Введение в оптимизацию запросов

Другие физические встроенные операции

Две наиболее часто используемые реляционные операции - выборка и проекция - реализованы с помощью других физических операций. Это позволяет оптимизатору выполнять эти операции за наименьшее возможное время в плане доступа, непосредственно ограничивающего количество данных, которым остаток плана должен управлять. Реализация операции проекции далее усиливает выполнение доступа только через индекс, когда это подходит.

Выборка (Select). Операция выборки ограничивает доступ к строкам, которые не удовлетворяют логике предиката запроса. Эти предикаты оцениваются как можно раньше при выполнении запроса, который поступает обычно, когда строка, содержащая колонки в предикате, обрабатывается в первый раз. Каждый физический оператор доступа к файлу в SQLBase проверяет предикат для фильтрования строк при обработке таблицы. Если предикаты в запросе являются конъюнкцией, формируется логика, называемая обрыванием логической цепочки (short-circuit), для тестирования обрабатываемых строк. Это позволяет отказаться от обработки строк, как только встречается первое несоответствие условию запроса.

Когда оптимизатор оценивает стоимость запроса, действие предикатов, используемое в операции выборки, принимается во внимание посредством статистики, называемой фактором селективности (selectivity factor). Это отношение представляет собой пропорцию строк в таблице, которые, как можно было ожидать, будут выбраны в конкретном предикате. Оптимизатор делает свои оценки этого фактора на основе статистики, связанной с индексами таблицы и некоторыми эвристиками, касающимися операций сравнения предикатов.

Проекция (Project). Операция проекции реализуется совместно с другими физическими операторами, передавая им список колонок, которые должны быть выбраны. Этот оператор затем только включает эти колонки в свой выходной файл. Выполнение проекции как можно раньше в плане запроса ограничивает ширину временной таблицы и результирующего множества, таким образом экономя пространство в памяти и на диске. Заметим, что одним посторонним действием выполнения проекции во время доступа к странице является возможное ограничение ввода/вывода благодаря отказу от доступа к экстентам или страницам LONG VARCHAR, которые не содержат требуемых колонок.

Доступ к таблице только через индекс (Index-only table access). Одним из эффектов встраивания операции проекции в другие физические операции является возможность выполнить доступ только через индекс. Это случается тогда, когда колонки, специфицируемые в проекции, все представлены в индексе. Этот индекс также можно использовать, когда предикат требуется для операции выборки. Когда это происходит, оптимизатор решает, что требования к данным запроса могут быть удовлетворены без доступа к страницам данных таблицы. Это может привести к значительному сокращению операций ввода/вывода, в зависимости от числа строк, которые удовлетворяют предикату запроса.

Структура плана запроса

Когда оптимизатор группирует множество физических операций для выполнения утверждения SQL, то полученная спецификация называется планом запроса (query plan).

Аналогия с задачей программирования делает роль плана запроса проще для понимания. Программист кодирует инструкции на языке высокого уровня, которые затем компилируются для получения выполняемого программного кода. Это выполняемая форма использует машинные команды для того, чтобы сказать CPU, что нужно делать. CPU выполняет машинные инструкции, а не первоначальный код.

Аналогично, программист кодирует утверждения SQL, которые затем обрабатываются оптимизатором для производства выполняемой формы этого кода. Эта выполняемая форма кода есть план запроса.

Дерево запроса

Одним из способов представления запроса, которое обеспечивает понимание механизма его выполнения, является дерево запроса (query tree). Дерево запроса представляет собой древовидную структуру, в которой окончательный результат запроса находится на вершине дерева (в его корне) и таблицы БД, участвующие в запросе, являются листьями этого дерева. Промежуточные узлы дерева представляют физические операции, которые должны выполняться во время запроса. Когда план запроса выполняется, то последовательность обхода узлов осуществляется снизу вверх и слева направо.

Следующий пример показывает дерево запроса для утверждения SQL, которое получает имена авторов книг, опубликованных в 1993 году:

SELECT A.NAME
FROM AUTHORS A, BOOCKS B
WHERE (B.DATE_PUBLISHED ='1993') AND (A.NAME = B.NAME);

Рис. 15.1. Дерево запроса

Построение дерева запроса

Когда оптимизатор строит деревья запросов для оценки стоимости и возможного окончательного выбора, он использует некоторые правила, которые управляют размещением различных узлов дерева. Эти правила позволяют оптимизатору ограничить число узлов дерева запросов, которые строятся для дальнейшего решения задачи оценки стоимости. Ограничивая возможные альтернативы путей доступа таким образом, оптимизатор может выполнить обработку более эффективным способом.

Одна из важнейших эвристик состоит в использовании правил, таких как выполнение операций проекции и выбора как можно раньше. Это так, потому что эти операции могут ограничить размер результирующего множества. На рис. 15.2 оптимизатор улучшает дерево запросов, применяя выборку сначала для ограничения числа строк, которые являются входом операции эквисоединения.

SELECT A.NAME
FROM AUTHORS A, BOOCKS B
WHERE (B.DATE_PUBLISHED ='1993') AND (A.NAME = B.NAME);

Рис. 15.2. Использование эвристических правил для увеличения эффективности запроса

Следовательно, когда несколько операций выборки выполняется в запросе для доступа к таблице, операции с наименьшим значением фактора селективности выполняются позже по дереву для того, чтобы ограничить размер промежуточных результатов как можно раньше по мере возможности. Конечно, предикаты могут быть оценены в зависимости от того, когда все данные, указываемые в предикате, являются доступными. SQLBase преобразует некоторые предикаты для того, чтобы оценить затем их как можно раньше.

Преобразование логики предиката

Когда несколько предикатов указаны в реляционной операции выборки, важная эвристика состоит в том, чтобы преобразовать их в эквивалентные условия в конъюнктивной форме, которая состоит в перегруппировке логических условий в предикате. Например,

WHERE COL1 > 5 OR (COL2 < 500 AND COL3 >150)

может быть переписано как

WHERE (COL1 > 5 OR COL2 < 500) AND ( COL1 >5 OR COL3 <150).

Конъюнктивная форма является предпочтительнее, так как может быть оценена с помощью метода укороченной цепочки. Набор предикатов в конъюнктивной форме будет истинным только и только тогда, когда каждая компонента с OR будет истинной. Так как число операций сравнения, которое выполняется для запроса, прямо влияет на время CPU, использование метода укороченной цепочки для конъюнктивной формы представления предикатов может сократить число циклов CPU.

Литература: [7], [23].