高频错误：ORA-01555深入剖析

黄玮（Fuyuncat）

资深Oracle DBA，个人网站，致力于数据库底层技术的研究，其作品获得广大同行的高度评价.

ORA-01555(快照过旧)问题让很多人感到十分头痛。最近我们的生产系统上也报出了ORA-01555错误。就结合这次案例将ORA-1555问题作个案例分析，并浅析产生原因和各种解决办法。

如果要了解1555错误产生的原因，就需要知道ORACLE的两个特性：一致性读(Consistent Get)和延迟块清除（Delayed Block Cleanout）。此外，还要知道关于回滚段的一些配置参数。

先看下Oracle中关于UNDO有哪些配置参数：

undo_management

回滚段的管理方式。值可以为MANUAL/AUTO。9i中默认是MANUAL，10g中默认是AUTO。

      从9i后，回滚段就以表空间的形式管理，并且支持系统自动管理回滚段。一个回滚表空间上可以创建多个回滚段，一个数据库可以创建多个回滚表空间。但是，一个实例（Instance）只能使用一个回滚表空间。

如果undo_management设置为MANUAL，就是手动创建回滚段：

SQL> create rollback segment undo1 tablespace UNDOTBS1;

 如果设置为AUTO，Oracle就自动管理回滚段的创建，而手工创建就会失败。

undo_retention

这个参数设置回滚段中的被提交或回滚的数据强制保留时间，单位是秒。请注意，这个参数和1555错误有非常大的关系。但是，需要提醒的是，并不是回滚段中的数据超过这个时间以后就会被清除掉，而是等到后面事务产生的回滚数据覆盖掉“超期”数据。所以这就是为什么我们往往看到系统的回滚表空间占有率始终是100%的原因了。

undo_suppress_errors

是否报与回滚段有关的错误。如果为FALSE，就不会产生与回滚段有关的错误。但是，请注意，并不是不会发生回滚段错误，而只是屏蔽错误信息，错误发生了就会存在滴。在10g中，这个参数是隐含参数。

undo_tablespace

为每个实例制定的唯一当前使用的回滚段表空间。

一致性读(Consistent Get)

一致性读(Consistent Get)可以说是产生1555错误的主要原因。但它的确是Oracle一个非常优秀的特性。既然这个特性会产生这么烦人的错误，我为什么还说它是ORACLE十分优秀的特性呢？下面就先了解一下这个特性：

并发事务和脏读

需要先了解一下这一特性的产生的背景原因。看下以下这个例子。在一个银行系统中（一般涉及到钱的问题对并发事务要求是最严格的^_^），会计正在统计当月某地区的个人存款总额，她的这个操作，在后台肯定要产生一条SQL语句，对这一地区的所有用户的存款额作SUM()，我们假设这一操作产生的语句为A，时间点是T1。由于存款用户非常多，再加上会有一些对其他表的JOIN条件，语句A的执行时间可能比较长。这时，在A的执行过程中，A已经统计了账户X的钱，但还没有统计到账户Y的钱的时候，正好有一个客户通过ATM机从账户X中转250元钱到帐户Y，他的操作也产生了一条语句B，对存款表进行更新。开始时间点是T2，结束时间是T3。因为只更新两条记录，这个过程非常短。A结束时的时间点是T4。让我们看下过程图，看看会产生什么结果：

从图中，我们可以看到，T2时刻A已经统计过帐户X中的钱，但在这时B从X中转了250元到帐户Y中，在B结束的时刻T3，A还没有统计到Y，但Y已经多出了250元了，所以到T4，统计结束时，A实际上多统计出250元。这就是并发事务中的“脏读（dirty read）”问题。

在标准SQL中，为了防止并发事务中产生脏读，就需要通过加锁来控制。这样就会带来死锁、阻塞的问题，即时是粒度最小的行级锁，也无法避免这些问题。再看下上面这个例子。为了防止脏读，A在开始时就需要对表加锁，防止其他事务更新表。这样，B就会被阻塞，假如A事务要执行1个小时，B可能最长就要被阻塞1个小时。再看下图，

从图中，可以看到，B开始时，存款表被加锁了，所以B被A阻塞，只有等A释放锁以后，B才能更新表。所以B被阻塞了很长时间。在大量并发事务系统中，可能会使整个系统慢得不可想象。

一致性读

为了解决这一矛盾。Oracle充分利用的回归段，通过会滚段进行一致性读取，即避免了脏读，又大大减少了系统的阻塞、死锁问题。

下面就看下Oracle是如何实现一致性读的：

当Oracle更新数据块（Data Block Oracle中最小的存储单位）时，会在两个地方记录下这一更新动作。一个是重做段(Redo Segment)，是用于数据库恢复（Recover）用的。一个是回滚段(UNDO Segment)，而回滚段是用于事务回滚(Rollback)的（我们只关心回滚段了）。并在数据块头部标示出来是否有修改数据。一个语句在读取数据快时，如果发现这个数据块是在它读取的过程中被修改的（即开始执行读操作时并没有被修改），就不直接从数据块上读取数据，而是从相应的回滚段条目中读取数据。这就保证了最终结果应该是读操作开始时的那一时刻的快照（snapshot），而不会受到读期间其他事务的影响。这就是Oracle的一致性读，也可以叫做多版本（Multi-Versioning）。

