《數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用》第10章數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化1第十章內(nèi)容提要關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.2代數(shù)優(yōu)化10.32邏

物理優(yōu)化輯數(shù)據(jù)10.4內(nèi)容導(dǎo)學(xué)3學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念了解數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展過程理解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)和組成學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)獨(dú)立性內(nèi)容學(xué)習(xí)重點(diǎn)查詢優(yōu)化的處理步驟查詢優(yōu)化的必要性用等價(jià)變換規(guī)則將SQL語句轉(zhuǎn)換為優(yōu)化的查詢樹存取路徑的優(yōu)化方法思政導(dǎo)學(xué)4關(guān)鍵詞：查詢優(yōu)化，代數(shù)優(yōu)化，物理優(yōu)化，等價(jià)變換規(guī)則。內(nèi)容要意：查詢處理是關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的核心，而查詢優(yōu)化又是查詢處理的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)所在，它的總目標(biāo)是選擇有效的策略，得到給定的SQL查詢結(jié)果，使得查詢代價(jià)最小，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目標(biāo)。查詢優(yōu)化可分為代數(shù)優(yōu)化和物理優(yōu)化，代數(shù)優(yōu)化是按照等價(jià)變換規(guī)則，改變代數(shù)表達(dá)式中操作的次序和組合，使查詢執(zhí)行更高效；物理優(yōu)化是指存取路徑和底層操作算法的選擇。思政點(diǎn)播：結(jié)合具體實(shí)例，通過介紹查詢優(yōu)化的步驟及優(yōu)化處理過程，使學(xué)生具有提高效率、節(jié)約資源的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的精神。思政目標(biāo)：通過對(duì)查詢實(shí)例的具體優(yōu)化過程的講解，使學(xué)生具有提高工作效率的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神；培養(yǎng)學(xué)生問題意識(shí)和提升信息素養(yǎng)。10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.1.1查詢處理步驟10.1.2實(shí)現(xiàn)查詢操作的算法示例10.1.1查詢處理步驟關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)查詢處理階段：1.查詢分析2.查詢檢查3.查詢優(yōu)化4.查詢執(zhí)行查詢處理步驟（續(xù)）1.查詢分析查詢分析的任務(wù)：對(duì)查詢語句進(jìn)行掃描、詞法分析和語法分析詞法分析：從查詢語句中識(shí)別出正確的語言符號(hào)語法分析：進(jìn)行語法檢查

2.查詢檢查查詢檢查的任務(wù)合法權(quán)檢查視圖轉(zhuǎn)換安全性檢查完整性初步檢查根據(jù)數(shù)據(jù)字典中有關(guān)的模式定義檢查語句中的數(shù)據(jù)庫對(duì)象，如關(guān)系名、屬性名是否存在和有效如果是對(duì)視圖的操作，則要用視圖消解方法把對(duì)視圖的操作轉(zhuǎn)換成對(duì)基本表的操作

2.查詢檢查根據(jù)數(shù)據(jù)字典中的用戶權(quán)限和完整性約束定義對(duì)用戶的存取權(quán)限進(jìn)行檢查檢查通過后把SQL查詢語句轉(zhuǎn)換成內(nèi)部表示，即等價(jià)的關(guān)系代數(shù)表達(dá)式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般都用查詢樹，也稱為語法分析樹來表示擴(kuò)展的關(guān)系代數(shù)表達(dá)式。

3.查詢優(yōu)化查詢優(yōu)化：選擇一個(gè)高效執(zhí)行的查詢處理策略查詢優(yōu)化分類代數(shù)優(yōu)化/邏輯優(yōu)化：指關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的優(yōu)化物理優(yōu)化：指存取路徑和底層操作算法的選擇查詢優(yōu)化的選擇依據(jù)基于規(guī)則(rulebased)基于代價(jià)(costbased)基于語義(semanticbased)

