摘 要： Oracle数据库是当前使用最为广泛的大型数据库之一。共享池存储数据库所运行的可执行程序代码和相关数据字典提供，是Oracle数据库体系中最复杂的内存组件之一。由于缺乏对共享池内部运行机制的了解，当数据库在运行过程中显示共享池中空闲空间较多，报ORA?4031错误提示共享池空间不足时，往往束手无策。通过导出Oracle数据库共享池的内存数据的方法，总结并分析共享池空间管理的内部管理机制，找到空闲空间较多而报ORA?4031错误的原因，给出了错误检测方法和相对应的解决方法。
关键词： 共享池； 空间管理； 调优； Oracle数据库
中图分类号： TN919?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0069?04
0 引 言
内存管理是Oracle数据库体系结构中重要的组成部分，也是Oracle数据库性能优化的主要方面。共享池是Oracle数据库内存管理中最重要的组件之一，如果不了解共享池空间内部管理机制，就不能指导应用开发人员设计出高效的SQL语句，也不能设置正确解决ORA?0431问题。有些DBA当发现共享池出现性能问题时，只简单的把共享池设置的非常“大”。而共享池过大或过小都会降低性能，严重的情况下还会挂起数据库。因此，研究Oracle数据库共享池空间内部管理机制对于共享池调优是非常必要的。
1 共享池组成
共享池是SGA的一部分，用于缓存不同类型的程序数据，例如编译的SQL和PL/SQL代码、系统参数、数据字典等，包含Library Cache，Data Dictionary Cache，Reservered Pool，Server Result Cache等组件[1]。从10gR2版本之后，Oracle将共享池的组件分的更加详细，很多组件大小是固定的，并且在实例启动时就已经分配好空间。
使用V$SGASTAT视图查看共享池所包含的组件和各组件的大小：
尽管随着版本的发展，共享池提供更多的服务功能。功能越多，空间管理复杂度就越高。只有清楚共享池空间管理内部机制，才能理解空间不足报错的原因，进而真正解决问题，而不是一味地增加共享池的空间。
2 共享池结构
2.1 子池
为了避免shared pool latch竞争，从9i开始引入了共享池子池（Shared Pool Sub?pool），每个子池都有freelist和LRU list，这样减少了很多竞争。通过下面因素自动确定子池的个数：
每4颗CPU对应一个子池；
每个子池至少512 MB（10g以后的版本）；
最多可以有7个子池。
可以通过查询X$KGHLU视图，查看子池个数。在11g中，Oracle又把每个子池分为4个子子池（sub?sub?pool），也叫Duration。根据不同类型的请求在相应Duration中分配空间，每个Duration由若干个extent（extent等于SGA基本单位granule）组成。使用下面的语句可以将共享池的结构导出到跟踪文件中：
Oradebug setmyid
Oradebug dump heapdump 2
跟踪文件显示结果为：
HEAP DUMP heap name="sga heap（1，0）" desc=380050c30
EXTENT 0 addr=3ae400000
EXTENT 1 addr=3ae800000
………………
HEAP DUMP heap name="sga heap（1，1）" desc=380052488
EXTENT 0 addr=3a5000000
EXTENT 1 addr=3a8000000
………………
sga heap（1，0）代表sub?pool 1的Duration 0，sga heap（1，1）代表sub?pool 1的Duration 1。Duaration地址空间是连续的，是granule的倍数。由此可以得到共享池中子池的结构图，如图2所示。
Duration 1缓存Data Dictionary Cache；Duration 2缓存游标的Heap 0；Duration 3缓存游标的执行计划；Duration 0比其他Duration都大，主要用户缓存数据库启动时所需缓存的固定组件，也会为其分配足够的extents，当其他Duration空间不足时，会从此Duration向其他Duration动态分配extent。每个Duration的大小会根据数据库负载动态调整，当Duration空闲空间不足时，可以向Duration 0申请。
2.2 Chunk
Extent是SGA向共享池分配内存空间的基本单位，而Chunk是共享池向申请者分配内存空间的基本单位Extent结构如图3所示。Chunk包括header和body，header存储Chunk的描述性信息，body存储Chunk数据。从跟踪文件中可以看到Chunk header的内容：
EXTENT 1 addr=3a8000000
Chunk 3a8000058 sz=48 R?freeable "reserved stoppe"
Chunk 3a8000088 sz=212808 R?free " "
Chunk 3a8033fd0 sz=48 R?freeable "reserved stoppe"
