SQLの実行と排他制御からDBの内部動作を知る(前編) (1/3):EnterpriseZine(エンタープライズジン)
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SQLの実行と排他制御からDBの内部動作を知る(前編)

2007/07/30 10:30

本稿ではOracleデータベースを例に、SQL文が発行されてから結果が戻されるまでに行なわれる処理について分かりやすく説明します。データファイルからメモリ上にデータを読み出して検索する流れを解説しますが、これが分かるとOracleの内部動作がよく見えてきます。SQL文を効率良く実行する機能(オプティマイザ)や、複数のユーザーが1つのデータにアクセスした際の混乱を防ぐ仕組み(ロック/排他制御)などはDBAの必須知識として、しっかり理解しましょう。

 (DB Magazine 2007年5月号より転載)

はじめに

 データベースのアーキテクチャ、つまり仕組みを知るということは、データベース管理者(以下、DBA)にとって大変重要なことです。アーキテクチャを理解していると、データベースに障害が発生した際、その原因の解明や対処方法の検討を進めやすくなります。また、データベースの性能低下時における対処方法も考えられるようになります。

 なお、データベースのアーキテクチャは製品ごとに異なります。そのため、本パートではOracle Database 10g(以下、Oracle)を例に説明を進めます。

データベースへの接続

 まずは、SQL文がどのようにデータベース上で処理されていくかの大まかな流れを本パートの前半で説明していきます。一連の処理の流れをつかんでいただいた後に、後半で処理の詳細を解説します。まずはデータベースへの接続からです。

 データベースへSQL文を発行する前には、データベースへの接続の操作を行なう必要があります。クライアント/サーバーシステムでは、クライアント側でSQL*Plusなどのツールを起動し、ユーザー名やパスワードを入力してログインします。このとき、Oracleは図1のように処理を行ないます。図中の丸数字で示している動作を、1つずつ説明しましょう。

 なお、以降のデータベース処理の大まかな流れの説明でも、図を参照しながら数字で示されている各処理について、本文で解説することにします(本文中の数字が図内の丸数字と対応します)。

図1:クライアントからデータベースへ接続する処理の流れ
図1:クライアントからデータベースへ接続する処理の流れ
  1. クライアント側でデータベースへの要求のとりまとめを行なうユーザープロセスが起動し、以後ユーザープロセスを経由してデータベース側に各種の処理を依頼することとなります。
  2. データベース側では対応してサーバープロセスがメモリ上で起動します。サーバープロセスは接続の管理や処理の実行を行なうこととなります。

 ユーザープロセスとサーバープロセスの関係は原則的には1対1の構成になります。サーバープロセスには専用の作業場所であるPGA(プログラムグローバル領域)がメモリ上に確保され、セキュリティ情報やリソースの使用量などが格納されます。またSQL文を実行する際、ORDER BY句があるときなどはソート(並べ替え)が必要となりますが、そのソートもPGAで行なわれます。

 接続された状態をセッションとも呼びます。接続を切断するとユーザープロセスやサーバープロセスは終了し、メモリ内の関連する資源が解放されます。

SELECT文の実行

 次に、SELECT文が発行されたときにOracleがどうデータを取り出すのかを見てみます。図2はその一連の処理を示したもので、クライアントマシンのSQL*PlusからSELECT文を発行する場面を想定しています。データベース処理の中でも、最も典型的な処理の1つなので、しっかり押さえましょう。

図2:SELECT文を実行する処理の流れ
図2:SELECT文を実行する処理の流れ

クライアントからSQL文を渡す

  1. ユーザーがSQL*Plus上でSELECT文を発行すると、まずユーザープロセスがそのとりまとめを行ないます。
  2. ユーザープロセスはサーバープロセスにそのSQL文を渡して処理を依頼します。
  3. サーバープロセスは、まずSGA(システムグローバル領域)の中の共有プールと呼ばれるところをチェックしに行きます。

 SGAはインスタンスを構成する基本的なメモリ構成で、すべてのサーバープロセスによって共有されます。基本的には、SGAは次のものから構成されます(図3)。

図3:SGAの構成
図3:SGAの構成
  • 共有プール

     ユーザー間で共有できる「実行計画」や、データディクショナリのデータが格納される場所です。

  • データベースバッファキャッシュ

     表はディスク上のデータファイルに格納されますが、データベースバッファキャッシュはデータファイルから取り出されたデータブロックを格納する場所で、行を検索したり更新したりする際に使用されます。更新した行は、データブロック単位でデータファイル上に書き出されます。