4.查詢執(zhí)行依據(jù)優(yōu)化器得到的執(zhí)行策略生成查詢執(zhí)行計(jì)劃代碼生成器(codegenerator)生成執(zhí)行查詢計(jì)劃的代碼兩種執(zhí)行方法自頂向下自底向上10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.1.1查詢處理步驟10.1.2實(shí)現(xiàn)查詢操作的算法示例10.1.2實(shí)現(xiàn)查詢操作的算法示例選擇操作的實(shí)現(xiàn)連接操作的實(shí)現(xiàn)1.選擇操作的實(shí)現(xiàn)選擇操作典型實(shí)現(xiàn)方法：（1）全表掃描方法(TableScan)對(duì)查詢的基本表順序掃描，逐一檢查每個(gè)元組是否滿足選擇條件，把滿足條件的元組作為結(jié)果輸出適合小表，不適合大表（2）索引掃描方法(IndexScan)適合于選擇條件中的屬性上有索引(例如B+樹索引或Hash索引)通過索引先找到滿足條件的元組主碼或元組指針，再通過元組指針直接在查詢的基本表中找到元組選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）[例10.1]SELECT*FROMStudentWHERE<條件表達(dá)式>

考慮<條件表達(dá)式>的幾種情況：

C1：無條件；

C2：Sno＝'S202301012'；

C3：Sage>20；

C4："Ssex=‘男’ANDSage>20；

選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）全表掃描算法假設(shè)可以使用的內(nèi)存為M塊，全表掃描算法思想：按照物理次序讀Student的M塊到內(nèi)存檢查內(nèi)存的每個(gè)元組t，如果滿足選擇條件，則輸出t如果student還有其他塊未被處理，重復(fù)①和②選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）索引掃描算法[例10.1-C2]SELECT*FROMStudentWHERESno='S202301012'假設(shè)Sno上有索引(或Sno是散列碼)算法：使用索引(或散列)得到Sno為‘S202301012’元組的指針通過元組指針在Student表中檢索到該學(xué)生選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）[例10.1-C3]SELECT*FROMStudentWHERESage>20假設(shè)Sage上有B+樹索引算法：使用B+樹索引找到Sage=20的索引項(xiàng)，以此為入口點(diǎn)在B+樹的順序集上得到Sage>20的所有元組指針通過這些元組指針到student表中檢索到所有年齡大于20的學(xué)生。選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）[例10.1-C4]SELECT*FROMStudentWHERESsex='男’ANDSage>20;假設(shè)Sdept和Sage上都有索引算法一：分別用索引掃描找到Ssex='男’的一組元組指針和Sage>20的另一組元組指針求這兩組指針的交集到Student表中檢索得到年齡大于20的男學(xué)生的信息選擇操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）算法二：找到Ssex='男’的一組元組指針，通過這些元組指針到Student表中檢索并對(duì)得到的元組檢查另一些選擇條件(如Sage>20)是否滿足把滿足條件的元組作為結(jié)果輸出。2.連接操作的實(shí)現(xiàn)連接操作是查詢處理中最耗時(shí)的操作之一本節(jié)只討論等值連接(或自然連接)最常用的實(shí)現(xiàn)算法[例10.2]SELECT*FROMStudent,SP WHEREStudent.Sno=SP.Sno;連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）（1）嵌套循環(huán)算法（2）排序-合并算法（3）索引連接算法（4）哈希連接算法連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）（1）嵌套循環(huán)算法對(duì)外層循環(huán)(Student表)的每一個(gè)元組，檢索內(nèi)層循環(huán)(SP表)中的每一個(gè)元組檢查這兩個(gè)元組在連接屬性(Sno)上是否相等如果滿足連接條件，則串接后作為結(jié)果輸出，直到外層循環(huán)表中的元組處理完為止。連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）（2）排序-合并算法如果連接的表沒有排好序，先對(duì)Student表和SP表按連接屬性Sno排序取Student表中第一個(gè)Sno，依次掃描SP表中具有相同Sno的元組當(dāng)掃描到Sno不相同的第一個(gè)SP元組時(shí)，返回Student表掃描它的下一個(gè)元組，再掃描SP表中具有相同Sno的元組，把它們連接起來重復(fù)上述步驟直到Student表掃描完連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）圖10.2排序-合并連接方法示意圖連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）Student表和SP表都只要掃描一遍如果兩個(gè)表原來無序，執(zhí)行時(shí)間要加上對(duì)兩個(gè)表的排序時(shí)間對(duì)于大表，先排序后使用排序-合并連接算法執(zhí)行連接，總的時(shí)間一般仍會(huì)減少連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）（3）索引連接算法步驟：①在SP表上已經(jīng)建立屬性Sno的索引。②對(duì)Student中每一個(gè)元組，由Sno值通過SP的索引查找相應(yīng)的SP元組。③把這些SP元組和Student元組連接起來循環(huán)執(zhí)行②③，直到Student表中的元組處理完為止連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）（4）哈希連接算法把連接屬性作為hash碼，用同一個(gè)hash函數(shù)把Student表和SP表中的元組散列到hash表中。第一步創(chuàng)建階段，即創(chuàng)建hash表對(duì)包含較少元組的表(如Student表)進(jìn)行一遍處理把它的元組按hash函數(shù)分散到hash表的桶中第二步連接階段對(duì)另一個(gè)表(SC表)進(jìn)行一遍處理把SP表的元組也按同一個(gè)hash函數(shù)（hash碼是連接屬性）進(jìn)行散列把SP元組與桶中來自Student表并與之相匹配的元組連接連接操作的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）上面哈希連接算法前提：假設(shè)兩個(gè)表中較小的表在第一階段后可以完全放入內(nèi)存的hash桶中第十章

