深入解读SQL优化中的执行计划

数据库的执行计划是SQL优化的最重要手段，执行计划怎么来的、包含什么内容、我们应该关注哪些点，这些是需要我们掌握的，基于这些知识再去理解SQL优化将更加容易。

本文由腾讯云数据库高级架构师何敏带来TDSQL PostgreSQL执行计划详解，以下为分享实录：

在了解PostgreSQL执行计划之前，需要先知道执行计划由来。TDSQL PostgreSQL版任何查询都会经过语法和语义解析，生成查询表达式树，也就是常用查询数，解析器会去解析语法，分析器会把语法对应对象进行展开，通过重写器对规则进行重写，最后生成查询数。

根据查询树执行器经过查询再进行预处理，找出最小代价路径，最终创建出计划树。再把查询计划交由执行器进行执行。最终执行完成会把结果返回给前端应用。这些操作都是在每个连接对应Backend进程去进行处理。执行器在执行时，会去访问共享内存，内存没有数据，则从磁盘读取。最终将查询的结果缓存在数据库中，逐步输出给用户进程。

进程会涉及到例如Work memory、temp buffer等进程级内存，可以通过我们的Explain命令来查看执行计划，对不合理的资源进行调整，提高SQL执行效率。在SQL前面加上Explain，就可以直接看到执行计划。不管是在pgadmin还是其它工具都可以简单进行查看。

我们的执行计划有几个特点：首先查询规划是以规划为节点的树形结构，以查询的一些路径作为树形结构，树最底层节点是扫描节点，去扫描表中原始行数。不同表也有不同扫描类型，比如顺序扫描或索引扫描、位图索引扫描。也有非表列源，比如说Values子句。还有查询，可能需要关联、聚合、排序以便操作，同时也会在扫描节点上增加节点进行操作提示以及消耗。Expain输出总是以每个树节点显示一行，内容是基本节点类型和执行节点的消耗评估。可能会出现同级别节点，从汇总行节点缩进显示其它属性。第一行一般都是我们汇总的消耗，这个值是越小越好。

在看一个执行计划，我们创建一个测试表，插入1万条数据做分析后，可以看到它的执行计划，这个执行计划很简单，全面扫描它只有一行。执行计划我们从左到右去看，先是评估开始的消耗，这里因为没有别的步骤，所以这个步骤是从0开始，然后是一个总消耗评估。

Rows是输出的行数，它是一个评估结果；然后是每一行的平均字节数，这是一个评估结果，这个评估结果依赖于pg_stats和pg_statistic统计信息。

那么我们怎么去看执行计划呢？就是上级节点的消耗，其中包含了其子节点的消耗，这个消耗值反映在规划器评估这个操作需要的代价。一般这个消耗不包括将数据传输到客户端，只是在数据库后台的执行代价。评估的行数不是执行和扫描节点查询的节点数量，而是返回的数量。同时消耗它不是一个秒的，它是我们规划器的一个参数。Cost是描述一个执行计划代价是多少，而不是具体时间。

代价评估的一些基准值一般会关注哪几个参数？seq_page_cost，即扫描一个块需要的消耗，我们默认为是1，而随机扫描random_page我们默认为是4，这个在优化的环节需要进行优化，比如说现在使用SSD，随机页的访问效率肯定比其它的磁盘更快，而这里值就可以改为1。另外就是cpu_tuple_cost，我们CPU去扫描一个块里具体行数，一行大概0.01的消耗。索引是cpu_index_tuple_cost，0.005的消耗。

举个例子，新建Test表有一万行，它分配了94个页。而根据刚刚执行计划可以大概估算消耗：磁盘页乘顺序扫描的Cost，加上扫描行数。这个值就是94个页乘以1，加上1万行乘以0.01的消耗就是194。

那什么时候去更新pg_class以及pg_stat_user_tables的统计信息？它分为两个部分，一部分主要还是通过analyze以及部分DDL语句去触发更新统计信息。所以执行计划准确与否和统计信息也很有关联。这里加上条件，比如说Where Id小于1000，会去增加一个筛选条件。这样扫描的同时它会去增加损耗，比如扫描的行数不变，但是增加了CPU的计算比较时间，就变为219。

执行计划最底层是表的扫描，而扫描又分为两种方式，全表扫描以及索引扫描。全表扫描顾名思义去整个表上扫描。就算是有些表加了索引，它也不一定会走索引扫描，如果说满足条件的数据集比较大，索引扫描代价比全表扫描更大，它就会走全表扫描。如前面所说，扫描全表，这个时候重新扫描，会先走索引，再走对应的块，这个代价会比走全表扫描更慢。

