Поддержка параллельных систем.
Одно из общепризнанных достоинств сервера Oracle - его высокая степень масштабируемости: как горизонтальной, так и вертикальной. Oracle владеет в настоящий момент абсолютными рекордами производительности как в OLTP-тестах TPC-C (причем этот рекорд держится с апреля 1996 года), так и в DSS-тестах TPC-D (в варианте с объемом данных 300 Гбайт). Наиболее широко распространены симметрично-параллельные (SMP) системы, т. е. такие, где процессоры равноправно используют все остальные системные ресурсы (прежде всего оперативную память и диски), являющиеся общими для них. Количество процессоров в таких системах, предлагаемых на рынке, может доходить до 64. Для SMP-систем часто еще употребляют определение "система с полным разделением ресурсов" (shared-everything system). Следующий тип параллельной архитектуры - кластер: в нем узлы, имеющие свою собственную оперативную память (а возможно и собственные диски), через специальный контроллер имеют доступ к общим дискам ("система с разделяемыми дисками" - shared-disks system). Как правило, каждый из узлов кластера представляет собой SMP-систему, а количество узлов в кластерах, предлагаемых на рынке, доходит до 8. Наконец, третий тип архитектуры - массивно-параллельный (MPP). В ней узлы живут практически независимой жизнью, но между ними каким-то образом реализуется очень быстрая связь. Количество узлов в такой системе вполне может достигать ста и больше. Безусловно система должна в той или иной степени обеспечивать взаимодействие и совместное пользование ресурсами для своих узлов, тем не менее к системам с данной архитектурой часто применяют определение "система без разделения ресурсов" (shared-nothing system).
Сервер Oracle в любой конфигурации поддерживает параллелизм при выполнении потока операций в SMP-архитектуре, для параллельного выполнения отдельных запросов требуется установка Parallel Query Option. Для кластеров и MPP-систем Oracle предлагает архитектуру, позволяющую всем узлам этих систем параллельно осуществлять доступ к одной БД: чтобы добиться этого, достаточно установить Parallel Server Option. Для обеспечения параллелизма в SMP-системах Oracle предлагает возможность использования многопотоковых разделяемых серверных процессов.
Опция Oracle Parallel Server позволяет нескольким узлам системы (фактически всем, функционирующим в данный момент времени) параллельно работать с одной БД, находящейся на общих дисках (в MPP-системе это будут "виртуальные" общие диски, поддерживаемые ОС). Пользовательские сессии взаимодействуют каждая со своим узлом, но при этом фактически работают с одними и теми же данными (помимо возможности использования полной мощности параллельной системы для работы с БД). Можно заметить, что в Oracle8 даже эта операция не обязательна: новая версия сервера позволяет выполнять автоматическое переключение сессий со сбойного узла, так что, например, прерванные запросы попросту продолжают выполняться после небольшой задержки.
Однако нельзя утверждать, что при применении OPS не возникает никаких проблем. По сравнению с SMP-системами возникает одна проблема: синхронизация кэшей в оперативной памяти узлов – каждый узел системы кэширует данные БД в своей оперативной памяти и может держать их там достаточно долгое время без переписывания на диск. Если один из узлов модифицировал некую запись БД, но не переписал ее на диск, то при обращении к той же записи другой узел не имеет права ни пользоваться ее копией в своей памяти (она уже не актуальна), ни даже считать ее с диска. Для разрешения этой проблемы вводятся блокировки параллельного кэша: при модификации данных узел параллельной системы как бы вешает на них свой "замок", так что любой другой узел при обращении к этим данным должен сначала "снять замок", что включает в себя передачу ему актуальных данных. Ясно, что если различные узлы будут часто модифицировать одни и те же данные, то блокировки параллельного кэша могут заметно снизить производительность сервера в целом.