Chunk 3a8034000 sz=184 freeable "KGLOB "
Chunk 3a80340b8 sz=160 freeable "KGLOB "
Chunk 3a8034158 sz=64 free " "
Chunk 3a8034198 sz=160 freeable "KGLOB "
…………………………
Chunk header包含下面信息：
第1列：Chunk标记；
第2列：Chunk的起始地址；
第3列：Chunk大小；
第4列：Chunk类型；
第5列：Chunk注释，Chunk的用途。
3 换入和换出
共享池的换入和换出由FREE List和LRU List两个数据结构管理，每个Duration都有自己的FREE List，而每个子池有一个LRU List。因此，较10g版本之前，减少了对两个数据结构的竞争。Chunk分为permanent、recreatable、freeable和free四种类型，作用分别是：
Permanent：包含永久的对象，比如链表、hash表，不能被释放。
Recreatable：缓存程序数据，可以被交换出内存。
Freeable：不能单独使用，分配完recreatable类型Chunk之后，再次申请空间，将分配此类型Chunk。所对应的recreatable类型Chunk交换出内存之后，此类型Chunk也会交换出内存；否则，不会单独交换出内存。
Free：空闲Chunk。
3.1 FREE List
管理Free类型Chunk的数据结构。根据应用的类型，在不同Duration的FREE List中申请空闲空间。下面是跟踪文件中的一个Duration的FREE List结构：
FREE LISTS：
Bucket 0 size=32
Chunk 3adc00078 sz= 0 kghdsx
Bucket 1 size=40
Chunk 3a79d0f00 sz= 40 free
Chunk 3a6d5ad00 sz= 40 free
Bucket 2 size=48
…………………………
Bucket 6 size=80
Chunk 3a2d1ff78 sz= 80 free
…………………………
共享池功能较为复杂，应用在申请空闲空间时，申请的空间大小不固定。因此，在每个FREE List中按照空闲空间的大小，使用bucket将相应大小的空闲Chunk连接起来，共有255个bucket。如上面的FREE LIST所示，bucket 0代表所管理的空间为32～39 B的Chunk；如果Chunk超过65 560 B，将连接到bucket 254上。Free List结构如图4所示。
共享池空间分配算法：
（1） 搜索bucket列表，查找与申请空间大小相匹配的bucket n。
（2） 如果在bucket n中有空闲Chunk，并且“Chunk size – 申请空间”小于32 B，执行步骤（5）；如果“Chunk size – 申请空间”大于32 B，执行（3）；否则，执行（4）。
（3） 将“Chunk size – 申请空间”的剩余空间挂到相应的bucket中，执行步骤（5）。
（4） 如果bucket n中没有相应空间，执行换出算法；再次执行步骤（1），如果还没有分配到合适的Chunk，将报ORA?4031错误，异常退出。
（5） 将此Chunk分配给申请者，并正常退出。
3.2 LRU List
管理Creatable类型Chunk的数据结构，LRU的管理在子池级别上，LRU结构在子池的Duration 0中。下面是跟踪文件中LRU List结构：
UNPINNED RECREATABLE CHUNKS （lru first）：
Chunk 3aad1db10 sz= 4096 recreate
"SQLA^27baa630 " latch=0
Chunk 3ab52bc30 sz= 4096 recreate
"CCUR^27baa630 " latch=0
Chunk 3ad1d3968 sz= 528 recreate
"KGLHD " latch=0
Chunk 3aad1fb10 sz= 4096 recreate
"SQLA^d55d9a7 " latch=0
Chunk 3ab52ec30 sz= 4096 recreate
"CCUR^d55d9a7 " latch=0
Chunk 3aae808c8 sz= 4096 recreate
"SQLA^c5417817 " latch=0
4 空间管理调优
在共享池空间管理中，最主要的错误就是ORA?4031。错误提示一般为：ORA?04031： "unable to allocate n bytes of shared memory （"shared pool"， "object_name"， "alloc type（2，0）" ...）。表示在subpool 2的Duration 0中分配所请求的N字节空间失败。
此时，可以查询V$SGASTAT视图，查看shared pool的free空间是否接近于0。查询语句是：select * from v$sgainfo where pool=′shared pool′ and name=′free memory′。
