Conceptos de Almacenamiento en Oracle

Conceptos de Almacenamiento en Oracle

Concepto de Tablespace (espacio de tablas)

Una base de datos se divide en unidades lógicas denominadas TABLESPACES. Un tablespace no es un fichero físico en el disco, simplemente es el nombre que tiene un conjunto de propiedades de almacenamiento que se aplican a los objetos (tablas, secuencias…) que se van a crear en la base de datos bajo el tablespace indicado (tablas, secuencias…).

Un objeto en base de datos debe estar almacenado obligatoriamente dentro de un tablespace.

Las propiedades que se asocian a un tablespace son:

• Localización de los ficheros de datos.
• Especificación de máximas cuotas de consumo de disco.
• Control de la disponibilidad de los datos (en línea o fuera de línea).
• Backup de datos.

Cuando un objeto se crea dentro de un cierto tablespace, este objeto adquiere todas las propiedades antes descritas del tablespace utilizado.

En este esquema podemos ver que, por ejemplo, la tabla ARTICULO se almacena dentro del tablespace A, y que por lo tanto tendrá todas las propiedades del tablespace A que pueden ser:

• Sus ficheros de datos están en $ORACLE_HOME/datos/datos_tablespace_A
• Los objetos no pueden ocupar más de 10Mb de espacio de base de datos.
• En cualquier momento se puede poner fuera de línea todos los objeto de un cierto tablespace. -Se pueden hacer copiar de seguridad sólo de ciertos tablespaces.

Si nos fijamos, se puede apreciar que es posible tener una tabla en un tablespace, y los índices de esa tabla en otro. Esto es debido a que los índices no son más que objetos independientes dentro de la base de datos, como lo son las tablas. Y al ser objetos independientes, pueden ir en tablespaces independientes. El tablespace SYSTEM es uno de los que se crear por defecto en todas las bases de datos Oracle. En él se almacenan todos los datos de sistema, el catálogo y todo el código fuente y compilado de procedimientos PL/SQL. También es posible utilizar el mismo tablespace para guardar datos de usuario. En el esquema también vemos que hay un tablespace Temporal (en gris oscuro). Este representa las propiedades que tendrán los objetos que la base de datos cree temporalmente para sus cálculos internos (normalmente para ordenaciones y agrupaciones). Su creación difiere en una de sus cláusulas de creación. El tablespace RO (en gris claro) difiere de los demás en que es de solo lectura (Read Only), y que por lo tanto todos los objetos en él contenidos pueden recibir órdenes de consulta de datos, pero no de modificación de datos. Estos puede residir en soportes de sólo lectura, como pueden ser CDROMs, DVDs, etc. Cuando se crea un tablespace, éste se crea de lectura/escritura. Después se puede modificar para que sea de solo lectura. Un tablespace puede estar en línea o fuera de ella (Online o OffLine), esto es que todos los objetos contenidos en él están a disposición de los usuarios o están inhabilitados para restringir su uso. Cualquier objeto almacenado dentro de un tablespace no podrá ser accedido si este está fuera de línea.

Concepto de Datafile (fichero de datos)

Un datafile es la representación física de un tablespace. Son los "ficheros de datos" donde se almacena la información físicamente. Un datafile puede tener cualquier nombre y extensión (siempre dentro de las limitaciones del sistema operativo), y puede estar localizado en cualquier directorio del disco duro, aunque su localización típica suele ser $ORACLE_HOME/Database. Un datafile tiene un tamaño predefinido en su creación (por ejemplo 100Mb) y este puede ser alterado en cualquier momento. Cuando creemos un datafile, este ocupará tanto espacio en disco como hayamos indicado en su creación, aunque internamente esté vacío. Oracle hace esto para reservar espacio continuo en disco y evitar así la fragmentación. Conforme se vayan creando objetos en ese tablespace, se irá ocupando el espacio que creó inicialmente.

Un datafile está asociado a un solo tablespace y, a su vez, un tablespace está asociado a uno o varios datafiles. Es decir, la relación lógica entre tablespaces y datafiles es de 1-N, maestro-detalle.