К сожалению, от данной проблемы нельзя полностью избавиться ни с помощью технических ухищрений, ни с помощью альтернативных решений. К счастью, если пользователи, работающие с разными узлами, редко модифицируют одни и те же записи, то и блокировки параллельного кэша возникают редко. Такой режим легко обеспечивается, если на разные узлы сервера "назначаются" пользователи, работающие с разными приложениями, или работающие с данными различных отделов (филиалов) и пр. Приложения, осуществляющие "хаотичные" обращения к большой БД, также имеют слабую тенденцию к порождению блокировок параллельного кэша. Тем не менее, распределение пользователей между узлами сервера должно осуществляться не наобум, а с учетом того, с какими данными и в каком режиме они работают. Как бы то ни было, OPS уже достаточно давно и успешно используется - особенно в инсталляциях, требующих повышенной надежности системы. Нелишне заметить, что и рекорд в тестах TPC-C поставлен с использованием OPS на кластере (Digital Alpha 8400). Надо сказать, что до последнего времени понятия "кластер" и "параллельный сервер" ассоциировались только с весьма мощными и дорогостоящими конфигурациями аппаратуры. Отчасти это было связано с реальными потребностями рынка, а отчасти с тем фактом, что поддержка кластерного режима работы требует весьма значительных системных ресурсов. Одним из первых пожирателей ресурсов является менеджер распределенных блокировок (Distributed Locks Manager - DLM). Это программный компонент (реализованный обычно в виде набора процессов), обычно поставляемый фирмой-разработчиком ОС, задача которого - управление доступом к разделяемым ресурсам на уровне системы в целом. Именно с помощью DLM Oracle реализует блокировки параллельного кэша и вообще синхронизацию работы узлов. Универсальность DLM в сочетании с тем, что он является "внешней составляющей" OPS, приводит к тому, что общее количество блокировок параллельного кэша становится критичным ресурсом. Чтобы снизить потребность в нем, в Oracle 7.3 введен ряд усовершенствований в управлении выделением этих блокировок, но для радикального решения проблемы безусловно требовался другой подход к реализации DLM. В частности, по этой причине уже в версии 7.3 Oracle постепенно переходит к реализации DLM собственными средствами в составе ядра сервера - окончательно этот процесс завершен в Oracle 8. Как бы то ни было, уже в релизе Oracle 7.3.3 существует параллельный сервер для кластеров, функционирующих под управлением таких "легковесных" ОС, как SCO UnixWare и Windows NT (последняя - как для платформы Intel, так и для DEC Alpha).
При параллелизме, в задачах типа DSS, при выполнении отдельных операций оптимизатор выбирает один из возможных алгоритмов выполнения запросов (при этом важно, что в Oracle он с самого начала при оценке стоимости того или иного решения учитывает заданную для данного запроса степень параллелизма), затем каждый шаг алгоритма разбивается на несколько параллельных потоков. Координатор выполнения запроса запускает нужное число процессов (при этом используются все наличные процессоры - включая различные узлы кластера или MPP-системы) и обеспечивает как внутриоперационный (параллельные потоки внутри шага алгоритма), так и межоперационный параллелизм. В список операций, подлежащих распараллеливанию, помимо просмотра таблиц включены также все алгоритмы соединения (и "антисоединения") таблиц, сортировки, операции агрегирования, вложенные подзапросы, объединения и некоторые другие. Кроме того, возможно параллельное выполнение таких операций, как создание таблицы по результатам запроса, загрузка данных, сброс и восстановление БД, выполнение операций тиражирования данных. В Oracle8 к этому списку добавятся операции INSERT, UPDATE и DELETE.
Одним из наиболее фундаментальных вопросов, которые приходится решать при реализации параллельного выполнения запросов, является выбор метода распределения данных между параллельными потоками при выполнении таких операций, как полный просмотр таблиц. Самым простым (и исторически реализованным первым - фирмой Tandem) методом является "привязка" параллелизма к статическому разбиению нужных таблиц на разделы, проводимому по правилу, заданному администратором системы. Этот метод и до сих пор является краеугольным камнем параллелизма в ряде СУБД.
В идее разбиения таблиц на разделы безусловно есть серьезные положительные стороны, особенно когда это разбиение осуществляется на основе диапазонов значений содержательных параметров либо функций от них. Тогда, во-первых, может быть облегчена работа администратора БД в случае, когда таблица содержит большой объем данных (например, если разбить таблицу фактических продаж по месяцам, то можно выполнять сбросы только последнего раздела таблицы), во-вторых, становится возможным исключение разделов при выполнении запросов, содержащих условие на параметр разбиения. Однако когда параллелизм в выполнении запросов ставится в зависимость от статичного разбиения таблиц, это приводит к ряду проблем. Дело в том, что для достижения оптимального параллелизма в этом случае требуется (по очевидным причинам), чтобы данные были распределены по разделам равномерно. В принципе этого нетрудно добиться, если помещать каждую новую запись в новый раздел по циклическому алгоритму (round-robin). Но в этом случае, как нетрудно заметить, полностью теряются указанные выше два преимущества. И наоборот, если выполнять разбиение по содержательному критерию, то весьма часто получается, что данные распределяются по разделам неравномерно, что неизбежно приводит к тому, что, закончив свою работу, параллельные процессы ждут "отстающего товарища", которому не повезло с разделом. Если речь идет об устоявшихся (т. е. фактически не обновляемых) данных и о конкретном запросе с небольшими вариациями, то практически всегда можно найти некий компромиссный вариант разбиения, но в реальных системах типа DSS запросы как правило носят нерегламентированный характер (ad-hoc), а данные - опять-таки как правило - периодически обновляются. Все это как минимум приводит к серьезной административной работе, связанной с перестройкой разделов (что становится попросту обязательным, если требуется сменить степень параллелизма), но даже это не гарантирует оптимального параллельного выполнения запросов.
