于1毫秒
2. 带宽使用率：不应持续高于70%
3. 错误率：应接近零5.3 缓冲区缓存调优
sql
-- RAC特有的缓冲区缓存参数
ALTER SYSTEM SET gc_files_to_locks = 'scope=spfile'; -- 控制数据块到锁的映射
ALTER SYSTEM SET "_gc_policy_time" = 0; -- 禁用自动缓存策略（谨慎使用）5.4 序列设计优化
序列是RAC中的常见争用点：
sql
-- 避免使用NOCACHE序列
CREATE SEQUENCE order_seq
START WITH 1
INCREMENT BY 1
CACHE 1000
ORDER; -- 对于需要严格顺序的场景
-- 对于不需要严格顺序的场景
CREATE SEQUENCE log_seq
START WITH 1
INCREMENT BY 1
CACHE 1000
NOORDER; -- 提供更好的性能六、故障恢复与高可用性
6.1 实例故障恢复
当实例故障时，内存融合确保数据不丢失：
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存活节点检测到故障
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GCS重新映射故障实例持有的资源
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使用重做日志进行恢复
-
全局资源重新分布
6.2 过去映像（PI）的作用
PI是内存融合的故障恢复关键：
-
当脏块传输到其他实例时，发送方保留PI
-
PI用于实例故障时的快速恢复
-
避免从磁盘恢复数据
七、实战案例与诊断
7.1 诊断内存融合问题
sql
-- 综合诊断查询
SELECT
inst_id,
SUM(pings) AS total_pings,
SUM(gc_blocks_received) AS blocks_received,
SUM(gc_blocks_corrupted) AS corrupted_blocks,
ROUND(SUM(gc_buffer_busy) / NULLIF(SUM(gc_blocks_received), 0) * 100, 2) AS busy_percent
FROM gv$cache_transfer
GROUP BY inst_id
ORDER BY inst_id;7.2 真实性能问题分析
场景：某电商系统在促销期间RAC性能下降
诊断步骤：
-
发现gc cr block receive time激增
-
确定热点数据块（通过v$segment_statistics）
-
发现是序列争用导致
-
应用优化：增大序列缓存 + 应用分区
sql
-- 找到热点段
SELECT owner, segment_name, tablespace_name,
SUM(db_block_changes_delta) AS block_changes
FROM gv$segment_statistics
WHERE statistic_name = 'db block changes'
GROUP BY owner, segment_name, tablespace_name
ORDER BY block_changes DESC
FETCH FIRST 10 ROWS ONLY;八、内存融合演进与新特性
8.1 Oracle 12c/19c的增强
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Flex ASM：提高互联可用性
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Flex集群：减少融合流量
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共享网格盘：改善存储访问
8.2 Oracle 21c的革新
sql
-- 21c引入的持久化内存支持
ALTER SYSTEM SET pmem_fileroot = '/pmem/oradata' SCOPE=spfile;1.内存融合可以直接利用持久化内存
2.减少实例恢复时间
3.提高缓存传输性能结论：内存融合的艺术
Oracle RAC的内存融合技术是分布式数据库设计的杰作，它巧妙地平衡了性能、一致性和可用性。理解内存融合不仅有助于优化RAC性能，更能深入理解分布式系统设计的精髓。
关键要点回顾：
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透明共享：内存融合创建了虚拟的全局缓存
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高效协调：GCS和GES确保一致性和并发控制
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避免磁盘I/O：通过私有互连传输数据块
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智能恢复：PI机制保证快速故障恢复
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持续演进：每个Oracle版本都在优化内存融合
掌握内存融合技术，就能真正发挥Oracle RAC的潜力，构建高性能、高可用的企业级数据库集群。
注：本文基于Oracle 19c编写，部分特性可能因版本而异，生产环境变更前请充分测试。