DB 버퍼 캐시

이미지출처

• 사용자가 입력한 데이터를 데이터 파일에 저장한 뒤 다시 읽는 과정에서 거쳐가는 캐시영역이다.
• 최근에 사용한 블록에 대한 정보를 저장하는 메모리의 일정 영역으로 물리적인 I/O를 최소화한다.

블록단위 I/O

• 메모리 버퍼 캐시에서 버퍼 블록을 액세스 할때
• 데이터파일에 저장된 데이터 블록을 DB 버퍼 캐시로 적재할때
• 캐시에서 변경된 블록을 다시 데이터파일에 저장할 때
• 옵티마이져가 인덱스를 이용해 테이블을 액세스할 지 Full Table Scan을 할 지 결정하는 판단 기준으로 블록 갯수를 사용한다. (중요한 점 :: 레코드 수가 아님!!)

single block I/O

• 한번의 I/O Call에 하나의 데이터 블록만 읽어 메모리에 적재하는 방법이다.
• 인덱스를 경유해 테이블 액세스시 사용하는 액세스 방법이다.

multi block I/O

• Call이 필요한 시점에 인접한 블록들을 같이 읽어 메모리에 적재하는 방법이다.
• Extent 범위 단위에서 읽는다.
  • 하나의 Extent 범위를 넘어가면 후에 다시 CALL을 해서 읽는다.
  • 즉, Extent의 범위를 작게 설정하면 그만큼 DB CALL 횟수도 늘어난다.
• Full Table Scan시 사용하는 액세스 방법이다.

버퍼 캐시 구조

이미지출처

해시테이블 구조로 관리

• 찾고자 하는 데이터블록 주소인 DBA(Data Block Address))를 해시값으로 변환하여 해시 해시 키 값으로 사용한다.
• 해당 해시 버킷에서 체인을 따라 스캔하여 있으면 바로 읽고 없으면 디스크에서 가져와 해시 체인에 연결한 후 읽는다.
• SGA 내에서 가장 많이 사용되는 자료구조이다.
• 버퍼 헤더만 해시 체인에 연결 되고 데이터 값은 포인터를 이용해 버퍼 블록을 찾아 얻는다.
• 여러개의 해시 버킷으로 구성된다.
• 해시 버킷과 해시 체인은 1:1 관계이다.
• 성능 고도화 목표 중 하나로 해시 체인 스캔 비용 최소화가 있다.
  • 하나의 해시 체인에 하나의 버퍼만 달리는 것을 목표로 한다.

하나의 해시 버킷의 구성

• 버킷(Bucket) ==> 체인(Chain) ==> 헤더(Header)의 구조로 되어있다.

  ✅ 버퍼 헤더

  • 버퍼에 대한 메타 정보이다.
  • 버퍼 메모리 영역의 실제 버퍼에 대한 포인터 값이다.

• 해시 체인은 Shared Pool 내에 존재한다.
• 해시 체인은 양방향의 링크된 리스트로 되어있다.

해싱(hasing) 알고리즘을 주소록으로 쉽게 이해하기

이미지출처

• 성씨가 같은 고객은 같은 페이지(=해시 버킷)내에 있지만 해시 버킷 내에서는 정렬상태를 유지 하지 않아 스캔방식으로 탐색하여 찾아야한다.
• 성능을 위해 각 버킷 내 엔트리 개수 일정 수준 유지가 필요하다.

버킷 찾아가기

1. 블록의 주소(블록 클래스)를 해시함수에 적용한다.
2. 같은 해시 값을 갖는 버퍼 헤더들이 체인 형태로 있다.
3. Latch에 의해 보호되는 자료구조를 이용해 Latch를 획득한 프로세스만 진입을 허용한다.

버퍼 캐시 구조를 통한 데이터 액세스의 전체적인 흐름

1. 해시 테이블 ( Hash table )
   2. 해시 버킷 ( Hash bucket )
      3. 버퍼 헤더 체인 ( buffer header chain )
         4. 버퍼 헤더 ( buffer header )
            5. 버퍼 캐시 블록 ( buffer body )
               6. 테이블 블록 헤더 ( block header )
                  7. 테이블 블록 ( block body )

캐시 버퍼 체인

• 각 해시 체인은 Latch에 의해 보호된다.

래치 (Latch)

• 같은 리소스에 대한 액세스를 직렬화 하여 리소스를 보호하기 위해 구현된 일종의 Lock 메커니즘이다.
• 하나의 Latch 가 여러 해시 체인을 동시 보호한다.
• 버퍼 헤더에 Pin 설정 시 cache buffers chains Latch를 사용한다.
• Oracle 9i 부터 읽기전용일 경우 cache buffers chains 래치를 Share모드로 획득이 가능하다.
  • 체인 구조 변경 혹은 버퍼 헤더에 Pin 설정 시 Exclusive 모드로 변경된다.

캐시 버퍼 체인 래치의 대기 이벤트

• 버퍼 캐시를 사용하기 위해 해시 체인을 탐색하거나 변경하려는 프로세스들이 래치를 획득하는 과정에서 경합이 발생한다.
• 캐시 버퍼 체인 래치 경합이 발생하는 대표적인 경우
  • 비효율적인 SQL문장 사용 : 동시에 여러 프로세스가 넓은 범위의 인덱스나 넓은 범위의 테이블에 대해 스캔을 수행하는 경우에 발생한다.
  • 핫블록(Hot Block) 현상 : SQL 문의 작동방식이 소수의 특정 블록을 계속해서 스캔하는 형태로 작성되었다면, 여러 세션이 동시에 이 SQL 문을 수행 할 때 경합이 발생한다.

캐시 버퍼 LRU 체인

이미지출처

• 두 종류의 LRU(Least Recently Used) 리스트를 사용한다.
• 모든 버퍼 블록 헤더를 LRU 체인에 연결하는데 이 때 둘 중 하나의 LRU 리스트에 속한다.

LRUW(LRU Write) List (= Dirty 리스트 )

• 캐시 내에서 변경됐지만, 아직 디스크에 기록되지 않은 Dirty버퍼 블록들을 관리한다.
• 변경 시 리스트에서 잠시 나온다.
• LRUW(LRU Write)리스트 라고도 한다.

LRU List

• 아직 Dirty 리스트로 옮겨지지 않은 나머지 버퍼블록들을 관리한다.
• 변경 시 Dirty 리스트(LRUW 리스트)로 이동한다.

모든 버퍼 블록은 셋중 하나의 상태이다.

Free 버퍼 (Free Buffer)

• 빈 상태 혹은 데이터 파일과 동기화 된 상태이다.
• 언제든 덮어 쓸 수 있으며 변경 시 Dirty 버퍼가 된다.

Dirty 버퍼 (Dirty Buffer)

• 변경 되어 데이터 파일과 동기화가 필요한 상태이다.
• 동기화 되면 Free 버퍼가 된다.

Pinned 버퍼

• 읽기/쓰기 작업 중인 버퍼 블록을 의미한다.

) 참고 출처 1
) 참고 출처 2