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TimesTen内存数据库架构与实践

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    本书首先综合介绍了内存计算的发展趋势, 内存计算的基本概念和场景的内存计算产品和架构。然后从深度上详细介绍了Oracle内存数据库TimesTen,由浅入深, 配合实际的操作脚本和源程序, 包括TimesTen的基本原理和架构, 如何安装和配置, 内存数据库缓存的架构和配置, 高可用性的架构和配置, 与Oracle数据库之间的数据迁移, TimesTen应用程序的开发, TimesTen架构最佳实践。

　　第一次接触TimesTen是在2001年左右，当时我的领导从Sybase公司拿回一本TimesTen技术手册让我研究，由于没有具体项目需求，因此这本书很快就被遗忘在故纸堆中。2005年，TimesTen被Oracle公司收购，随后是闪存存储的普及，x86架构逐渐成为标准，云计算和大数据时代的到来。在所有这些技术趋势中，内存计算是其中不可忽略的一种。内存计算并非一种新技术，但直到2010年后才逐渐成为主流，这其中包括TimesTen、HANA、Coherence和Redis等内存计算产品，一方面是由于软硬件发展条件已经成熟，另一方面也源于云计算大数据时代不断涌现的新型业务需求。2011年我加入Oracle公司，有了深入接触TimesTen的机会，同时在大量客户接触中，发现内存计算可应用的场景越来越丰富，使用范围也越来越广泛。虽然TimesTen有大量英文手册，却缺乏一本系统讲述TimesTen基本概念与核心精髓的入门和指导型书籍，因此我决定撰写一本介绍TimesTen内存计算架构的专著。

　　本书适用于不同类型的读者。如果你是数据库管理员，可以学习TimesTen数据库的内部结构，TimesTen内存数据库与传统关系型数据库的异同，如何进行内存数据库的管理、运维、监控和调优。如果你是架构师，可以了解如何利用新型的内存计算技术简化整体架构设计，释放后端传统磁盘数据库压力，满足大数据时代应用性能和可扩展性需求。如果你是应用开发人员，可以学习如何使用标准的ODBC/JDBC接口和流行的Java、C#和C/C++语言进行TimesTen内存数据库应用开发。

　　我希望本书能帮助读者编写出更高效的应用，设计出更敏捷的架构。阅读本书的唯一先决条件是对关系型数据库有基础的了解，包括数据库事务概念、表和索引对象、SQL操作等。如果读者具备Oracle数据库管理、关系型数据库应用开发或系统架构设计能力中的一种，对于理解本书内容也大有裨益。

　　本书全部内容分为10章，每一章各讨论TimesTen内存数据库的一个重要方面。本书目录结构的设计是从基础概念和架构开始，逐步深入到日常管理和操作、应用层数据库缓存和数据库高可用性等TimesTen高级特性。本书建议的阅读方式是从第1章开始逐章阅读，并结合动手实验，对于TimesTen有一定了解的读者也可以直接阅读感兴趣的章节。

　　第1章首先简要介绍了内存计算的发展历史，以及推动内存计算发展的软硬件技术和新型企业应用需求；然后对内存计算技术的概念和分类进行了阐述；最后简要介绍了当前主流的内存数据管理产品，以使读者对内存计算技术发展概况有一个基本的了解。

　　由于本书的特点是基础理论和动手实践相结合，并且后续章节大部分概念的讲述都配备有实际操作示例，因此第2章详细介绍了如何搭建TimesTen内存数据库操作环境，包括准备工作、安装TimesTen服务器和客户端软件、创建TimesTen数据库，以及安装目录结构的简要说明。最后列举了常用的TimesTen学习资源，以便读者进行持续和深入的学习。

　　无论是开发者、数据库管理员还是架构师，对于数据库基本概念和架构的了解都是必须的。尽管TimesTen是标准的关系型数据库，但基于内存的架构使其与传统基于磁盘的数据库有显著不同。第3章介绍了TimesTen内存数据库最基础也是最重要的概念，包括TimesTen数据库实例架构、TimesTen事务管理、TimesTen数据库生命周期管理，即数据库从创建、加载、卸载到销毁的整个过程。最后介绍了TimesTen数据库最典型的三种部署模式。