En el esquema podemos ver como el “Tablespace A” está compuesto (físicamente) por tres datafiles (DATOS_1.ORA, DATOS_2.ORA y DATOS_3.ORA). Estos tres datafiles son los ficheros físicos que soportan los objetos contenidos dentro del tablespace A. Aunque siempre se dice que los objetos están dentro del tablespace, en realidad las tablas están dentro del datafile, pero tienen la propiedades asociadas al tablespace.

Cada uno de los datafiles utilizados está ocupando su tamaño en disco (50 Mb los dos primeros y 25 Mb el último) aunque en realidad sólo contengan dos objetos y estos objetos no llenen el espacio que está asignado para los datafiles.

Los datafiles tienen una propiedad llamada AUTOEXTEND, que se si está activa, se encarga de que el datafile crezca automáticamente (según un tamaño indicado) cada vez que se necesite espacio y no exista. Al igual que los tablespaces, los datafiles también puede estar en línea o fuera de ella.

Concepto de Segment (segmento, trozo, sección)

Un segment es aquel espacio reservado por la base de datos, dentro de un datafile, para ser utilizado por un solo objeto. Así una tabla (o cualquier otro objeto) está dentro de su segmento, y nunca podrá salir de él, ya que si la tabla crece, el segmento también crece con ella. Físicamente, todo objeto en base de datos no es más que un segmento (segmento, trozo, sección) dentro de un datafile. Se puede decir que, un segmento es a un objeto de base de datos, lo que un datafile a un tablespace: el segmento es la representación física del objeto en base de datos (el objeto no es más que una definición lógica).

Podemos ver cómo el espacio que realmente se ocupa dentro del datafile es el segment y que cada segmento pertenece a un objeto.

Existen cuatro tipos de segmentos (principalmente):

• Segmentos de TABLE: aquellos que contienen tablas
• Segmentos de INDEX: aquellos que contienen índices
• Segmentos de ROLLBACK: aquellos se usan para almacenar información de la transacción activa.
• Segmentos TEMPORALES: aquellos que se usan para realizar operaciones temporales que no pueden realizarse en memoria, tales como ordenaciones o agrupaciones de conjuntos grandes de datos.

Concepto de Extent (extensión)

Para cualquier objeto de base de datos que tenga cierta ocupación en disco, es decir, cualquier objeto que tenga un segment relacionado, existe el concepto de extent. Extent es un espacio de disco que se reserva de una sola vez, un segmento que se reserva en un momento determinado de tiempo. El concepto de extent es un concepto físico, unos están separados de otros dentro del disco. Ya dijimos que todo objeto tiene su segmento asociado, pero lo que no dijimos es que este segmento, a su vez, se compone de distintas extensiones. Un segmento, puede ser reservado de una sola vez (10 Mb de golpe), o de varias veces (5 Mb hoy y 5 Mb mañana). Cada una de las veces que se reserva espacio se denomina “extensión”.

En el esquema vemos como el objeto (tabla) FACTURA tiene un segmento en el datafile A-1, y este segmento está compuesto de 3 extensiones. Una de estas extensiones tiene un color distinto. Esto es porque existen dos tipos de extensiones:

• INITIAL (extensiones iniciales): estas son las extensiones que se reservan durante la creación del objeto. Una vez que un objeto está creado, no se puede modificar su extensión inicial.

• NEXT (siguientes o subsiguientes extensiones): toda extensión reservada después de la creación del objeto. Si el INITIAL EXTENT de una tabla está llena y se está intentando insertar más filas, se intentará crear un NEXT EXTENT (siempre y cuando el datafile tenga espacio libre y tengamos cuota de ocupación suficiente).

Sabiendo que las extensiones se crean en momentos distintos de tiempo, es lógico pensar que unas extensiones pueden estar fragmentadas de otras. Un objeto de base de datos no reside todo junto dentro del bloque, sino que residirá en tantos bloque como extensiones tenga. Por eso es crítico definir un buen tamaño de extensión inicial, ya que, si es lo suficientemente grande, el objeto nunca estará fragmentado.