關(guān)系查詢處理和查詢優(yōu)化10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.3代數(shù)優(yōu)化10.4物理優(yōu)化10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化查詢優(yōu)化在關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中有著非常重要的地位關(guān)系查詢優(yōu)化是影響關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素由于關(guān)系表達(dá)式的語義級(jí)別很高，使關(guān)系系統(tǒng)可以從關(guān)系表達(dá)式中分析查詢語義，提供了執(zhí)行查詢優(yōu)化的可能性10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.2.1查詢優(yōu)化概述10.2.2一個(gè)實(shí)例10.2.1查詢優(yōu)化概述關(guān)系系統(tǒng)的查詢優(yōu)化是關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)又是關(guān)系系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)所在減輕了用戶選擇存取路徑的負(fù)擔(dān)，用戶只要提出“干什么”，而不必指出“怎么干”。查詢優(yōu)化概述（續(xù)）非關(guān)系系統(tǒng)用戶使用過程化的語言表達(dá)查詢要求，執(zhí)行何種記錄級(jí)的操作，以及操作的序列是由用戶來決定的用戶必須了解存取路徑，系統(tǒng)要提供用戶選擇存取路徑的手段，查詢效率由用戶的存取策略決定如果用戶做了不當(dāng)?shù)倪x擇，系統(tǒng)是無法對(duì)此加以改進(jìn)的查詢優(yōu)化概述查詢優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)用戶不必考慮如何最好地表達(dá)查詢以獲得較好的效率系統(tǒng)可以比用戶程序的“優(yōu)化”做得更好（1）優(yōu)化器可以從數(shù)據(jù)字典中獲取許多統(tǒng)計(jì)信息，而用戶程序則難以獲得這些信息。（2）如果數(shù)據(jù)庫的物理統(tǒng)計(jì)信息改變了，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)查詢重新優(yōu)化以選擇相適應(yīng)的執(zhí)行計(jì)劃。在非關(guān)系系統(tǒng)中必須重寫程序，而重寫程序在實(shí)際應(yīng)用中往往是不太可能的。查詢優(yōu)化概述（續(xù)）（3）優(yōu)化器可以考慮數(shù)百種不同的執(zhí)行計(jì)劃，程序員一般只能考慮有限的幾種可能性。（4）優(yōu)化器中包括了很多復(fù)雜的優(yōu)化技術(shù)，這些優(yōu)化技術(shù)往往只有最好的程序員才能掌握。系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化相當(dāng)于使得所有人都擁有這些優(yōu)化技術(shù)。查詢優(yōu)化概述（續(xù)）關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過某種代價(jià)模型計(jì)算出各種查詢執(zhí)行策略的執(zhí)行代價(jià)，然后選取代價(jià)最小的執(zhí)行方案集中式數(shù)據(jù)庫執(zhí)行開銷主要包括磁盤存取塊數(shù)(I/O代價(jià))處理機(jī)時(shí)間(CPU代價(jià))查詢的內(nèi)存開銷I/O代價(jià)是最主要的 分布式數(shù)據(jù)庫總代價(jià)=I/O代價(jià)+CPU代價(jià)+內(nèi)存代價(jià)＋通信代價(jià)查詢優(yōu)化概述（續(xù)）查詢優(yōu)化的總目標(biāo)選擇有效的策略求得給定關(guān)系表達(dá)式的值使得查詢代價(jià)最小(實(shí)際上是較小)10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.2.1查詢優(yōu)化概述10.2.2查詢優(yōu)化實(shí)例10.2.2查詢優(yōu)化實(shí)例一個(gè)關(guān)系查詢可以對(duì)應(yīng)不同的執(zhí)行方案，其效率可能相差非常大。[例10.3查詢參與了P1002號(hào)項(xiàng)目的學(xué)生姓名。用SQL表達(dá)：

