Oracle 記憶體架構深度解析：PGA、UGA、CGA 三大進程記憶體區域運作機制

前言

除了 SGA (System Global Area)，Oracle 進程還使用三大進程私有記憶體區域：PGA (Program/Process Global Area)、UGA (User Global Area)、CGA (Call Global Area)。理解三者關係、內容組成、記憶體位置 (專用/共用伺服器模式)、動態分配與釋放機制，是診斷 ORA-4030、優化排序/雜湊、配置大頁面記憶體的核心基礎。

一、三大區域關係圖譜

進程
├── PGA (進程級，私有)
│   ├── Fixed PGA (原子變數、指標)
│   └── Variable PGA (PGA Heap)
│       ├── UGA (會話級，專用伺服器模式下為 PGA 子堆)
│       │   ├── Fixed UGA (~70 原子變數)
│       │   └── Variable UGA (UGA Heap)
│       │       ├── Open Cursors 持久區
│       │       ├── Package State/Variables
│       │       ├── Java Session State
│       │       ├── Enabled Roles
│       │       ├── Trace Events
│       │       ├── NLS Parameters
│       │       ├── Open DB Links
│       │       └── Session Access Control
│       └── CGA (呼叫級，PGA 子堆)
│           ├── SQL Parse/Execute/Fetch 狀態
│           ├── Recursive Call 緩衝
│           ├── Direct I/O Buffers
│           └── Java Call Memory (New/Old/Stack Space)
└── (共用伺服器模式：UGA 在 Shared Pool，PGA 僅含進程狀態)

二、PGA (Program/Process Global Area)

特性

• 進程私有記憶體，非共享記憶體
• 每個 Oracle 伺服器進程擁有獨立 PGA
• 無需 Latch 保護 (其他進程無法存取)
• 進程終止時自動釋放，資源清理機制天然可靠

組成

PGA Heap 永久分配依賴參數

• DB_FILES
• LOG_FILES
• CONTROL_FILES

三、UGA (User Global Area)

內容

• 開啟游標的持久運行時區域
• 套件狀態、變數
• Java 會話狀態
• 啟用的 Roles
• 啟用的 Trace Events
• 生效的 NLS 參數
• 開啟的 DB Links
• 會話存取控制

組成

UGA Heap 永久分配依賴參數

• OPEN_CURSORS
• OPEN_LINKS
• MAX_ENABLED_ROLES

記憶體位置：專用 vs 共用伺服器

四、CGA (Call Global Area)

特性

• 短暫存在：僅在資料庫呼叫期間 (Parse/Execute/Fetch)
• 遞歸呼叫需要獨立 CGA
• 無論 UGA 在 PGA 或 Shared Pool，CGA 總是 PGA 子堆
• 推論：呼叫期間會話必須綁定進程 → MTS 環境需足夠進程數應對並發呼叫

內容

• 遞歸呼叫資訊 (資料字典查詢、最佳化、觸發器執行)
• Direct I/O Buffers
• 其他臨時資料結構 (呼叫結束即釋放)

UGA 必須持久化的結構 (不在 CGA)

• SQL Area
• PL/SQL Area
• Sort Area

Java Call Memory (CGA 內特殊區域)

• 三代空間：Stack Space、New Space、Old Space
• New Space 多次 GC 存活 → 晋升 Old Space
• Oracle 記憶體管理中唯一的「垃圾回收」機制

五、進程記憶體動態分配

增長機制

• SGA 啟動後固定，PGA 動態增長
• 透過 malloc() / sbrk() 系統呼叫擴展堆
• OS 新虛擬記憶體 → PGA Heap 新區 (Extent，通常數 KB)
• 若需求大，可分配數千個 Extent

OS 限制與 ORA-4030

• 單進程堆上限：Kernel 參數 MAXDSIZ (可每進程調整)
• 系統全域虛擬記憶體上限：與 Swap Space 相關
• 超過任一限制 → ORA-4030: out of process memory
• 多數情況因 Swap 不足，而非單進程限制

診斷工具

• OS 層：swap -l, vmstat, prstat
• Oracle 內建：maxmem 工具 (部分平台) 檢視單進程最大堆與首個觸發限制

解決策略

六、進程記憶體釋放與收縮

監控視圖

觸發收縮操作

• 磁碟排序合併階段
• DBMS_SESSION.FREE_UNUSED_USER_MEMORY (僅 MTS 模式可用)
• DBMS_SESSION.RESET_PACKAGE 釋放套件變數記憶體
• 指派新空陣列給陣列變數

釋放機制細節

• 僅完整的 Free Heap Extent 歸還父堆/進程堆
• 內部自由空間仍保留在 Subheap 中
• 大多數 OS：Oracle 不歸還虛擬記憶體給 OS，進程虛擬記憶體維持高水位 (HWM)
• 閒置頁面會被換出 Swap

OS 統計難讀原因

進程虛擬記憶體長期維持 HWM，不反映實際使用量。必須使用 Oracle 內部統計 (V$SESSTAT/V$PROCESS_MEMORY) 替代 OS 統計。

七、MTS 環境特殊考量

• DBMS_SESSION.FREE_UNUSED_USER_MEMORY 僅 MTS 可用，釋放大型套件陣列記憶體回 Large Pool/Shared Pool
• 優先使用 RESET_PACKAGE 或指派空陣列
• 呼叫並發高時需增加 PROCESSES 參數 (因 CGA 綁定進程)

結語

PGA/UGA/CGA 三層記憶體架構精確對應進程/會話/呼叫三個生命週期，設計極具工程美感。關鍵洞見：
1. UGA 位置隨架構切換 (專用→PGA，共用→Shared Pool) 是 MTS 記憶體規劃核心
2. CGA 綁定進程 限制 MTS 並發度，需權衡 PROCESSES 參數
3. 記憶體不歸還 OS 導致 OS 統計失真，必須依賴 V$ 視圖
4. Java Call Memory 唯一 GC 機制影響 JVM 內存模型理解
掌握此架構，配合 PGA_AGGREGATE_TARGET (9i+) 或 SORT_AREA_SIZE (8i) 自動管理，可構建穩定高效的記憶體運作環境。