Такие соображения побудили разработчиков Oracle7 отказаться от принципа "статичного" параллелизма и реализовать алгоритм динамического разбиения таблиц при параллельном выполнении запросов. Упрощенно его суть в том, что таблица логически "разбивается" непосредственно при выполнении запроса в соответствии с заданной степенью параллелизма. Это не означает, впрочем, что она попросту делится на равные части произвольным образом - все гораздо изощреннее. Дело в том, что скорость обработки одного и того же объема данных в разных разделах может быть различна в зависимости как от характера запроса, так и от того, на каких физических устройствах располагается динамический раздел, да и от других порой трудно предсказуемых причин. Поэтому таблица делится реально на число разделов гораздо большее, чем степень параллелизма (и разделы эти бывают различного размера), а их назначение параллельным процессам регулируется динамически в зависимости от того, с какой скоростью они справляются с уже порученной работой.
Надо сказать, что алгоритм динамического разбиения таблиц весьма непрост, и было бы нечестно утверждать, что в нем с самого начала все было сделано самым оптимальным образом. Однако одно из самых важных преимуществ этого алгоритма в его гибкости, поэтому в него постоянно вносились усовершенствования на основании накопленного опыта эксплуатации в реальных инсталляциях, в результате чего от релиза к релизу Oracle7 добивался все более оптимальных характеристик параллелизма в выполнении запросов. К примеру, в релизе 7.3 основные усовершенствования были связаны с поддержкой MPP-архитектур. Дело в том, что в них диски не равноценны по скорости доступа для каждого из узлов системы (к "своим" дискам доступ осуществляется быстрее, чем к "чужим"), поэтому и динамические разделы стали выделяться параллельным процессам преимущественно на локальных для соответствующих узлов дисках (преимущественно - опять-таки потому, что, завершив свою "локальную" работу, процесс не прекращает деятельность, а начинает помогать "отстающим").
Как бы то ни было, сейчас можно с уверенностью констатировать, что метод динамического разбиения таблиц оправдал себя, позволив при минимальной дополнительной нагрузке на администратора БД добиться, тем не менее, практически оптимального распраллеливания выполнения запросов. Высокая масштабируемость Oracle в параллельном выполнении запросов на системах с различной архитектурой иллюстрируется также и тем фактом, что Oracle 7.3 сумел показать рекордные параметры в TPC-D тесте (в варианте с объемом данных 300 Гбайт) как среди MPP-систем (на IBM SP/2), так и среди SMP-систем (на Sun Enterprise Server 10000).
Oracle 7, к сожалению, не включает в себя явной операции построения статических разделов таблицы (эта возможность вводится в Oracle 8), но в неявном виде это тем не менее можно сделать с помощью имитации разделов отдельными таблицами, объединенными в единое представление с помощью операции UNION ALL. При выполнении запросов к такому представлению оптимизатор Oracle7 трактует его именно как таблицу, разбитую на разделы, в частности выполняет исключение разделов, если это возможно.
Oracle традиционно славится как поставщик СУБД для крупных инсталляций, однако в связи с этим бытует (и активно поддерживается конкурентами) также и мнение о том, что для небольших систем Oracle слишком тяжеловесен, сложен, дорог и пр. Oracle прикладывает немало усилий, чтобы по всем параметрам (включая цены) утвердиться в качестве основного поставщика во всех сегментах рынка СУБД, начиная с небольших рабочих групп. С 1994 года помимо уже привычного "сервера масштаба предприятия" поставляются другие его варианты: "сервер для рабочих групп" (Workgroup server) и "персональный Oracle" (Personal Oracle) в двух редакциях - полной и "облегченной" (Personal Oracle Lite). В этих продуктах особый упор сделан на их относительную дешевизну, простоту установки и сопровождения. При этом все варианты сервера Oracle функционально идентичны, за исключением некоторых опций (только в нынешней версии Personal Oracle Lite отсутствует часть базовой функциональности: он не поддерживает многопользовательские схемы данных и процедурные расширения SQL).
Oracle 7 в одинаковой степени может быть оптимизирован и для OLTP-приложений, и для приложений DSS, причем их вполне можно исполнять одновременно, не беспокоясь о дополнительных блокировках, модах изоляции и прочих темах, способных вызвать головную боль у знакомых с ними на практике специалистов при одном только их упоминании. Это не означает впрочем, что оба режима будут одинаково оптимальны при одном и том же выборе параметров системы. Безусловно, по крайней мере часть параметров требуют разного подхода при их оптимизации для OLTP- и DSS-систем. По этой причине поддержка "смешанного" режима обязательно сопряжена с некоторым компромиссом, и не следует трактовать приведенное утверждение как рекомендацию совмещать оперативную систему с хранилищем данных. Более разумно на практике говорить о том, что, скажем, если основной режим системы - OLTP, то совсем не обязательно дожидаться ночной паузы в работе, чтобы выполнить на ней сложный - но срочный - отчет, и Oracle гарантирует, во-первых, корректность результатов отчета, во-вторых, что его выполнение не повлияет сколько-нибудь заметно на работу пользователей.
Oracle поддерживает