SELECTStudent.Sname FROMStudent,SP WHEREStudent.Sno=SP.SnoAND SP.Pno=’P1002’假定學(xué)生-課程數(shù)據(jù)庫中有1000個(gè)學(xué)生記錄，5000個(gè)SP記錄參與P1002號(hào)項(xiàng)目的記錄為50個(gè)。查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）可以用多種等價(jià)的關(guān)系代數(shù)表達(dá)式來完成這一查詢Q1=πSname(σStudent.Sno=SP.Sno∧SP.Pno=‘P1002'(Student×SP))Q2=πSname(σSP.Pno=‘P1002'(StudentSP))Q3=πSname(StudentσSP.Pno=‘P1002’(SP))

查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）1.第一種情況Q1=πSname(σStudent.Sno=SP.Sno∧SP.Pno=‘P1002'(Student×SP))查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）（1）計(jì)算廣義笛卡爾積算法：在內(nèi)存中盡可能多地裝入某個(gè)表(如Student表)的若干塊，留出一塊存放另一個(gè)表(如SP表)的元組。把SP中的每個(gè)元組和Student中每個(gè)元組連接，連接后的元組裝滿一塊后就寫到中間文件上從SP中讀入一塊和內(nèi)存中的Student元組連接，直到SP表處理完。再讀入若干塊Student元組，讀入一塊SP元組重復(fù)上述處理過程，直到把Student表處理完查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）

（2）作選擇操作依次讀入連接后的元組，按照選擇條件選取滿足要求的記錄假定內(nèi)存處理時(shí)間忽略。讀取中間文件花費(fèi)的時(shí)間(同寫中間文件一樣)需讀入106塊。若滿足條件的元組假設(shè)僅50個(gè)，均可放在內(nèi)存。查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）（3）作投影操作把第（2）步的結(jié)果在Sname上作投影輸出，得到最終結(jié)果第一種情況下執(zhí)行查詢的總讀寫數(shù)據(jù)塊=2100+106+106查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）2.第二種情況

Q2=πSname(σSP.Pno=‘P1002'(StudentSP))（1）計(jì)算自然連接執(zhí)行自然連接，讀取Student和SP表的策略不變，總的讀取塊數(shù)仍為2100塊自然連接的結(jié)果比第一種情況大大減少，為5X103個(gè)元組寫出數(shù)據(jù)塊=103

塊

查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）2.第二種情況（續(xù)）（2）讀取中間文件塊，執(zhí)行選擇運(yùn)算，讀取的數(shù)據(jù)塊=103

塊（3）把第2步結(jié)果投影輸出。第二種情況下執(zhí)行查詢的總讀寫數(shù)據(jù)塊=2100+103+103查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）3.第三種情況Q3=πSname(StudentσSP.Pno=‘P1002’(SP))（1）先對(duì)SP表作選擇運(yùn)算，只需讀一遍SP表，存100塊，因?yàn)闈M足條件的元組僅50個(gè)，不必使用中間文件。（2）讀取Student表，把讀入的Student元組和內(nèi)存的SP元組作連接。也只需讀一遍Student表共100塊。（3）把連接結(jié)果投影輸出

查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）3.第三種情況（續(xù)）第三種情況總的讀寫數(shù)據(jù)塊=100+100查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）假如SP表的Pno字段上有索引第一步就不必讀取所有的SP元組而只需讀取Pno=‘P1002’的那些元組(50個(gè))存取的索引塊和SP中滿足條件的數(shù)據(jù)塊大約總共3～4塊若Student表在Sno上也有索引不必讀取所有的Student元組因?yàn)闈M足條件的SP記錄僅50個(gè)，涉及最多50個(gè)Student記錄讀取Student表的塊數(shù)也可大大減少查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）把代數(shù)表達(dá)式Q1變換為Q2、Q3Q1=πSname(σStudent.Sno=SP.Sno∧SP.Pno=‘P1002'(Student×SP))Q2=πSname(σSP.Pno=‘P1002'(StudentSP))Q3=πSname(StudentσSP.Pno=‘P1002’(SP))有選擇和連接操作時(shí)，先做選擇操作，這樣參加連接的元組就可以大大減少，這是代數(shù)優(yōu)化