另一个问题是索引扫描Index Scan。在上面的测试表对查询列建一个索引，举例查询条件是小于1000这个值，cost减少还不够直观，如果条件是小于10之类小数据量查询，索引效果更好，直接走Index Scan。但如果查询条件筛选率不够高，查询会先走索引扫描，再重新扫描行，扫描后他会去判断每一个行的条件，Cost可能相应就变更高。在优化的时候，尤其要去关注这一点，一定要关注索引的筛选率。

索引扫描里还有一个Index Only Scan，也就是投影列、查询条件都在索引里面，它就会走一个Index Only Scan，不会再去读其它具体的行值，扫描完索引之后就返回，效率非常高。

还有一种扫描方式是位图扫描，在PG里没有位图索引，但是它是有位图扫描的，一般是在on、and或in子句里面去走。举个例子，上面查询ID小于1000，同时ID要大于9000，这时候它会先做两次索引扫描。扫描时它不会去读具体数据，会先去做一个Bitmap Scan，之后我们的条件是Or，会先做一个聚集后再去做Check，看一下具体实现方式。它是先去启动时间两个Bitmap Scan总和，因为是具体扫描会有扫描时间，所以这个组合会花费大量时间。同时Index Scan输出的是Tuple，先扫描索引块，得到对应ctid再去扫描具体数据。如果一次只读一条索引项然后去判断行是否满足条件，一个PAGE可以多次访问。

而Bitmap Scan会去输出所有满足条件的索引项，然后组合到一起做or等操作，最后才交给上一个节点Bitmap Heap Scan去扫描具体数据，由于会先去根据索引扫描的物理数据进行排序，一次性将块中满足条件索引项数据取出来。这样可以说一个块，一次扫描就扫描完了，可以想象这个效率是非常高的。

在底层的数据扫描完之后会去做表连接。连接方式一般在两表关联的时候才有连接可能。一般简单说自然选择、左连接、右连接等等。但具体的到数据库的执行计划里一般主要有hash join、nested loop、merge join。

Hash Join，它是以Hash方式来进行表连接，首先它确定是两个表里的大小，使用小表去建立Hash map，去扫描大表比较Hash值获取最终查询结果。我们示例中建立另外一张表Test1，并建一个索引进行两张表关联查询，当他们的T1的ID小于10，它Info相等，做一个关联查询。首先开始的时候，因为两个表大小一样，一张有索引，一张没有，会优先选择有索引的表去做一个Hash桶，另外一张表进行一个循环比较Hash值。如果说变一下条件把Test1表删除一部分数据，优化器会以Test1去做一个Hash表，Test表在上面去做驱动。

做一个简单梳理。Hash连接是在做大数据连接时非常有用的方式，就是在两个大表进行join。那么这里也是为什么PG在和MySQL比的时候，说它的分析能力要强一点的原因，因为我们的Hash join支持非常好。另外现在MySQL已经支持Hash了，但是还不是那么完善。

Hash它有个问题，如果Hash的小表也比较大，Hash表的结果非常大，你的内存放不下，这时就可能会写到你的磁盘中去，就会导致性能急剧下降。在这个时候就要提高work_mem。hash join的时间消耗是什么？我们的外层Cost请求，加上内层一个请求就可以了。

另外一个连接方式就是Nested Loop循环扫描，在这个扫描上写了两个循环去扫描。一般在优化的时候，特别是用PG数据库，要去重点看Nested Loop是不是合理。那么什么时候用Nested Loop呢？就是小表和大表进行关联的时候，小表作为驱动表，那大表作为下面的内层表会比较合理。

首先它会确定一个驱动表，另外是一个内层的表，驱动表每一行与它里面那张表进行一个查询，一个嵌套循环查询比较，代价非常高。就比如每次都是外层的表，乘以外面的条件消耗，这一看就比较大了。

像这种情况，每次扫描时，外层的表每次在驱动时它会去扫描层内层的表，这样效率非常低。而如果内层的表它结果集是相对固定的，那么就可以扫描一次把它做一个物化，下次再循环比较的时就不用再去查询里面的表，类似于Hash join。Hash join是做什么的呢？它前面也是一个Loop，只是把内存的表建立一个Hash表，这样去扫描就会快很多。Materialize就是这么一个优化的方向，这个也依赖于我们的work_mem。

最后一种连接方式叫Merge join，主要针对于数据量不是特别大的情况下，而且两个表如果结构相似，做好排序，这时反而会比散列连接会好一点。示例中原来是走了一个Nested Loop，我们把索引删除，它就去走了Merge join。一般对于这种数值比较效率还可以，因为排序数值效率是高一点。如果是字符串一类，走Merge join效率会更低。

