詳述資料庫系統中的緩衝——Cache

談到Cache緩衝，BKJIA資料庫頻道之前也曾出過專題《MySQL記憶體管理:緩衝的藝術》，向您推薦。

Cache和Buffer是兩個不同的概念，簡單的說，Cache是加速“讀”，而buffer是緩衝“寫”，前者解決讀的問題，儲存從磁碟上讀出的資料，後者是解決寫的問題，儲存即將要寫入到磁碟上的資料。在很多情況下，這兩個名詞並沒有嚴格區分，常常把讀寫混合類型稱為buffer cache，本文後續的論述中，統一稱為cache。

Oracle中的log buffer是解決redo寫入的問題，而data buffer cache則解決data block的讀寫問題。對於Oracle來說，如果IO沒有在SGA中命中，都會發生物理IO，Oracle並不關心底層儲存的類型，可能是一套儲存系統，可能是本地磁碟，可能是RAID 10，也可能是RAID 5，可能是檔案系統，也可能是裸裝置，或是ASM。總之，Oracle把底層的儲存系統稱為儲存子系統。

在儲存系統中，cache幾乎無處不在在後面的論述中，我們統稱為cache），檔案系統有cache，儲存有cache，RAID控制器上有cache，磁碟上也有cache。為了提高效能，Oracle的一個寫操作，很有可能寫在儲存的cache上就返回了，如果這時儲存系統發生問題，Oracle如何來保證資料一致性的問題。

Oracle資料庫最重要的特性是：Write ahead logging，在data block在寫入前，必須保證首先寫入redo log，在事務commit時，同時必須保證redo log被寫入。Oracle為了保證資料的一致性，對於redo log採用了direct IO，Direct IO會跳過了OS上檔案系統的cache這一層。但是，OS管不了儲存這一層，雖然跳過了檔案系統的cache，但是依然可能寫在儲存的cache上。

一般的儲存都有cache，為了提高效能，寫操作在cache上完成就返回給OS了，我們稱這種寫操作為write back，為了保證掉電時cache中的內容不會丟失，儲存都有電池保護，這些電池可以供儲存在掉電後工作一定時間，保證cache中的資料被刷入磁碟，不會丟失。不同於UPS，電池能夠支撐的時間很短，一般都在30分鐘以內，只要保證cache中的資料被寫入就可以了。儲存可以關閉寫cache，這時所有的寫操作必須寫入到磁碟才返回，我們稱這種寫操作為write throuogh，當儲存發現某些組件不正常時，儲存會自動關閉寫cache，這時寫效能會下降。

RAID卡上也有cache，一般是256M，同樣是通過電池來保護的，不同於儲存的是，這個電池並不保證資料可以被寫入到磁碟上，而是為cache供電以保護資料不丟失，一般可以支撐幾天的時間。還有些RAID卡上有flash cache，掉電後可以將cache中的內容寫入到flash cache中，保證資料不丟失。如果你的資料庫沒有儲存，而是放在普通PC機的本地硬碟之上的，一定要確認主機中的RAID卡是否有電池，很多硬體供應商預設是不配置電池的。當然，RAID卡上的cache同樣可以選擇關閉。

磁碟上的cache，一般是16M-64M，很多儲存廠商都明確表示，儲存中磁碟的cache是禁用的，這也是可以理解的，為了保證資料可靠性，而儲存本身又提供了非常大的cache，相比較而言，磁碟上的cache就不再那麼重要。SCSI指令中有一個FUA(Force Unit Access)的參數，設定這個參數時，寫操作必須在磁碟上完成才可以返回，相當于禁用了磁碟的寫cache。雖然沒有查證到資料，但是我個人認為一旦磁碟被接入到RAID控制器中，寫cache就會被禁用，這也是為了資料可靠性的考慮，我相信儲存廠商應該會考慮這個問題。

至此，我們可以看到Oracle的一個物理IO是經曆了一系列的cache之後，最終被寫入到磁碟上。cache雖然可以提高效能，但是也要考慮掉電保護的問題。關於資料的一致性，是由Oracle資料庫，作業系統和儲存子系統共同來保證的。