Database Buffer Cache 工作原理
Database Buffer Cache 工作原理
适用版本：Oracle Database 11g / 12c / 19c / 23ai 文档版本：v1.0 / 2026-07
1. 概述
Database Buffer Cache 是 SGA 中最重要的组件，缓存数据块以减少磁盘 I/O[1]。
核心机制：
- LRU（最近最少使用）算法管理
- 写延迟（Dirty Buffer 延迟写盘）
- CR 块构造（读一致性）
2. 块的四种状态
| 状态 | 含义 |
|---|---|
| Pinned | 正在被进程访问（持有 pin） |
| Clean | 干净块（与磁盘一致） |
| Dirty | 脏块（已修改，未写盘） |
| Free | 空闲块（未被使用） |
状态转换：
Free ──读──> Pinned ──release pin──> Clean ──修改──> Pinned ──release pin──> Dirty
│
▼
DBWn 写盘
│
▼
Clean3. LRU 链表
3.1 主 LRU 链表
MRU 端（最近使用） LRU 端（最少使用）
┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│B1│B2│B3│B4│B5│B6│B7│B8│B9│..│Bn│
└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
↑ ↑
新块入此 优先淘汰此
新读入的块 → MRU 端
DBWn 写盘后 → MRU 端
查找空闲块 → 从 LRU 端开始3.2 辅助 LRU 链表
辅助 LRU（仅含 free 块）
┌──┬──┬──┬──┐
│F1│F2│F3│F4│
└──┴──┴──┴──┘
↑
DBWn 写盘后移入此
新块优先从这里取3.3 LRU-W（写链表 / Dirty List）
脏块链表，DBWn 从此链表取脏块写盘：
LRU-W（Dirty List）
┌──┬──┬──┬──┐
│D1│D2│D3│D4│
└──┴──┴──┴──┘
↑
DBWn 从此开始写4. 块访问流程
4.1 读操作
1. 进程请求访问 block X
2. 在 Buffer Cache 中查找：
a. 找到：直接使用（Cache Hit）
b. 未找到：从磁盘读入（Cache Miss）
3. Cache Miss 处理：
a. 从 LRU 链表尾部找 free 块
b. 若找到 dirty 块：移到 LRU-W，继续找
c. 若 LRU-W 太长：触发 DBWn 写脏块
d. 找到 free 块：从磁盘读入数据
e. 块加 pin，移到 MRU 端
4. 进程访问块
5. 释放 pin4.2 写操作
1. 进程请求修改 block X
2. 读入 Buffer Cache（如未在）
3. 加 pin（独占）
4. 生成 Redo 记录 → Redo Log Buffer
5. 修改块数据
6. 块状态从 Clean → Dirty
7. 移到 LRU-W
8. 释放 pin
9. DBWn 异步写盘5. 全表扫描与 LRU 尾部插入
全表扫描的块默认插入 LRU 尾部，避免大表扫描挤出热数据[1]：
-- 查看是否使用尾部插入
SELECT name, value
FROM v$sysstat
WHERE name = 'physical reads cache';
-- 控制参数（默认 0 = 尾部插入）
SHOW PARAMETER _serial_direct_read;
SHOW PARAMETER _small_table_threshold;小表优化：小于 _small_table_threshold 的表全表扫描会插入 MRU 端。
6. 多缓冲池
6.1 三种缓冲池
| 池 | 作用 | 配置 |
|---|---|---|
| DEFAULT | 默认池 | db_cache_size |
| KEEP | 常驻缓存 | db_keep_cache_size |
| RECYCLE | 一次性使用 | db_recycle_cache_size |
6.2 使用场景
-- KEEP 池：访问频繁的小表（如字典表）
ALTER TABLE lookup_codes STORAGE (BUFFER_POOL KEEP);
-- RECYCLE 池：偶尔访问的大表（如历史表）
ALTER TABLE huge_logs STORAGE (BUFFER_POOL RECYCLE);
-- 查询对象所在缓冲池
SELECT table_name, buffer_pool
FROM user_tables
WHERE buffer_pool <> 'DEFAULT';7. 非标准块大小缓冲池
支持 2K/4K/16K/32K 等非标准块大小：
-- 配置非标准块缓存
ALTER SYSTEM SET db_16k_cache_size=512M SCOPE=BOTH;
-- 创建非标准块表空间
CREATE TABLESPACE ts_16k
DATAFILE '/u01/ts16k.dbf' SIZE 1G
BLOCKSIZE 16K;
-- 查看配置
SELECT name, value/1024/1024 AS mb
FROM v$parameter
WHERE name LIKE 'db_%_cache_size';8. 常见视图
-- 块状态统计
SELECT
status,
COUNT(*) AS blocks
FROM v$bh
GROUP BY status;
-- Buffer Pool 命中率
SELECT
name,
1 - (physical_reads / NULLIF(db_block_gets + consistent_gets, 0)) AS hit_ratio
FROM v$buffer_pool_statistics;
-- 等待事件
SELECT event, total_waits, time_waited
FROM v$system_event
WHERE event IN (
'free buffer waits',
'buffer busy waits',
'write complete waits',
'read by other session'
);9. 常见坑与排错
9.1 free buffer waits 等待严重
现象：DBWn 写脏块速度跟不上，无法找到 free 块。
修复：
-- 1. 增加 DBWn 进程
ALTER SYSTEM SET db_writer_processes=4 SCOPE=SPFILE;
-- 2. 增大 Buffer Cache
ALTER SYSTEM SET db_cache_size=4G SCOPE=BOTH;
-- 3. 优化产生大量脏块的 SQL9.2 buffer busy waits
现象：多个会话争用同一数据块。
排查：
SELECT
event,
p1 AS file#,
p2 AS block#,
p3 AS class#,
COUNT(*) AS waits
FROM v$session_wait
WHERE event = 'buffer busy waits'
GROUP BY event, p1, p2, p3;修复：
- 增大表的
INITRANS - 减少热点块争用（如使用哈希分区）
- 使用 Sequence CACHE
9.3 read by other session
现象：多个会话同时读同一块，等待第一个会话完成物理读。
修复：优化全表扫描 SQL，避免大表并发扫描。
9.4 write complete waits
现象：等待 DBWn 完成写盘。
修复：
- 增加 DBWn 进程
- 优化 I/O 子系统
- 检查 ASM disk 配置
10. 最佳实践
- Buffer Cache 占 SGA 60-70%：最大化缓存命中
- 小表用 KEEP 池：避免被淘汰
- 大表用 RECYCLE 池：避免挤占热数据
- 监控命中率：应 > 95%
- 优化全表扫描：避免缓存抖动
- 合理设置 DBWn 进程数：CPU/8
- 使用 ASSM 表空间：减少段头争用
11. 参考资料
[1] Oracle Database Concepts 19c, “Database Buffer Cache” https://docs.oracle.com/en/database/oracle/oracle-database/19/cncpt/memory-architecture.html
[2] Oracle Database Administrator’s Guide 19c, “Managing the Buffer Cache” https://docs.oracle.com/en/database/oracle/oracle-database/19/admin/managing-memory.html
[3] AskTOM, “Buffer Cache Internals” https://asktom.oracle.com/pls/apex/f?p=100:1:0