以上面的例子为例，A在读取到Y帐户时，发现这条记录已经被修改了，于是就从回滚段读取保留的回滚数据，最终就能正确得到T1时刻的正确存款总额了。看下图：

 从图上看出，A即能得出正确的数据，又保证B不会被阻塞。

延迟块清除

再介绍一下另外一个可能产生1555错误的概念——延迟块清除（Delayed Block Cleanout）。但个人认为，如果不从字面意思上翻译，应该把它叫做延迟锁清除更加让人容易理解一些。

我们知道，当Oracle更新数据块时，会在回滚段(UNDO Segment)记录下这一更新动作。并且产生一个Cleanout SCN，在回滚段中，会产生对应的Transaction ID以及相应的数据记录镜像。并在对应的数据记录上，产生锁标志。在事务提交（commit）前，会在数据块的头部记录下这个Cleanout SCN(Csc)号、Undo Block Address(Uba)和Transaction ID(Xid)；并且在在对应Interested Transaction List(Itl)中设置锁标志，记录这个事务在这数据块中产生的锁的数目；同时在对应修改的数据记录上打上行级锁标志，并映射到对应的Itl去。当提交时，并不会一一清除掉所有锁标志，而是给对应的Itl打上相应标志，告诉后面访问该数据块的事务，相应的事务已经提交。这就叫做快速提交（Fast Commit）。而后面访问该数据块的的事务就先检查锁标志和对应的事务状态，如果发现前面的事务没有提交，并且要访问的数据记录被锁住了，就被阻塞；否则就清除相应的锁标志，并提交自己的锁标志，再重复以上动作。这就事延迟块清除。

而如果前面的事务在提交之前buffer cache中的脏数据已经被DBwn进程写回，那么Itl中的事务标志就不会被更新，并且数据块的Itl列表也不会记录下事务的Commit SCN。后面的事务或查询语句访问该数据块时，为了检测是否需要进行一致性读（如果数据块的Itl中记录的提交事务的Commit SCN大于当前访问该数据块的SCN，则需要进行一致性读），就需要通过Undo Block Address和Transaction ID到回滚段的事务信息表中去检查前面事务的状态和它的Commit SCN，确定是否做一致性读，最后将前面事务在该数据块上的标志做一次Cleanout。

下面就举一个例子：

创建测试表：

SQL> create table t_multiver (a number, b number);

Table created.

插入测试数据，这时，实际上已经产生了一个对数据块修改的事务：

SQL> insert into t_multiver values (1,1); 

1 row created. 

SQL> insert into t_multiver values (2,2); 

1 row created. 

SQL> insert into t_multiver values (3,3); 

1 row created. 

SQL>

SQL> commit;

Commit complete

修改记录，并且在commit之前将脏数据写回：

SQL> conn demo/demo

Connected.

SQL> update t_multiver set b=115 where a=1; 

1 row updated.

SQL> alter system flush buffer_cache;

System altered. 

SQL> commit; 

Commit complete.

Dump出数据块:

SQL> alter system dump datafile 5 block 50959;

System altered.

看看Dump出来的内容：

其余的内容在我们讨论的这个问题中不需要太关心，主要注意Interested Transaction Slot (ITS) 部分。

CSC:即Cleanout SCN，它是在我们的insert操作事务中产生的。

Flag：事务标志位。由于我们在提交之前将buffer cache手动flush了，所以标志位为空。请注意到，我们这在commit之前DBwn已经写回了脏数据，标志为空。各个标志的含义分别是：

C--- = transaction has been committed and locks cleaned out

-B-- = this undo record contains the undo for this ITL entry

--U- = transaction committed (maybe long ago); SCN is an upper bound
---T = transaction was still active at block cleanout SCN

可以看到，目前事务标志是----，这是为什么呢？请注意，上面过程在commit之前进行了buffer cache flush，也就是说，oracle进程在改写数据块时，该事务还未提交，也未回滚，所以标志为空。而假如将buffer cache flush放在commit之后，该标致就为--U-，即事务已经提交，但是相应的锁并没有清除(有兴趣可以自己做试验)。所以，看到后面的Lck位（行级锁数目）为1（因为我们修改了1条记录）。

再看每条记录中的行级锁对应Itl条目lb:都是0x1。即Itl中的第一条。

这时，我们重新访问该数据块：

SQL> alter system flush buffer_cache;

System altered.

SQL> conn demo/demo

Connected.

SQL> select * from t_multiver; 

         A          B

---------- ----------

         1        115

         2        222

         3        222

SQL> alter system dump datafile 5 block 50959;

System altered.

再将数据块内容dump出来：

这时，可以看到，前一事务的Itl条目中，Flag标志为已经被修改为C，即提交完毕，Commit SCN也被获得。锁也已经被清除，其锁Lck的数量也清0。相应的，各条记录的行锁对应Itl位也被清0。

图解一下这个过程：

数据块初始状态：

第一个修改该数据块的事务提交后：

第二个访问该数据块的事务(清除了相应锁信息)

当然，如果事务进行的删除操作，或者事务回滚，又会有一些不同的情况。

后面的分享中将会继续解答ora-01555错误发生的场景和解决方案

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