Oracle SCN系列

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前言部分

导读和注意事项

各位技术爱好者,看完本文后,你可以掌握如下的技能,也可以学到一些其它你所不知道的知识,\~O(∩_∩)O\~:

① Oracle中的SCN是什么?(重点)

② 如何查询SCN?(重点)

③ SCN有哪些分类?(重点)

④ SCN和系统恢复的关系?(重点)

④ 实例恢复和介质恢复的区别是什么?RAC中的实例恢复是什么样的?(重点)

⑥ SCN和时间的转换

⑦ SMON_SCN_TIME系统表的认识

⑧ 不完全恢复的一些分类及其写法

Oracle SCN

简介

SCN(System Change Number,系统改变号)是一个由系统内部维护的序列号。当系统需要更新的时候自动增加,它是系统中维持数据的一致性和顺序恢复的重要标志,是数据库非常重要的一种数据结构。SCN的最大值是0xffff.ffffffff。在数据库中SCN作为一种时钟机制来标记数据库动作,比如当事务的发生,数据库会用一个SCN来标记它。同时这个SCN在数据库全局也是唯一的,它随时间的增长而增长除非重建数据库。

在数据库中,SCN可以说是无处不在,数据文件头,控制文件,数据块头,日志文件等等都标记着SCN。也正是这样,数据库的一致性维护和SCN密切相关。不管是数据的备份,恢复都是离不开SCN的。

官方文档

A system change number (SCN) is a logical, internal time stamp used by Oracle Database. SCNs order events that occur within the database, which is necessary to satisfy the ACID properties of a transaction. Oracle Database uses SCNs to mark the SCN before which all changes are known to be on disk so that recovery avoids applying unnecessary redo. The database also uses SCNs to mark the point at which no redo exists for a set of data so that recovery can stop.

SCNs occur in a monotonically increasing sequence. Oracle Database can use an SCN like a clock because an observed SCN indicates a logical point in time and repeated observations return equal or greater values. If one event has a lower SCN than another event, then it occurred at an earlier time with respect to the database. Several events may share the same SCN, which means that they occurred at the same time with respect to the database.

Every transaction has an SCN. For example, if a transaction updates a row, then the database records the SCN at which this update occurred. Other modifications in this transaction have the same SCN. When a transaction commits, the database records an SCN for this commit.

Oracle Database increments SCNs in the system global area (SGA). When a transaction modifies data, the database writes a new SCN to the undo data segment assigned to the transaction. The log writer process then writes the commit record of the transaction immediately to the online redo log. The commit record has the unique SCN of the transaction. Oracle Database also uses SCNs as part of its instance recovery and media recovery mechanisms.

怎么理解这个“SCN(系统变更号)是供Oracle数据库使用的一个逻辑的、内部的时间戳”呢?要理解这个先需要理解Oracle中的事务(Transaction)和数据一致性(Data Consistency)的概念。

先说说数据一致性的概念。数据一致性指的是数据的可用性。比如说管理一个财务的系统,需要从A账户将100元转入到B账户,正常的操作是从A账户减去100元,然后给B账户加上100元,如果这两步操作都正常完成了,那我们可以说完成转账操作之后的数据是一致可用的;但是如果在操作的过程中出了问题,A账户的100元给减掉了,但是B账户却没有加上100元,这样的情况下产生的结果数据就有问题了,因为部分操作的失败导致了数据的不一致而不可用,在实际中肯定是要避免这种让数据不一致的情况发生的。在Oracle数据库中,保证数据一致性的方法就是事务。

事务是一个逻辑的、原子性的作业单元,通常由一个或者是多个SQL组成,一个事务里面的所有SQL操作要么全部失败回滚(Rollback),要么就是全部成功提交(Commit)。就像上面转账的例子,为保证数据的一致性,就需要将转账的两步操作放在一个事务里面,这样不管哪个操作失败了,都需要将所有已进行的操作回滚,以保证数据的可用性。进行事务管理是数据库区别于别的文件系统的一个最主要的特征,在数据库中事务最主要的作用就是保证了数据的一致性,每次事务的提交都是将数据库从一种一致性的状态带入到另外一种一致性的状态中,SCN就是用来对数据库的每个一致状态进行标记的,每当数据库进入到一个新的一致的状态,SCN就会加1,也就是每个提交操作之后,SCN都会增加。也许你会想为什么不直接记录事务提交时候的时间戳呢?这里面主要是涉及了两个问题,一个是时间戳记录的精度有限,再一个就是在分布式系统中记录时间戳会存在系统时钟同步的问题,详细的讨论可以查看Ordering Events in Oracle。