查詢優(yōu)化實(shí)例（續(xù)）實(shí)例:小結(jié)在Q3中SP表的選擇操作算法有全表掃描或索引掃描，經(jīng)過初步估算，索引掃描方法較優(yōu)。對(duì)于Student和SP表的連接，利用Student表上的索引，采用索引連接代價(jià)也較小，這就是物理優(yōu)化。第十章

關(guān)系查詢處理和查詢優(yōu)化10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.3代數(shù)優(yōu)化10.4物理優(yōu)化10.3代數(shù)優(yōu)化10.3.1關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則10.3.2查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化10.3.1關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則代數(shù)優(yōu)化策略：通過對(duì)關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的等價(jià)變換來提高查詢效率關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的等價(jià)：指用相同的關(guān)系代替兩個(gè)表達(dá)式中相應(yīng)的關(guān)系所得到的結(jié)果是相同的兩個(gè)關(guān)系表達(dá)式E1和E2是等價(jià)的，可記為E1≡E2

*關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）

*

關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）*

關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）*

關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）*關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）

*關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則（續(xù)）

10.3代數(shù)優(yōu)化10.3.1關(guān)系代數(shù)表達(dá)式等價(jià)變換規(guī)則10.3.2查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化10.3.2查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化典型的啟發(fā)式規(guī)則（1）選擇運(yùn)算應(yīng)盡可能先做在優(yōu)化策略中這是最重要、最基本的一條。（2）把投影運(yùn)算和選擇運(yùn)算同時(shí)進(jìn)行如有若干投影和選擇運(yùn)算，并且它們都對(duì)同一個(gè)關(guān)系操作，則可以在掃描此關(guān)系的同時(shí)完成所有的這些運(yùn)算以避免重復(fù)掃描關(guān)系。查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）（3）把投影同其前或其后的雙目運(yùn)算結(jié)合起來，沒有必要為了去掉某些字段而掃描一遍關(guān)系。（4）把某些選擇同在它前面要執(zhí)行的笛卡兒積結(jié)合起來成為一個(gè)連接運(yùn)算，連接特別是等值連接運(yùn)算要比同樣關(guān)系上的笛卡兒積省很多時(shí)間。查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）（5）找出公共子表達(dá)式如果這種重復(fù)出現(xiàn)的子表達(dá)式的結(jié)果不是很大的關(guān)系并且從外存中讀入這個(gè)關(guān)系比計(jì)算該子表達(dá)式的時(shí)間少得多則先計(jì)算一次公共子表達(dá)式并把結(jié)果寫入中間文件是合算的。當(dāng)查詢的是視圖時(shí)，定義視圖的表達(dá)式就是公共子表達(dá)式的情況*查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）遵循這些啟發(fā)式規(guī)則，應(yīng)用10.3.1的等價(jià)變換公式來優(yōu)化關(guān)系表達(dá)式的算法。

算法：關(guān)系表達(dá)式的優(yōu)化

輸入：一個(gè)關(guān)系表達(dá)式的查詢樹

輸出：優(yōu)化的查詢樹 方法： （1）利用等價(jià)變換規(guī)則4把形如σF1∧F2∧…∧Fn(E)變換為

σF1(σF2(…(σFn(E))…))。 （2）對(duì)每一個(gè)選擇，利用等價(jià)變換規(guī)則4～9盡可能把它移到樹的葉端。

規(guī)則4：合并或分解選擇運(yùn)算規(guī)則5-9：選擇運(yùn)算與其他運(yùn)算交換規(guī)則4:選擇的串接定律

((E))≡(E)*查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）

（3）對(duì)每一個(gè)投影利用等價(jià)變換規(guī)則3，5，10，11中的一般形式盡可能把它移向樹的葉端。注意：等價(jià)變換規(guī)則3使一些投影消失或使一些投影出現(xiàn)規(guī)則5把一個(gè)投影分裂為兩個(gè)，其中一個(gè)有可能被移向樹的葉端（4）利用等價(jià)變換規(guī)則3～5，把選擇和投影的串接合并成單個(gè)選擇、單個(gè)投影或一個(gè)選擇后跟一個(gè)投影，使多個(gè)選擇或投影能同時(shí)執(zhí)行，或在一次掃描中全部完成規(guī)則3： 合并或分解投影運(yùn)算規(guī)則5,10,11：投影運(yùn)算與其他運(yùn)算交換規(guī)則3：合并或分解投影運(yùn)算規(guī)則4：合并或分解選擇運(yùn)算規(guī)則5：投影運(yùn)算與選擇運(yùn)算交換查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）