　　第4章进入TimesTen数据库的实际操作，本章涉及的内容包括TimesTen数据库关键特性概览，TimesTen数据源概念，如何启动、连接和关闭TimesTen数据库，操作系统和数据库层面的访问控制，以及如何操作数据库中的表、索引、视图和PL/SQL等对象。

　　工欲善其事，必先利其器。第5章全面介绍了TimesTen数据库常用管理工具，包括交互式SQL工具ttIsql、TimesTen内置过程和TimesTen实用程序。性能是内存数据库的优势，同时也是用户关注的重点，本章介绍的TimesTen Benchmark工具和TimesTen建议器可以为用户建立性能基线，进行性能测量和提供性能调优建议。SQL Developer和Oracle企业管理器是传统的Oracle数据库管理工具，同时也支持TimesTen数据库的管理，本章也简要介绍了这两种管理工具与TimesTen的结合。公有云是未来IT发展的趋势，本章最后介绍了如何使用新型的Oracle日志分析云服务进行TimesTen日志模式查询，关联分析，以加速问题定位和解决过程。

　　TimesTen可作为独立数据库运行，也可以作为Oracle数据库的内存缓存，前者需要将关系型数据库中数据迁移到TimesTen，后者通常也需要迁移数据以验证TimesTen的性能。第6章介绍了多种实现数据迁移的TimesTen工具，包括传统的SQL Developer工具、文本导入导出工具以及TimesTen特有的命令、实用程序和缓存导入方式，并重点讲述了TimesTen在整数和变长字符串类型实现方式上与Oracle数据库数据类型的区别。此外，本章的另一个主题是介绍TimesTen数据库内存容量监控和规划，以保证TimesTen有足够的内存空间并可以应对未来内存容量的增长。

　　作为Oracle数据库的应用层数据缓存是TimesTen最重要的特性之一，也是TimesTen区别于其他内存计算产品的主要特点。第7章全面介绍了TimesTen缓存组的基本概念、缓存组数据操作和缓存组分类，并使用大量示例说明如何配置只读、AWT、SWT、用户自管理和全局缓存组以及它们的特点与区别。在此基础上，本章深入介绍了缓存组的应用模式，包括滑动时间窗和数据分片。最后介绍了TimesTen特有的透传模式以及如何选择合适的缓存架构。

　　高可用性是关键业务系统最重要的非功能性需求之一。TimesTen内存数据库不仅提供极致性能，同时也可以确保关键应用的业务连续性。第8章介绍了TimesTen丰富的高可用实现技术手段和拓扑形式，包括传统复制、ASP主从模式和Oracle Clusterware集群模式，并结合大量示例说明如何构建和管理各种复制模式，以及在服务器端和客户端两个层面的错误切换和恢复过程，最后介绍了对TimesTen复制环境进行监控的多种方式。

　　数据备份是实现数据保护最基本和最重要的手段，第9章介绍了多种TimesTen数据库备份和恢复工具和方式，包括物理和逻辑备份、全量和增量备份等，以及如何利用数据备份与恢复实现数据库的变更和数据库的同平台或跨平台迁移。最后介绍了多种TimesTen数据库的升级方法，包括离线升级、就地升级以及结合复制实现业务最高可用性的在线升级。

　　日趋复杂和不断变化的业务需求不仅需要稳定和高效的系统支撑，同时也要求更高的应用开发效率。TimesTen作为Oracle公司旗下产品，同时也是标准的关系型数据库，在应用开发上与Oracle数据库有许多相似之处，开发人员从Oracle数据库应用开发转向TimesTen时，可以充分利用已有知识，轻松实现应用的快速开发。第10章对TimesTen数据库应用开发进行了专门介绍，并给出了Java、Pro*C、OCI和.NET四种常用开发语言连接TimesTen数据库的示例。最后介绍了TimesTen应用开发最佳实践，包括数据库应用开发通用建议以及TimesTen数据库应用开发特定建议。

　　附录A为TimesTen中英文术语对照表。由于本书是第一本系统阐述TimesTen内存数据库的中文专著，并且TimesTen的官方帮助文档和知识库均只有英文版，在阅读此书的过程中需要经常参照这些资源；因此附录A试图为TimesTen英文术语的中译建立标准，形成读者之间相互沟通的共同语言，并方便中文读者在查阅英文文档时有清晰的概念对应。