Si el objeto tiene muchas extensiones y éstas están muy separadas en disco, las consultas pueden retardarse considerablemente, ya que las cabezas lectoras tienes que dar saltos constantemente.

El tamaño de las extensiones (tanto las INITIAL como las NEXT), se definen durante la creación del objeto y no puede ser modificado después de la creación. Oracle recomienda que el tamaño del INITIAL EXTENT sea igual al tamaño del NEXT EXTENT.

La mejor solución es calcular el tamaño que tendrá el objeto (tabla o índice), multiplicando el tamaño de cada fila por una estimación del número de filas. Cuando hemos hecho este cálculo, debemos utilizar este tamaño como extensión INITIAL y NEXT, y tendremos prácticamente la certeza de que no se va a producir fragmentación en ese objeto. En caso de detectar más de 10 extensiones en un objeto (consultando el catálogo de Oracle, como veremos), debemos recrear el objeto desde cero (aplicando el cálculo anterior) e importar de nuevo los datos.

Ciertas operaciones, necesitan de espacio en disco para poder realizarse. El espacio reservado se denomina “segmentos temporales”. Se pueden crear segmentos temporales cuando:

• Se crea un índice
• Se utiliza ORDER BY, DISTINTC o GROUP BY en un SELECT.
• Se utilizan los operadores UNION, INTERSECT o MINUS.
• Se utilizan joins entre tablas.
• Se utilizan subconsultas.

Concepto de Data block (bloque de datos)

Un data block es el último eslabón dentro de la cadena de almacenamiento. El concepto de Data block es un concepto físico, ya que representa la mínima unidad de almacenamiento que es capaz de manejar Oracle. Igual que la mínima unidad de almacenamiento de un disco duro es la unidad de asignación, la mínima unidad de almacenamiento de Oracle es el data block. En un disco duro no es posible que un fichero pequeño ocupe menos de lo que indique la unidad de asignación, así si la unidad de asignación es de 4 Kb, un fichero que ocupe 1 Kb, en realidad ocupa 4 Kb.

Siguiendo con la cadena, cada segmento (o cada extensión) se almacena en uno o varios bloques de datos, dependiendo del tamaño definido para el extensión, y del tamaño definido para el data block.

(*) Espacio ocupado en el data block por la primera NEXT EXTENSION. (#) Espacio ocupado en unidades de asignación del sistema operativo por los data blocks anteriores.

El esquema muestra toda la cadena de almacenamiento de Oracle.

Desde el nivel más físico al más lógico:

• Unidades de asignación del sistema operativo (El más físico. No depende de Oracle)
• Data blocks de Oracle
• Extents
• Segments
• DataFiles
• Tablespaces (El más lógico)

El tamaño de las unidades de asignación del sistema operativo se define durante el particionado del disco duro (FDISK, FIPS…), y el espacio de los data blocks de Oracle se define durante la instalación y no puede ser cambiado.

Como es lógico, el tamaño de un data block tiene que ser múltiplo del tamaño de una unidad de asignación, es decir, si cada unidad de asignación ocupa 4 K, los data blocks pueden ser de 4K, 8K, 12K… para que en el sistema operativo ocupen 1, 2, 3… unidades de asignación.

Esquema extraído del Oracle8 Concepts

Estructuras de memoria

Todas las estructura que hemos visto se refieren a cómo se almacenan los datos en el disco. Sin embargo, y como es lógico, Oracle también utiliza la memoria del servidor para su funcionamiento. Oracle utiliza dos tipos de memoria

• Memoria local y privada para cada uno de los procesos: PGA (Process Global Area o Program Global Area).

• Memoria común y compartida por todos los procesos SGA (System Global Area o Shared Global Area).