（5）把上述得到的語法樹的內(nèi)節(jié)點(diǎn)分組。每一雙目運(yùn)算(×，，∪，-)和它所有的直接祖先為一組(這些直接祖先是(σ，π運(yùn)算)。如果其后代直到葉子全是單目運(yùn)算，則也將它們并入該組。但當(dāng)雙目運(yùn)算是笛卡爾積(×)，而且后面不是與它組成等值連接的選擇時(shí)，則不能把選擇與這個(gè)雙目運(yùn)算組成同一組。

查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）[例10.4]下面給出[例10.3]中SQL語句的代數(shù)優(yōu)化示例（1）把SQL語句轉(zhuǎn)換成查詢樹，如下圖所示

圖10.3查詢樹圖查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）為了使用關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的優(yōu)化法，假設(shè)內(nèi)部表示是關(guān)系代數(shù)語法樹，則上面的查詢樹如圖10.4所示。

圖10.4關(guān)系代數(shù)語法樹圖查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化（續(xù)）（2）對(duì)查詢樹進(jìn)行優(yōu)化利用規(guī)則4、6把選擇σSP.Pno=‘P1002’移到葉端，圖10.4查詢樹便轉(zhuǎn)換成下圖優(yōu)化的查詢樹。這就是10.2.2節(jié)中Q3的查詢樹表示。圖10.5優(yōu)化后的查詢樹第十章

