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數(shù)據(jù)庫(kù)空間估算

2017.06.06

在做數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要進(jìn)行多個(gè)方面的計(jì)劃，其中空間估算尤其是一個(gè)DBA所不能回避的問(wèn)題。
空間估算的準(zhǔn)確與否決定了
1。系統(tǒng)對(duì)資源的需求--投資問(wèn)題
2。數(shù)據(jù)分布是否合理--數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題
3。應(yīng)用設(shè)計(jì)，特別是數(shù)據(jù)存取方面的設(shè)計(jì)--系統(tǒng)運(yùn)行性能問(wèn)題等。

同時(shí)，由于ORACLE數(shù)據(jù)類型的多樣，數(shù)據(jù)模型的復(fù)雜，空間估算也代表了相當(dāng)大的工作量。
通常的空間估算包括了對(duì)TABLE，INDEX，CLUSTER，ROLLBACK SEGMENT，TEMPORARY SEGMENT以及REDO LOG方面等的計(jì)算。在本文中重點(diǎn)給出了對(duì)TABLE，INDEX的估算。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是估算工作主要針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中比較大的表，以及在應(yīng)用中變化量較大的表。

在進(jìn)行空間估算之前，有必要再回顧以下認(rèn)識(shí)：
1。對(duì)于數(shù)據(jù)塊的認(rèn)識(shí)：
。數(shù)據(jù)塊的大小有DB_BLOCK_SIZE決定，并且只有通過(guò)重建數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)得到調(diào)整?？臻g計(jì)算的根據(jù)來(lái)自于數(shù)據(jù)塊。
。數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)塊頭，數(shù)據(jù)區(qū)組成。數(shù)據(jù)區(qū)的使用由PCTFREE，PCTUSED控制。當(dāng)INSERT發(fā)生時(shí)，
PCTFREE決定了該塊所能容納的最多的數(shù)據(jù)，即，剩余空間占數(shù)據(jù)塊實(shí)際空間的百分比不小于PCTFREE。
空間估算中PCTFREE是很一個(gè)很重要的參數(shù)。
2。對(duì)于在表上進(jìn)行的事務(wù)(TRANSACTION)類型要有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，因?yàn)檫@會(huì)幫助如何更好的確定PCTFREE & PCTUSED。
例如：
如果PCTFREE的值太大，記錄又可能很長(zhǎng)，這會(huì)引起行鏈接(ROW-CHAINING)，同時(shí)空間利用率也不高；如果PCTFREE的值太小，會(huì)影響塊數(shù)據(jù)記錄的增長(zhǎng)，容易引起行遷移(ROW-MIGURATING)；
如果PCTUSED的值太大，空間上似乎沒(méi)什么問(wèn)題，但數(shù)據(jù)塊的操作上又有潛在的性能問(wèn)題，因?yàn)閿?shù)據(jù)塊需要在
FREELIST上反復(fù)搬動(dòng)；
如果PCTUSED的值太小，則又出現(xiàn)了空間利用率不高的問(wèn)題。
3。PCTFREE & PCTUSED表示的是DB_BLOCK_SIZE減去數(shù)據(jù)塊頭后的百分比值。
4。ORACLE采用的是延遲寫(DELAYED CLEANOUT)方式來(lái)完成事務(wù)處理，所以由DELETE及UPDATE等操作釋放的空間并不會(huì)
馬上被利用。這一點(diǎn)在數(shù)據(jù)變化頻繁時(shí)需要加以考慮。
5。記錄結(jié)尾空值(TRAILING NULLS)不占存儲(chǔ)空間，但如果出現(xiàn)在記錄中間，則會(huì)占用1 byte。所以O(shè)RACLE建議盡可能
將經(jīng)常出現(xiàn)空值的列放在結(jié)構(gòu)定義的尾部。
6。CHAR,DATE是定長(zhǎng)數(shù)據(jù)類型，NUMBER，VARCHAR2，LONG，LONG RAW等是變長(zhǎng)數(shù)據(jù)類型。其中DATE的長(zhǎng)度固定為7 BYTES，
包括世紀(jì)，年，月，日，時(shí)，分，秒。