如果结果接近于0，表明分配给共享池的内存不足，需要增加内存。但是，更多时候结果显示有很多free空间，而仍然会报ORA?4031错误。主要有两个原因：共享池空闲空间碎片过多。有太多的碎片，当申请大空间Chunk时，每个碎片都不能满足应用请求空间分配的大小。即使从LRU List中释放Chunk也不能满足应用请求空间分配的大小。子池之间负载不均衡。有些子池空间耗尽，有些子池空闲空间较多。
4.1 共享池空闲空间碎片过多
4.1.1 测试方法
执行下面的查询检测空闲空间的碎片情况：
select ′sga heap（′||KSMCHIDX||′，0）′ sga_heap，
ksmchcom ChunkComment，
decode（round（ksmchsiz/1000），0，′0?1K′， 1，′1?2K′， 2，′2?3K′，
3，′3?4K′，4，′4?5K′，5，′5?6k′，6，′6?7k′，7，′7?8k′，8，′8?9k′， 9，′9?10k′，′> 10K′） Size，
count（*），
ksmchcls Status，
sum（ksmchsiz） Bytes
from x$ksmsp
where KSMCHCOM = ′free memory′
group by ′sga heap（′||KSMCHIDX||′，0）′， ksmchcom， ksmchcls，
decode（round（ksmchsiz/1000），0，′0?1K′， 1，′1?2K′， 2，′2?3K′，
3，′3?4K′，4，′4?5K′，5，′5?6k′，6，′6?7k′，7，′7?8k′，8，′8?9k′， 9，′9?10k′，′> 10K′）；
如果1～4 KB的空闲空间数量较多，5 KB以上的空闲空间数量较少，说明共享池空闲空间碎片较多。共享池中会话之间游标不能共享，子游标较多，是造成此现象的主要原因。
4.1.2 解决方法
（1） 修改初始化参数SHARED_POOL_RESERVED_SIZE，此参数默认为5%，可以适当增大；
（2） 将初始化参数CURSOR_SHARING设置为EXACT，不能设置为SIMILAR或FORCE；
（3） 修改应用系统中的查询语句，尽量多的使用绑定变量。
4.2 子池负载不均衡
共享池中有多个子池，Oracle将进程分配到某个子池中，由于此子池中没有多于空闲空间，分配空间操作失败。虽然其他子池有很多空闲空间，也不会响应该进程的空间分配请求。当确定共享池空闲空间较多，并且碎片较少时，可以确定子池负载不均衡。每个进程都会存储大量的动态初始化参数设定。在数据库启动时，将进程分配到每个子池中。当PROCESSES参数值较大（允许连接数据库的进程较多），而实际的并发量不大，实际连接到数据库的进程分配的子池不均衡，会出现此现象。
可以通过下面的方法解决：
（1） 将初始化参数PROCESSES改小；
（2） 修改隐含参数_kghdsidx_count，适当增加子池数量。
参考文献
[1] CYRAN Michele. Oracle database concepts 10 g release 2 （10.2） [EB/OL]. [2014?07?09]. http：//docs.Oracle.com/cd/E11882_01/server.112/e25789/memory.htm#CNCPT1226.
[2] BANSAL Amit. Simplified approach to resolve ORA?4031[EB/OL]. [2008?07?21]. http：//askdba.org/weblog/2008/04/application?design?and?ora?4031.
[3] LEWIS Jonathan. Oracle core essential internals for DBA and developers [M]. [S.l.]： Springer Science+Business Media， 2011.
[4] SHAMSUDEEN Riyaj. A stroll through shared pool heaps [EB/OL]. [2009?01?15]. http：//orainternals.wordpress.com/2009/01/15/a?stroll?through?shared?pool?heaps.
[5] GREEN Russell. Understanding shared pool memory structures [EB/OL]. [2005?09?22]. http：//docs.Oracle.com.
[6] PODER Tanel. ORA?04031 errors and monitoring shared pool subpool memory utilization with Sgastatx SQL [EB/OL]. [2009?06?04]. http：//www.blog.tanelpoder.com.
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