SCN在数据库中是一个单一的不断的随着数据库一致性状态的改变而自增的序列。正如一个时间戳代表着时间里面的某一个固定的时刻点一样,每一个SCN值也代表着数据库在运行当中的一个一致性的点,大的SCN值所对应的事务总是比小SCN值的事务发生的更晚。因此把SCN说成是Oracle数据库的逻辑时间戳是很恰当的。

SCN的分类

严格来说SCN是没有分类的,之所以会有不同类型的SCN并不是说这些SCN的概念不一样,而是说不同分类的SCN代表的意义不一样,不管什么时候SCN所指代的都是数据库的某个一致性的状态。就像我们给一天中的某个时间点定义上班时间、另外的某个时间点定义成下班时间一样,数据库Checkpoint发生点的SCN被称为Checkpoint SCN,仅此而已。

SCN可以分为4类,系统检查点SCN(System Checkpoint SCN)、文件检查点SCN(Datafile Checkpoint SCN)、开始SCN(Start SCN)和结束SCN(Stop SCN),参考如下表格:

2016-10-13_141312

查询4种SCN常用的SQL语句

文件检查点SCN (Datafile Checkpoint SCN)

可以看到4号文件也就是users表空间所属的文件scn值和其他文件不一致,且比系统检查点的scn要大。

Stop SCN

Stop scn记录在数据文件头上。当数据库处在打开状态时,stop scn被设成最大值0xffff.ffffffff。在数据库正常关闭过程中,stop scn被设置成当前系统的最大scn值。在数据库打开过程中,Oracle会比较各文件的stop scn和checkpoint scn,如果值不一致,表明数据库先前没有正常关闭,需要做恢复。

可以看到除了USERS表空间的结束SCN不为空,其他数据文件的结束SCN为空。

将数据库至于MOUNT状态,由于该状态下所有的数据文件都不可写,故MOUNT状态下所有的数据文件都具有结束SCN。

HIGH AND LOW SCN

ORACLE的REDO LOG会顺序纪录数据库的各个变化。一组REDO LOG文件写满后,会自动切换到下一组REDO LOG文件。则上一组REDO LOG的HIGH SCN就是下一组REDO LOG的LOW SCN。在CURRENT LOG中HIGH SCN为无穷大。

在视图V\$LOG_HISTORY中,SEQUENCE#代表REDO LOG的序列号,FIRST_CHANGE#表示当前REDO LOG的LOW SCN,列NEXT_CHANGE#表示当前REDO LOG的HIGH SCN。

可通过查询V\$LOG_HISTORY查看 LOW SCN和 HIGH SCN。

查看CURRNET REDO LOG中的HIGH SCN

查看转储文件的内容:

当前最新的数据库scn值可通过如下命令查看:

如果需要进行实例恢复,则需要恢复的记录为9069089至9069555中redo log中的记录。

SCN号于数据库的启动、关闭

Scn号与Oracle数据库恢复过程有着密切的关系,只有很好地理解了这层关系,才能深刻地理解恢复的原理。CKPT进程在checkpoint发生时,将当时的SCN号写入数据文件头和控制文件,同时通知DBWR进程将数据块写到数据文件。

CKPT进程也会在控制文件中记录RBA(redo block address),以标志Recovery需要从日志中哪个地方开始。

1.在数据库的启动过程中,当System Checkpoint SCN=Datafile Checkpoint SCN=Start SCN的时候,Oracle数据库是可以正常启动的,而不需要做任何的MEDIA RECOVERY。而如果三者当中有一个不同的话,则需要做MEDIA RECOVERY。Oracle在启动过程中首先检查是否需要MEDIA RECOVERY,然后再检查是否需要INSTANCE RECOVERY。