方法一：

對(duì)表的空間估算
根據(jù)以下步驟確定表對(duì)空間占用的情況。要注意的是這里給出的是該表初始建立時(shí)所占的空間。
一。數(shù)據(jù)塊頭的大小
block header = fixed header + variable transaction header + table directory + row directory
where:
fixed header = 57 bytes
variable transaction header = 23 * i (i 代表 INITRANS的值，這是個(gè)動(dòng)態(tài)值，最大不超過(guò)MAXTRANS)
table directory = 4 * n (對(duì)于非CLUSTERED表來(lái)講n=1)
row directory = 2 * x (x=該數(shù)據(jù)塊中的記錄數(shù))
說(shuō)明：
1。VARIABLE TRANSACTION HEADER代表的是發(fā)生在此數(shù)據(jù)塊上的事務(wù)所占用的空間。每個(gè)事務(wù)占用23 BYTES，
一般情況下(INITRANS=1)，塊頭部會(huì)保留23 BYTES，更多的事務(wù)要占用空間會(huì)利用PCTFREE所保留的空間。所以
隨著事務(wù)的增加，數(shù)據(jù)塊頭會(huì)向下“長(zhǎng)”也是這個(gè)道理。
2。隨著塊中記錄數(shù)量的增加，ROW DIRECTORY的值也會(huì)增加，這樣也會(huì)增加塊頭部的大小。并且，即使后來(lái)刪除了
這些記錄，塊頭也不會(huì)“回縮”。
有了這些概念，如上述公式，假定INITRANS=1，數(shù)據(jù)塊頭的大小為：
block header = 57 + 23 + 4 + 2x = (84 + 2x) bytes

二。塊中可用的空間為：
available data space = (block size - total block header) -
((block size - total block header) * (PCTFREE/100))
假定BLOCK SIZE=2K，PCTFREE=10，即：
available data space = (2048 - (84 + 2x)) - ((2048 - (84 + 2x)) * (10/100))
= (1964 - 2x) - ((2048 - 84 - 2x) * (10/100))
= (1964 - 2x) - (1964 - 2x) * 0.1
= (1964 - 2x - 196 + 0.2x) bytes
= (1768 - 1.8x) bytes

三。計(jì)算每條記錄的長(zhǎng)度：
這取決于三個(gè)方面，
1。表中定義的列的個(gè)數(shù)
2。每列的類型
3。變長(zhǎng)列的平均長(zhǎng)度(根據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)類似的測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù))
SELECT AVG(NVL(VSIZE(col1), 1)) +
AVG(NVL(VSIZE(col2), 1)) +
... +
AVG(NVL(VSIZE(coln), 1)) "SPACE OF AVERAGE ROW "
FROM table_name;
注：記錄結(jié)尾的列如果不空，上述公式有效；如果結(jié)尾的列為空，該列長(zhǎng)被計(jì)為0。

舉例來(lái)講，我們創(chuàng)建了TEST表，
CREATE TABLE test ( A CHAR(10), B DATE, C NUMBER(10, 2));
我們可以通過(guò)
SELECT AVG(NVL(VSIZE(A), 1)) +
AVG(NVL(VSIZE(B), 1)) +
AVG(NVL(VSIZE(C), 1)) "SPACE OF AVERAGE ROW "
FROM test;
來(lái)估算每條記錄的大小。
如果測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)不存在，則需要分別考慮各列的情況。
1。對(duì)于定長(zhǎng)列，每條記錄的該列值也是定長(zhǎng)；
2。對(duì)于變長(zhǎng)列，首先要估計(jì)該列的平均值，然后再?zèng)Q定該值需要多大空間。
就TEST表來(lái)講，A列與B列均為定長(zhǎng)列，所以他們分別需要10及7 BYTES來(lái)存儲(chǔ)。對(duì)于C列，
假設(shè)平均該值有8位長(zhǎng)度，由于是數(shù)字類型，所以存儲(chǔ)長(zhǎng)度為：
average length column C = (average_precision/2 + 1) bytes
= (8/2 + 1) bytes
= 5 bytes

這樣， average row (for columns)= (A + B + C)
= (10 + 7 + 5) bytes
= 22 bytes

四。記錄平均存儲(chǔ)空間為：
average row size = row header + F + V + D
其中:
row header = 3 bytes (非CLUSTER表)
F = 列長(zhǎng)的總和(1 byte表示長(zhǎng)度的列，CHAR, NUMBER, DATE, and ROWID types)
V = 列長(zhǎng)的總和(3 bytes表示長(zhǎng)度的列，CHAR, LONG, RAW, LONG RAW datatypes)
D = average row (for columns,from above)
說(shuō)明：
1。由于每列數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)需要額外的位來(lái)表示其長(zhǎng)度，通常，如果該列值> 250，需要3 bytes表示，
如果 <250，需要1 byte表示，
2。對(duì)于NON-CLUSTERED表，average row size最小值為9，所以如果上述值小于9，則要用9 bytes計(jì)算。