關(guān)系查詢處理和查詢優(yōu)化10.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢處理10.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢優(yōu)化10.3代數(shù)優(yōu)化10.4物理優(yōu)化10.4物理優(yōu)化代數(shù)優(yōu)化改變查詢語句中操作的次序和組合，不涉及底層的存取路徑對(duì)于一個(gè)查詢語句有許多存取方案，它們的執(zhí)行效率不同，僅僅進(jìn)行代數(shù)優(yōu)化是不夠的物理優(yōu)化就是要選擇高效合理的操作算法或存取路徑，求得優(yōu)化的查詢計(jì)劃物理優(yōu)化（續(xù)）物理優(yōu)化方法基于規(guī)則的啟發(fā)式優(yōu)化啟發(fā)式規(guī)則是指那些在大多數(shù)情況下都適用，但不是在每種情況下都是適用的規(guī)則。基于代價(jià)估算的優(yōu)化優(yōu)化器估算不同執(zhí)行策略的代價(jià)，并選出具有最小代價(jià)的執(zhí)行計(jì)劃。物理優(yōu)化（續(xù)）物理優(yōu)化方法（續(xù)）兩者結(jié)合的優(yōu)化方法：常常先使用啟發(fā)式規(guī)則，選取若干較優(yōu)的候選方案，減少代價(jià)估算的工作量然后分別計(jì)算這些候選方案的執(zhí)行代價(jià)，較快地選出最終的優(yōu)化方案10.4物理優(yōu)化10.4.1基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化10.4.2基于代價(jià)的優(yōu)化10.4.1基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化1.選擇操作的啟發(fā)式規(guī)則2.連接操作的啟發(fā)式規(guī)則基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）1.選擇操作的啟發(fā)式規(guī)則對(duì)于小關(guān)系，使用全表順序掃描，即使選擇列上有索引對(duì)于大關(guān)系，啟發(fā)式規(guī)則有：（1）對(duì)于選擇條件是“主碼＝值”的查詢查詢結(jié)果最多是一個(gè)元組，可以選擇主碼索引一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立主碼索引基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）（2）對(duì)于選擇條件是“非主屬性＝值”的查詢，并且選擇列上有索引要估算查詢結(jié)果的元組數(shù)目如果比例較小(<10%)可以使用索引掃描方法否則還是使用全表順序掃描基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）（3）對(duì)于選擇條件是屬性上的非等值查詢或者范圍查詢，并且選擇列上有索引要估算查詢結(jié)果的元組數(shù)目如果比例較小(<10%)可以使用索引掃描方法否則還是使用全表順序掃描基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）（4）對(duì)于用AND連接的合取選擇條件如果有涉及這些屬性的組合索引優(yōu)先采用組合索引掃描方法如果某些屬性上有一般的索引，可以用索引掃描方法通過分別查找滿足每個(gè)條件的指針，求指針的交集通過索引查找滿足部分條件的元組，然后在掃描這些元組時(shí)判斷是否滿足剩余條件其他情況：使用全表順序掃描（5）對(duì)于用OR連接的析取選擇條件，一般使用全表順序掃描基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）2.連接操作的啟發(fā)式規(guī)則（1）如果2個(gè)表都已經(jīng)按照連接屬性排序選用排序-合并算法（2）如果一個(gè)表在連接屬性上有索引選用索引連接算法（3）如果上面2個(gè)規(guī)則都不適用，其中一個(gè)表較小選用哈希連接算法基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化（續(xù)）（4）可以選用嵌套循環(huán)方法，并選擇其中較小的表，確切地講是占用的塊數(shù)(b)較少的表，作為外表(外循環(huán)的表)。原因：設(shè)連接表R與S分別占用的塊數(shù)為Br與Bs連接操作使用的內(nèi)存緩沖區(qū)塊數(shù)為K分配K-1塊給外表如果R為外表，則嵌套循環(huán)法存取的塊數(shù)為Br+BrBs/(K-1)顯然應(yīng)該選塊數(shù)小的表作為外表10.4物理優(yōu)化10.4.1基于啟發(fā)式規(guī)則的存取路徑選擇優(yōu)化10.4.2基于代價(jià)的優(yōu)化10.4.2基于代價(jià)的優(yōu)化啟發(fā)式規(guī)則優(yōu)化是定性的選擇，適合解釋執(zhí)行的系統(tǒng)解釋執(zhí)行的系統(tǒng)，優(yōu)化開銷包含在查詢總開銷之中編譯執(zhí)行的系統(tǒng)中查詢優(yōu)化和查詢執(zhí)行是分開的可以采用精細(xì)復(fù)雜一些的基于代價(jià)的優(yōu)化方法基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）1.統(tǒng)計(jì)信息2.代價(jià)估算示例3.優(yōu)化方法基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）1.統(tǒng)計(jì)信息基于代價(jià)的優(yōu)化方法要計(jì)算查詢的各種不同執(zhí)行方案的執(zhí)行代價(jià)，它與數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)密切相關(guān)優(yōu)化器需要的統(tǒng)計(jì)信息（1）對(duì)每個(gè)基本表該表的元組總數(shù)(N)元組長度(A)占用的塊數(shù)(B)占用的溢出塊數(shù)(BO)基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）（2）對(duì)基表的每個(gè)列該列不同值的個(gè)數(shù)(m)列最大值最小值列上是否已經(jīng)建立了索引哪種索引(B+樹索引、Hash索引、聚集索引)可以計(jì)算選擇率(f)如果不同值的分布是均勻的，f＝1/m如果不同值的分布不均勻，則要計(jì)算每個(gè)值的選擇率，f＝具有該值的元組數(shù)/N基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）（3）對(duì)索引索引的層數(shù)(L)不同索引值的個(gè)數(shù)索引的選擇基數(shù)S(有S個(gè)元組具有某個(gè)索引值)索引的葉結(jié)點(diǎn)數(shù)(Y)基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）2.代價(jià)估算示例（1）全表掃描算法的代價(jià)估算公式如果基本表大小為B塊，全表掃描算法的代價(jià)cost＝B如果選擇條件是“碼＝值”，那么平均搜索代價(jià)cost＝B/2基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）（2）索引掃描算法的代價(jià)估算公式如果選擇條件是“碼＝值”則采用該表的主索引若為B+樹，層數(shù)為L，需要存取B+樹中從根結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)L塊，再加上基本表中該元組所在的那一塊，所以cost=L+1基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）（2）索引掃描算法的代價(jià)估算公式（續(xù)）如果選擇條件涉及非碼屬性若為B+樹索引，選擇條件是相等比較，S是索引的選擇基數(shù)(有S個(gè)元組滿足條件)滿足條件的元組可能會(huì)保存在不同的塊上，所以(最壞的情況)cost=L+S基于代價(jià)的優(yōu)化（續(xù)）（2）索引掃描算法的代價(jià)估算公式（續(xù)）如果比較條件是＞，＞＝，＜，＜＝操作假設(shè)有一半的元組滿足條件就要存取一半的葉結(jié)點(diǎn)通過索引訪問一半的表存儲(chǔ)塊cost=L+Y/2+B/2如果可以獲得更準(zhǔn)確的選擇