2.那什么时候需要做INSTANCE RECOVERY呢?其实在正常OPEN数据库的时候,Oracle会将记录在控制文件中的每一个数据文件头的End SCN都设置为#FFFFFF(NULL),那么如果数据库进行了正常关闭比如(shutdown or shutdown immediate)这个时候,系统会执行一个检查点,这个检查点会将控制文件中记录的各个数据文件头的End SCN更新为当前online数据文件的各个数据文件头的Start SCN,也就是End SCN=Start SCN,如果再次启动数据库的时候发现二者相等,则直接打开数据库,并再次将End SCN设置为#FFFFFF(NULL),那么如果数据库是异常关闭,那么CHECKPOINT就不会执行,因此再次打开数据库的时候End SCN\<>Start SCN这个时候就需要做实例恢复。如果数据库异常关闭的话,则END SCN号将为NULL.则需要做instance recovery。

为什么需要System checkpoint SCN号与Datafile Checkpoint SCN号

为什么ORACLE会在控制文件中记录System checkpoint SCN号的同时,还需要为每个数据文件记录Datafile Checkpoint SCN号?

原因有二:

1.对只读表空间,其数据文件的Datafile Checkpoint SCN、Start SCN和END SCN号均相同。这三个SCN在表空间处于只读期间都将被冻结。

2.如果控制文件不是当前的控制文件,则System checkpoint会小于Start SCN或END SCN号。记录这些SCN号,可以区分控制文件是否是当前的控制文件。

recover database using backup controlfile

当有一个Start SCN号超过了System Checkpoint SCN号时,则说明控制文件不是当前的控制文件,因此在做recover时需要采用using backup controlfile。这是为什么需要记录SystemCheckpoint SCN的原因之一。

这里需要一提的是,当重建控制文件的时候,System Checkpoint SCN为0,Datafile Checkpoint SCN的数据来自于Start SCN。根据上述的描述,此时需要采用using backup controlfile做recovery.

查看系统当前SCN

Oracle数据库提供了两种直接查看系统当前SCN的方法,一个是V\$DATABASE中的CURRENT_SCN列,另外一个就是通过DBMS_FLASHBACK.GET_SYSTEM_CHANGE_NUMBER得到。

一般情况下,SCN1和SCN2的结果一致,但在系统比较繁忙的时候可能SCN2比SCN1稍微大一点,比如大1。

在oracle 9i中要麻烦些,V\$DATABASE视图中没有CURRENT_SCN这列,只有通过查询X\$KTUXE视图来得到。

SCN与时间的相互转换(SCN_TO_TIMESTAMP与TIMESTAMP_TO_SCN)

Oracle 10g提供了两个新函数对于SCN和时间戳进行相互转换,这两个函数是SCN_TO_TIMESTAMP、TIMESTAMP_TO_SCN,通过对SCN和时间戳进行转换,Oracle极大地方便了很多备份和恢复过程。

一个SCN值总是发生在某一个特定的时刻的,只不过由于粒度的不一样,通常会存在多个SCN对应同一个时间戳。Oracle中提供了两个函数以供我们进行SCN和时间的互换:

  • SCN_TO_TIMESTAMP(scn_number) 将SCN转换成时间戳。
  • TIMESTAMP_TO_SCN(timestamp) 将时间戳转换成SCN。

通过这两个函数,最终Oracle将SCN和时间的关系建立起来,在Oracle 10g之前,是没有办法通过函数转换得到SCN和时间的对应关系的,一般可以通过logmnr分析日志获得。但是这种转换要依赖于数据库内部的数据记录(SMON_SCN_TIME),对于久远的SCN则不能转换,请看以下举例:

从上面的例子可以看出Oracle能够转换的最小SCN也就是SMON_SCN_TIME.scn的最小值。

对于时间到SCN的转换,Oracle只能定位到3秒以内,3秒内的时间都被转换成同一个SCN:

SMON_SCN_TIME

Oracle SCN系列

Oracle 在内部都是使用scn,即使你指定的是as of timestamp,oracle 也会将其转换成scn,系统时间标记与scn 之间存在一张表,即SYS下的SMON_SCN_TIME。

每隔5分钟,系统产生一次系统时间标记与scn的匹配并存入sys.smon_scn_time 表,该表中记录了最近1440个系统时间标记与scn的匹配记录,由于该表只维护了最近的1440条记录,因此如果使用as of timestamp的方式则只能flashback最近5天内的数据(假设系统是在持续不断运行并无中断或关机重启之类操作的话)。

查看SCN 和 timestamp 之间的对应关系:

Oracle SCN系列

有关表SMON_SCN_TIME的更多内容可以参考我的BLOG:http://blog.itpub.net/26736162/viewspace-2126291/,David大神写的,非常全面,我就不画蛇添足了

实例恢复(INSTANCE RECOVERY)和介质恢复(MEDIA RECOVERY)

REDO LOG是Oracle为确保已经提交的事务不会丢失而建立的一个机制。实际上REDO LOG的存在是为两种场景准备的,一种我们称之为实例恢复(INSTANCE RECOVERY),一种我们称之为介质恢复(MEDIA RECOVERY)。

REDO LOG的数据是按照THREAD来组织的,对于单实例系统来说,只有一个THREAD,对于RAC系统来说,可能存在多个THREAD,每个数据库实例拥有一组独立的REDO LOG文件,拥有独立的LOG BUFFER,某个实例的变化会被独立的记录到一个THREAD的REDO LOG文件中。

实例恢复

对于单实例的系统,实例恢复一般是在数据库实例异常故障后数据库重启时进行,当数据库执行了SHUTDOWN ABORT或者由于操作系统、主机等原因宕机重启后,在执行ALTER DATABASE OPEN的时候,就会自动做实例恢复。而在RAC环境中,如果某个实例宕机了,那么剩下的实例将会代替宕掉的实例做实例恢复。除非是所有的实例都宕机了,这样的话,第一个执行ALTER DATABASE OPEN的实例将会做实例恢复。这也是在RAC环境中,REDO LOG是实例私有的组件,但是REDO LOG的文件必须存放在共享存储上的原因。

RAC中的实例恢复

一个单实例数据库或者RAC数据库所有实例失败之后,第一个打开数据库的实例会自动执行实例恢复。这种形式的实例恢复称为Crash恢复。一个RAC数据库的一部分但不是所有实例失败后,在RAC中幸存的实例自动执行失败实例的恢复称为实例恢复。一般而言,在崩溃或关机退出之后第一个打开数据库的实例将自动执行崩溃恢复。

根据Crash恢复和实例恢复的不同,由幸存实例或者第一个重启的实例读取失败实例生成的联机Redo日志和UNDO表空间数据,使用这些信息确保只有已提交的事务被写到数据库中,回滚在失败时候活动的事务,并释放事务使用的资源。

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abort掉实例1后:

实例一的告警日志:

实例二的告警日志:

介质恢复

介质恢复是基于物理备份恢复数据,它是Oracle数据库出现介质故障时恢复的重要保障。介质恢复包括块恢复、数据文件恢复、表空间恢复和整个数据库的恢复。介质恢复主要是针对错误类型中的介质失败,如果是少量的块失败,那么可以使用介质恢复中的块恢复来快速修复;但如果是其它情况的丢失,那么需要根据具体情况,可使用数据文件恢复、表空间恢复甚至全库恢复,可以参考如下的表格:

错误分类恢复解决方案
介质失败如果是少量的块损坏,使用块介质恢复;如果是大量的块、数据文件、表空间的损坏,可能需要对损坏的数据文件或者表空间执行完全恢复;如果是归档REDO日志文件或者联机REDO日志文件的丢失,那么只需要不完全恢复方式。
逻辑损坏如果是程序员错误导致出现的问题,可通过补丁应用修复问题。对于无法修复的问题,也可采用介质恢复手段来恢复数据。
用户错误根据不同用户错误,选择不同的FLASHBACK技术恢复,使用FLASHBACK技术恢复用户错误是首选方案。如果FLASHBACK不能很好的恢复数据再考虑使用介质恢复或者表空间时间点恢复。