再看TEST表，
average row size = row header + F + V + D
= 3+(1*3)+(3*0)+22
= 28 bytes

五。平均每塊中的記錄數(shù)為，
average number of rows per block = floor(available data space / average row size)
x = floor((1768-1.8x)/28)
28x =1768-1.8x
x = 59 (近似值)
根據(jù)記錄量的大小，例如TEST表中有10000條記錄，可以算得該表需要的數(shù)據(jù)塊數(shù)量：
number of blocks
for the table = number of rows / average number of rows per block
= 10000/59
= 169 blocks (近似值)

從而得到該表可能占據(jù)的存儲(chǔ)空間為169*db_block_size.
對(duì)索引空間的估算
一。數(shù)據(jù)塊頭的大小
block header size = fixed header + variable transaction header
其中:
fixed header = 113 bytes
variable transaction header = 23*i (i=INITRANS)
假定INITRANS=2，
block header size = 113 + (23 * 2) bytes
= 159 bytes

二。數(shù)據(jù)塊中可供INDEX使用的空間為：
available data space = (block size - block header size) -
((block size - block header size) * (PCTFREE/100))
假定PCTFREE=10，DB_BLOCK_SIZE=2K
available data space = (2048 bytes - 159 bytes) -
((2048 bytes - 159 bytes) * (10/100))
= 1889 bytes - 188.9 bytes
= 1700.1 bytes

三。INDEX entry的長(zhǎng)度
與表的計(jì)算方法類似，估算出被索引的列的平均長(zhǎng)度之和，利用下面公式得到每一條INDEX ENTRY的長(zhǎng)度。
bytes per entry = entry header + ROWID length + F + V + D
其中:
entry header = 1 byte
ROWID length = 6 bytes
F = 列長(zhǎng)的總和(1 byte表示長(zhǎng)度的列，CHAR, NUMBER, DATE, and ROWID types)
V = 列長(zhǎng)的總和(3 bytes表示長(zhǎng)度的列，CHAR, RAW datatypes)
D = 被索引列長(zhǎng)之和 (from above)

如果我們?cè)赥EST表上建立了在A，B，C三列上的一個(gè)索引，則D=22，于是
bytes per entry = 1 + 6 + (3 * 1) + (3 * 0) + 22 bytes
= 32 bytes

四。于是，該索引所需要的數(shù)據(jù)塊數(shù)量為：
number of blocks
for index = 1.1 * ((number of not null rows * avg. entry size) /
((floor (avail. data space / avg. entry size)) *
(avg. entry size))

注：這里帶入了系數(shù)1.1主要考慮到INDEX的建立需要分支(BRANCH ENTRY BLOCKS)
number of blocks
for index = 1.1 * ((10000 * 32 bytes) / ((floor (1700/32 bytes)) *
(32 bytes))
= 208 blocks

從而得到該表可能占據(jù)的存儲(chǔ)空間為208*db_block_size.

方法二：
利用ANALYZE進(jìn)行空間估算
如果可以建立一個(gè)模擬環(huán)境(模擬數(shù)據(jù)或者實(shí)際數(shù)據(jù))，也可以利用ANALYZE命令來(lái)進(jìn)行空間估算。
具體方法為：
一。ANALYZE TABLE testtable COMPUTE STATISTICS
在DBA_TABLES中有下面的列
=========================================
AVG_SPACE 表中平均剩余空間
AVG_ROW_LEN 平均一條記錄的長(zhǎng)度
OWNER 表的所有者
TABLE_NAME 表名
NUM_ROWS 表中記錄數(shù)
=========================================

則：
表的大小(估計(jì)值) = DB_BLOCK_SIZE* ceil(實(shí)際表中記錄數(shù)/floor((DB_BLOCK_SIZE-AVG_SPACE)/AVG_ROW_LEN))

二。ANALYZE INDEX testindex COMPUTE STATISTICS
在DBA_INDEXES中有下面的列
=========================================
OWNER 索引的所有者
INDEX_NAME 索引名
TABLE_OWNER 索引的基表所有者
TABLE_NAME 索引的基表
LEAF_BLOCKS 索引中葉子塊數(shù)
BLEVEL B-Tree level: B-tree的深度，
如果為0表示根與葉子在同一個(gè)LEVEL上.
=========================================

則：
索引的大小(估計(jì)值) = LEAF_BLOCKS*ceil(實(shí)際表中記錄數(shù)/NUM_ROWS);
如果BLEVEL <> 0,還需要考慮再加上一個(gè)系數(shù)，用來(lái)包含用作分支(BRANCH)塊的空間。
此外，在INDEX_STATS視圖中包含了更詳細(xì)的有關(guān)索引空間及結(jié)構(gòu)上的分配情況，這需要事先進(jìn)行
ANALYZE INDEX testindex VALIDATE STRUCTURE的動(dòng)作。有興趣可以詳細(xì)參見(jiàn)該視圖的定義。

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