Cada vez que se conecta un cliente al servidor, se ejecuta un subproceso que atenderá sus peticiones (a través del fork en Unix o con CreateThread en el mundo Windows), y este subproceso creará un nuevo bloque de memoria de tipo PGA. El tamaño de este bloque de memoria dependerá del sistema operativo, y permanece invariable, aunque se puede configurar cambiando el valor de la variable SORT_AREA_SIZE del archivo de inicialización INIT.ORA.

Por cada instancia de base de datos, tendremos una zona de memoria global, el SGA, donde se almacenan aquellos datos y estructuras que deben se compartidos entre distintos procesos de la base de datos, como los procesos propios de Oracle y cada uno de los subprocesos que gestionan la conexión. El tamaño del SGA es uno de los puntos más críticos a la hora de mejorar el rendimiento de una base de datos, ya que, cuanto mayor memoria se reserve (mientras no sea memoria virtual), más rápidas se realizarán ciertas operaciones. Por ejemplo, las ordenaciones (una de las operaciones que más rápido deben hacerse) se realizan en el SGA si hay espacio suficiente. En caso contrario, se realizarán directamente en el disco, utilizando segmentos temporales.

El SGA se divide en cuatro grandes zonas:

• Database buffer cache: almacena los bloques que se han leído de los datafiles. Cada vez que es necesario acceder a un bloque, se busca el bloque en esta zona, y en caso de no existir, se lee de nuevo del datafile correspondiente. Cuantos más bloques quepan en esta zona de memoria, mejor será el rendimiento.
• SQL Area: es la zona de memoria se almacenan compiladas las últimas sentencias SQL (y bloques PL/SQL) ejecutadas. Además se almacenan las variables acopladas (bind), el árbol de parsing, los buffer de ejecución y el plan de ejecución. Es importante que siempre que se utilice la misma sentencia, sea exactamente igual, para poder aprovechar sentencias previas almacenadas en el SQL Area. Es decir, las siguientes sentencias:

“SELECT * FROM TABLA”

“select * from tabla” “SELECT * FROM TABLA” “SELECT * FROM tabla”

Se consideran distintas y no se aprovecha el SQL Area. Debe coincidir el texto exactamente, considerando mayúsculas y minúsculas, espacios, retornos de carro, nombre de parámetros, etc. Esto es debido a que se buscan dentro del SQL Area utilizando un hash de la sentencia, y un simple espacio (o cambiar una letra a mayúsculas) hace que el hash resultante sea distinto, por lo que no encontrará la sentencia dentro del SQL Area. Cuanto mayor sea el espacio del SQL Area, se realizarán menos compilaciones, planes de ejecución y análisis léxicos, por lo que la ejecución de las consultas será más rápida.

• Redo cache: almacena los registros de redo de las últimas operaciones realizadas. Estos registros se almacenan en los archivos de redo, que sirven para recomponer la base de datos en caso de error.
• Dictionary cache: almacena datos del diccionario de Oracle, para utilizarlos en los planes de ejecución, optimización de consultas, etc. Cuantos más datos quepan en esta zona, mayor probabilidad habrá de que el dato que necesitamos ya esté en memoria, y no sea necesario acceder a las tablas del diccionario para leerlo.

Archivos de inicialización

Además de estructuras de disco y de memoria, un servidor Oracle necesita ciertos archivos para poder ejecutarse. Estos archivos se establecen durante la creación de la base de datos, y se consultarán cada vez que se arranque la base de datos, por lo que deben estar disponibles. Básicamente podemos diferencias los tipos de archivos:

• Control files: son archivos de control que se consultan cada vez que se arranca la base de datos. Indica datos como la localización de los datafiles, nombre de la base de datos.
• Init file: es el archivo que contiene los parámetro de inicio de la base de datos (tamaño del bloque, tamaño del SGA, etc.). Normalmente tiene el nombre INIT.ORA
• Redo logs: estos archivos contienen un historial de todas las instrucciones que han sido lanzadas a la base de datos, para poder recuperarla en caso de fallo. No se utilizan durante la inicialización, sino durante toda la ejecución de la base de datos.