　　本书的一大特色是理论与动手实践相结合，在计算机旁阅读此书是最佳的方式，可以对书中的概念进行验证和探索。全书附带大量脚本和代码，以加深读者对产品特性和基本概念的理解，所有脚本和代码均按章节组织，可以从清华大学出版社相关页面下载。

　　我衷心感谢在出书过程中给予帮助与指导的所有朋友和同事。感谢清华大学出版社的王芳编辑，通过CSDN联系到我并促成了此书的出版。感谢Oracle公司的同事马文锋、刘晓宇、张军华、梁铭豪、刘凯斌，TimesTen中国区产品经理Jason Yang，Oracle公司总部TimesTen产品经理Chris Jenkins，TimesTen架构师Sam Drake和TimesTen开发总监ChihPing Wang，以及Paul Tuck，Rajesh Pradhan，James Healy，Doug Hood，Jeremy Palmer等人，感谢他们通过Oracle TimesTen内部论坛、电话、邮件及现场对我提出问题的耐心指导和答疑，这本书的出版也有他们的功劳。最后，我想对我的父母说： “这本书是献给你们的，我终于完成了你们希望我出一本书的心愿，谢谢你们！”

　　萧宇

　　2017年2月24日于北京

　　第5章TimesTen内存数据库管理工具

　　5．1SQL Developer图形化管理工具

　　SQL Developer是Oracle提供的免费图形化管理工具，可提高数据库管理效率并简化数据库开发。SQL Developer不仅可以管理Oracle和MySQL数据库，同时也支持TimesTen数据库。必须在SQL Developer所在主机上安装TimesTen客户端，在界面中才会出现TimesTen数据库管理菜单和页面。如图51所示，如果SQL Developer成功识别到TimesTen客户端中的驱动，在About Oracle SQL Developer菜单中即可显示TimesTen插件的信息。SQL Developer既可以安装在开发管理人员的客户端主机，也可以安装在TimesTen服务器端，在TimesTen服务器软件中，通常已包含了TimesTen客户端软件。

　　图51SQL Developer关于菜单中TimesTen插件信息

　　在TimesTen服务器软件安装完成后，SQL Developer往往是用户使用的第一个与TimesTen数据库交互的软件，这源于其直观友好的图形化界面,以及与管理Oracle数据库类似的操作习惯。

　　使用SQL Developer管理TimesTen数据库的第一步是配置数据库连接，在4．4．2节详细介绍了三种连接TimesTen数据库的配置方法。连接到TimesTen数据库后，即可操作TimesTen数据库对象，执行特定的TimesTen数据库的管理任务。

　　尽管大部分SQL Developer中的操作都可以通过命令行完成，但图形化和基于向导的界面使一些任务通过SQL Developer完成更加简捷，并且是命令行无法替代的。以下为建议使用SQL Developer完成的任务。

　　1. 缓存组配置和管理

　　缓存组是TimesTen最重要和独有的特性之一，详细的介绍请参见第7章： TimesTen应用层数据库缓存。由于缓存组配置和属性组合比较复杂，通过图形化管理比命令行更直观，效率更高，且不易出错。

　　2. SQL Worksheet

　　SQL Worksheet又称SQL工作台，是图形化的交互式SQL执行工具。如图52所示，此界面在连接到数据库后自动出现，也可以在Tools菜单下打开。在此界面中可以方便地编辑和执行SQL语句，既可以执行整个脚本，也可选择其中部分语句执行。SQL执行输出中包括执行状态和执行耗时。所有执行的SQL语句均保存在SQL历史中，方便重复调用和修改。

　　SQL Worksheet中整合了索引建议器功能，另外其可以直观地显示SQL执行计划，方便进行SQL语句的调优。

　　图52SQL Developer中的SQL Worksheet

　　3. 从Oracle数据库加载数据到TimesTen表对象

　　可实现Oracle数据到TimesTen的迁移，一般用于数据初始化或性能测试与对比。详细介绍可参见6．1．6节： SQL Developer图形化管理工具。

　　4. 浏览和操作数据库对象

　　由于TimesTen是标准的关系型数据库，因此在SQL Developer中大部分的操作与Oracle类似，例如对于最常用的表对象，可以通过SQL标签页得到表的定义，或通过Model标签页进行数据库建模。比较重要的区别是TimesTen可以为普通表定义缓存属性以及整数和变长字符串数据类型的内部实现方式。浏览和操作TimesTen数据库对象如图53所示。