看一下具体的实现，它是先将两个表进行一个排序。Id 1等于1先比较完后，再去比较Id等于2时，就不会再去比较Id1等于1的位置块，会直接从另外一张表的2开始去比较。

做一个简单比较，Hash join是将一个小表做为一个内存表做Hash运算，将列数据根据hash值放到Hash行列表中，再从另外一张表去抽取记录做Hash运算找到匹配的值，一般是小表做Hash表。

Nested Loop是一张表读取数据，访问另外一张表做匹配。Nested Loop在关联表比较小的时候效率最高。小表做驱动，比如这个表只有百来行，而大表很大，循环100次查询，大表会进行索引扫描，相对会快很多。

Merge join如果数据做好了排序，而且是数字类型排序，Merge join可能反而比Hash要快。但一般来说如果数据量比较大，Hash基本会比Merge join更快。

另外是关联相关参数一般以Enable开头。刚刚那几种连接Nested Loop、Merge join、Hash join、Bitmap Scan都是可以去控制的，参数可以是session级别控制。

查看执行计划首先是看扫描方式和连接方式，不论再怎么复杂，都是通过这两个进行组合。一般是看它在扫描和关联是不是合理的。这两个判断之后，再去看它的条件是不是合理，或需不需要改写。有了执行计划之外，在看具体执行时间，就要加上Explain Analyze来看具体执行时间。这里有一个不一样的点，在这里有了一个实际执行时间，这个时间是真实时间。可以很精确知道每一步花费时间。

在Analyze之外，还有一些其它参数，可以通过\H Explain的方式去查看详细的语法，有verbos显示具体执行日志，还有Cost消耗、Settings显示特殊设置，buffers内存的一些分配情况。wal、Timing时间，Summary，format输出的格式TXT或者xml、json。如果加上，它的显示信息会多很多。主要是buffers比较有用，显示说你申请了多少，现在多少磁盘块是要命中，多少是进行读取的。在第二次查询的时候，它的磁盘读取会变少，第一次读取是94块，第二次50块块。

除了上述内容，还有一个日志参数。我们的log_planner_stats可以输出你的执行计划到日志文件中，Oracle的执行计划是从表里去看，而我们PG是没有的。那么怎么办？可以通过一些参数去控制，导到日志里来。就目前这个日志它是输入到运行日志里的，没有单独去进行记录。当然这个也是我们优化的一个方向。

通过设置这些参数，把这里日志打印出来，显示出执行计划，语法分析、语义分析、重写，这几个阶段它会显示出来。如果开启了执行计划状态，会把这些进行打印。

最后看执行计划之外，从执行计划去反推SQL优化方向。从最底层一个扫描去入手，要尽量走索引扫描。另外索引扫描这里有很多方式，就是看它是否是合理索引，要看类型是不是选择合理的。比如数字类型、字符串类型，我们选用gin索引，还是一些btree索引。PG默认是btree索引，但btree索引不是所有类型和操作符都会适用。另外还需要减少不必要的索引、避免单条SQL插入，要单条变为批量进行插入。

前面说执行计划表连接类型是不是正确合理，另外要从SQL本身进行入手，我们目的是为了减少它的消耗。如果SQL语句比较复杂，而扫描类型已经无法改动，那这时只能去改写SQL语句，尽量减少嵌套，减少子查询。还可以通过物化视图临时表，去做SQL拆分。

尽量把in语法用Exits方式做连接。另外还要注意一些类型的转换失真，在扫描时，如果它可以走索引扫描，结果走了全面扫描，可能是转换失真了，比如说一个in类型，结果输入是一个字符串类型，它有可能会转换失败，只能走全面扫描，不能索引。

另外从数据库参数来入手，就需要精确的统计信息，我们在生成执行计划时，可能autovacuum没有去执行，也可能统计信息落后，那么执行计划就是错误的。这时候就要对应表作为一个analyze。

最后就是干涉执行计划，干涉执行计划有两种方式，除了前面的enable几个参数，我们的pg_hint_plan插件也可以做一些Hint控制。还有一些新参数调整，例如调整work_mem、temp_buffers、shared_buffers等参数。还有一些连接池的使用，我们操作系统参数、硬件的性能参数调整等等。

其实往往数据库优化，除了这些以外，还有我们去看操作系统的一些硬件性能，比如CPU是不是Performance模式，磁盘调度方式是不是最优的，网卡Bond模式等其他参数。

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