  • REDOログバッファ

     ユーザーが行の追加/更新/削除などの処理を依頼すると、障害が発生したときの回復処理に必要となる情報として、REDOログが生成されます。REDOログバッファは、そのREDOログを一時的に格納する場所です。REDOログは、後でディスク上のREDOログファイルに書き出されます。

 なお、実行計画とは、どのように表に対して検索を行なうか(「アクセスパス」と言います)が書かれた、いわば“SQLの実行手順書”です。Oracleは、SQL文を実行する際にはまず、SQL文を解析して最も効率的な実行計画を生成します。過去に同じSQL文が実行されていれば、その実行計画が格納されているので、以後の解析を行なうことなくSQL文が実行されます。解析されない分、実行時間は短縮されます。

SQL文を解析し実行計画を生成する

 話が少しそれましたが、再び図2の解説に戻ります。

  1. 渡されたSQL文の実行計画が共有プールに見あたらない場合、Oracleはその解析作業を行ないます。解析作業はSQL文が文法的に正しいか、また指定対象の表や列が存在するかをチェックします。
  2. 表や列が存在するかどうかを確認するためには、データベースに関する管理情報が格納されている「データディクショナリ」を参照する必要があります。データディクショナリはSYSTEM表領域に格納されていますが、それを共有プール上に格納します。SYSTEM表領域とはデータディクショナリを含むOracleの管理データを格納するための表領域です。
  3. もし、SQL文の解析に必要な情報が共有プールに格納されていなければ、ディスクのデータディクショナリを参照して、共有プール上に格納します。
  4. 解析が終わり実行計画を作成したら、それがサーバープロセス間で再利用されるように共有プールに格納します。共有プールがいっぱいで実行計画が入り切らない場合には、LRUアルゴリズム(一番長い間参照されなかった情報を削除する方式)によって空きを作って格納します。

実行計画に基づいて表を検索する

  1. 実行計画を用意できたら、実行計画に基づいて表の検索を開始します。表の検索はSGAの中のデータベースバッファキャッシュに対して行なわれます。
  2. 表を検索する際、Oracleは参照する行のデータブロックがデータベースバッファキャッシュにあるか確認し、なければ実際にディスク上に格納されている表からデータブロック単位で取り出して、データベースバッファキャッシュに格納します。格納されたデータブロックは、サーバープロセス間で検索時や更新時に共有使用します。

     なお、データベースバッファキャッシュがいっぱいになってしまった場合には、LRUアルゴリズムで空きを作って格納します。

  3. 表の検索処理は、索引を使用する検索と使用しない検索で異なります。索引については後に説明しますので、ここでは使用しない場合の検索処理を説明します。

     索引を使用しない場合には、表の全行から検索条件に合う行を探すことになります。また、その際Oracle内部では表を構成する先頭のデータブロックの行から、「ハイウォーターマーク(HWM)」と呼ばれる印のあるデータブロックの最後の行まで検索が行なわれます(図4)。

    図4:索引を使用しない検索での内部処理
    図4:索引を使用しない検索での内部処理

     なお、ハイウォーターマークは「高水位標」とも呼ばれ、もとは河川の過去最高水位を示す指標を意味します。Oracleにおけるハイウォーターマークは、過去に行が格納されたことがある最高位のデータブロックを指します。行を削除しても、このハイウォーターマークは下がりません。

  4. 表の検索をサーバープロセスが行なうと、その検索結果をユーザープロセスに引き渡します。これを「フェッチ」と言います。WHERE句などで検索条件が設定されている場合、サーバープロセスは行を絞り込んでユーザープロセスに結果を引き渡すことになります。ユーザープロセスはサーバープロセスから行を受け取ると、SQL*Plusの画面上に結果を表示します。

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著者プロフィール

  • 市川 道雄(イチカワ ミチオ)

    株式会社日立システムアンドサービス、プロフェッショナルサービス部に勤務。データベース関連の教育を担当後、現在は並行してサポート/ソリューションサービス部門と連携した教育企画/実施を担当している。Oracle認定講師。データベーススペシャリスト、ORACLE MASTER Platinum Oracl...

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