　　图53浏览和操作TimesTen数据库对象

　　5. 索引建议器

　　对于TimesTen 11．2．2．4及以上版本，索引建议器支持从连接或数据库层面评估SQL工作负载，并生成索引建议，这是一个非常有用的性能调优工具，详细介绍请参见5．7．1节：索引建议器(Index Advisor)。

　　6. 数据导入导出

　　数据导入导出支持在相同或不同数据库之间导入和导出数据库对象或对象中数据，可实现数据库间数据迁移和数据逻辑备份。在SQL Developer中有多处可实现数据导入导出，包括View菜单下的收藏车(Cart)，Tools菜单下的数据库导出向导和数据库迁移向导等，详细介绍请参见6．1．6节： SQL Developer图形化管理工具。

　　7. TimesTen性能分析报告

　　TimesTen 11．2．2．5及以上版本支持生成性能分析报告，此功能类似Oracle数据库的AWR报告，通过建立两个时间点的性能快照并比较，从而生成涉及事务、SQL、锁、缓存组及复制等方面的性能分析报告。通过右键单击TimesTen数据库连接，选择TimesTen Performance Metrics菜单即可使用此功能。

　　以下为生成性能分析报告的简要步骤，生成报告如图54所示。

　　(1) 为执行性能分析报告的用户赋权。

　　由于性能分析报告通过调用TT_STATS PL/SQL包实现，因此必须对用户赋予此PL/SQL包的权限：

　　Command>grant all on TT_STATS to ttuser。

　　(2) 通过Create Snapshot...子菜单创建第一个时间点性能快照。

　　(3) 运行工作负载。

　　(4) 通过Create Snapshot...子菜单创建第二个时间点性能快照。

　　(5) 在Report子菜单中选择两个快照并生成报告。

　　图54SQL Developer中的性能分析报告

　　8. TimesTen预定义和自定义报告

　　在SQL Developer中的Reports页面，包含了大量数据库和对象层面预定义报告，包括数据字典报告、数据库及对象报告、缓存组报告和性能及安全报告等，对于了解TimesTen数据库的整体结构和概貌非常有用。用户也可以通过SQL脚本生成自定义报告，例如，图55是使用4．6．2节中SQL脚本生成的索引报告。

　　图55TimesTen预定义和自定义报表

　　总之，SQL Developer功能丰富强大，是管理TimesTen数据库不可或缺的工具，以上只简要介绍其中比较重要的功能，更详细的说明参见Oracle SQL DeveloperTimesTen数据库支持用户手册https://docs.oracle.com/cd/E39885_01/doc.40/e39882.pdf。

　　5．2交互式SQL工具ttIsql

　　ttIsql是TimesTen提供的交互式SQL工具，类似于Oracle数据库的SQL*Plus或Sybase数据库的Isql。通过ttIsql，不仅可以执行标准的SQL命令，还可以执行TimesTen内置过程来执行数据库的管理、运维和监控任务。ttIsql可以完成的典型任务包括：

　　(1) 执行SQL和PL/SQL，包括DDL、DML语句和过程及函数。利用DDL语句创建表、索引、存储过程和序列对象，后续修改表的定义等。利用DML语句执行事务，对表中的数据进行增删改查等操作。ttIsql同时对标准SQL进行了扩展，包括设置透传模式，从Oracle数据库中迁移数据等。

　　(2) 执行内置过程，进行数据库的管理和维护，包括数据库进程监控、数据库空间监控、缓存管理和监控、复制管理和监控、更新表的统计信息、优化查询计划。

　　ttIsql有两个编译版本，其中ttIsql使用直连驱动，适用于ttIsql程序与数据库位于同一主机的情形。如果数据库位于远端服务器，则必须使用客户端驱动的ttIsqlCS访问。

　　5．2．1ttIsql命令行选项

　　通过ttIsql h可以显示ttIsql帮助以及ttIsql所支持的命令行选项，例如：

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