Oracle数据库的介质恢复实际上包含了两个过程:数据库还原(RESTORE)与数据库恢复(RECOVER)。

数据库还原(RESTORE)是指利用备份的数据库文件来替换已经损坏的数据库文件或者将其恢复到一个新的位置。RMAN在进行还原操作时,会利用恢复目录(有建立恢复目录的话就使用目标数据库的控制文件)来获取备份信息,并从中选择最合适的备份进行修复操作。选择备份时有两个原则:1、选择距离恢复目录时刻最近;2、优先选择镜像复制,其次才是备份集。

数据库恢复(RECOVER)是指数据文件的介质恢复,即为修复后的数据文件应用联机或归档日志,从而将修复的数据库文件更新到当前时刻或指定时刻下的状态。在执行恢复数据库时,需要使用RECOVER命令。

还原是将某个时间点数据文件的拷贝再拷贝回去,还原后的数据库处于不一致性的状态,或不是最新的状态,还需要执行恢复操作。恢复就是使用归档REDO日志文件和联机REDO日志文件将不一致的数据库应用到一致性状态。

需要注意的是,还原只是建立在数据库备份的基础版本上,例如,如果数据库备份包括0级备份和很多1级备份,还原只是应用0级备份,恢复过程会根据情况自动应用1级备份或REDO日志将数据库恢复到一致性的状态。

数据库的恢复过程根据恢复数据的程度又分为完全恢复(Complete Recovery)和不完全恢复(Incomplete Recovery)。

完全恢复是一种没有数据丢失的恢复方式,能够恢复到最新的联机REDO日志中已提交的数据。在传统恢复方式中,因介质失败破坏了数据文件之后,可以在数据库、表空间和数据文件上执行完全介质恢复。

不完全恢复是一种与完全恢复相反的恢复方式,是一种丢失数据的恢复方式,也称为数据库基于时间点恢复(Point-in-Time Recovery),是将整个数据库恢复到之前的某个时间点、日志序列号或者SCN号。通常情况下,若FLASHBACK DATABASE没有启用或者变得无效,可以执行不完全恢复撤销一个用户错误。不完全恢复不一定在原有的数据库环境执行,可以在测试环境下执行不完全恢复,将找回的数据再重新导入生产库中。不完全恢复根据备份情况恢复到与指定时间、日志序列号和SCN具有一致性的数据,之后的数据都将丢失。执行不完全恢复一方面是因为归档REDO日志、联机REDO日志的丢失不得不执行不完全恢复,另一方面可能是因为在某个时刻错误地操作了数据,过了一段时间之后才发现问题,而其它的恢复手段都无法恢复数据,这时也不得不使用不完全恢复来找回数据。执行不完全恢复必须从备份中还原所有的数据文件,备份文件必须是要恢复的时间点之前创建的。当恢复完成,使用RESTLOGS选项打开数据库,将重新初始化联机Redo日志,创建一个新的日志序列号流,日志序列号从1开始,RESETLOGS之后的SCN还是在递增。

如果是完全恢复,那么数据库就是最新的一致性状态;如果是不完全恢复,那么数据库是非最新的一致性状态。对于非归档模式的数据库来说,不能执行不完全恢复。

不完全恢复的选项如下表所示:

不完全恢复方式RMAN选项用户管理备份选项
恢复到某个时间点UNTIL TIMEUNTIL TIME
恢复到某个日志序列号UNTIL SUQUENCEUNTIL CANCEL
恢复到某个SCN号UNTIL SCNUNTIL CHANGE

不完全恢复的几种类型如下表所示:

Oracle SCN系列

综上所述,恢复的分类大致可以如下图所示的分类(注意:下图也是小麦苗即将出版的书上的一个表格,现在提前分享给大家):

实例恢复和介质恢复的区别

Oracle SCN系列

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学习或考证,均可联系麦老师,请加微信db_bao或QQ646634621

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