關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化策略與研究

饒輝科

摘要：數(shù)據(jù)查詢是數(shù)據(jù)庫技術(shù)中非常重要的組成部分，查詢效率的優(yōu)劣直接影響數(shù)據(jù)庫的性能。如何高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，一直是數(shù)據(jù)庫理論研究的重要方向。該文從查詢優(yōu)化的必要性，查詢優(yōu)化的方法等方面進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：查詢優(yōu)化；代數(shù)優(yōu)化；查詢樹

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0008-02

1 引言

關(guān)系數(shù)據(jù)庫是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫支持關(guān)系數(shù)據(jù)模型。關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常單一，現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體及實(shí)體之間的聯(lián)系都是用關(guān)系來表示，在用戶看來，關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是二維表。常用的關(guān)系操作包括查詢操作和插入、刪除、修改操作兩大部分，其中查詢操作的表達(dá)能力最重要。數(shù)據(jù)查詢是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中非常重要的組成部分，數(shù)據(jù)查詢是否具備較高的執(zhí)行效率和反應(yīng)速度受到數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者和用戶的極大關(guān)注。

2 不同查詢方案代價(jià)對比

關(guān)系模型中的查詢語言早期通常是用代數(shù)方法或邏輯方法來表示，分別稱為關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算，隨后出現(xiàn)一種介于關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算的語言稱為結(jié)構(gòu)化查詢語言，簡稱SQL。SQL語言作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)語言向用戶提供了易于掌握、高度非過程化得查詢語言。大多數(shù)商用數(shù)據(jù)庫都支持SQL語言，用戶只需指明“干什么？”不需指出“怎么干?！睂ν粋€查詢要求有不同的查詢解決方案，查詢優(yōu)化就是盡量在不同的解決方案中找到效率高、代價(jià)小的方案。

為了提升數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能對數(shù)據(jù)查詢進(jìn)行優(yōu)化成了必須解決的問題，查詢優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，也助推了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的推廣與普及。

下面我們通過一個實(shí)例對比不同查詢方案所花費(fèi)的代價(jià)。

商品銷售管理數(shù)據(jù)庫

銷售點(diǎn)信息表（銷售點(diǎn)編號，城市、地址，聯(lián)系電話，開設(shè)時間）

產(chǎn)品信息表（產(chǎn)品編號，產(chǎn)品名，類型，規(guī)格，生產(chǎn)廠家，進(jìn)貨價(jià)格）

銷售情況表（銷售點(diǎn)編號，產(chǎn)品編號，銷售量，銷售單價(jià)）

求銷售產(chǎn)品編號為JD051這種產(chǎn)品的銷售點(diǎn)信息？

用SQL語言表達(dá)該查詢：

Select 銷售點(diǎn)信息表.*

From 銷售點(diǎn)信息表 ， 銷售情況表

Where 銷售點(diǎn)信息表.銷售點(diǎn)編號=銷售情況表.銷售點(diǎn)編號 and 產(chǎn)品編號=JD051

SQL語言是高度的非過程化語言，同一個查詢要求可以有不同的執(zhí)行方式。下面針對上述查詢要求運(yùn)用關(guān)系代數(shù)表達(dá)式來表示不同的執(zhí)行方式。

方案1

Π銷售點(diǎn)信息表.*（σ銷售點(diǎn)信息表.銷售點(diǎn)編號=銷售情況表.銷售點(diǎn)編號∧銷售情況表.產(chǎn)品編號=JD051（銷售點(diǎn)信息表×銷售情況表））

第一種方式需要占用內(nèi)存空間保留廣義笛卡爾積的中間結(jié)果，讀取數(shù)據(jù)量過多及耗時較長；

方案2

Π銷售點(diǎn)信息表.*（σ產(chǎn)品編號=JD051（銷售點(diǎn)信息表∞銷售情況表））

第二種方案相比第一種方式減少了中間結(jié)果，使用自然連接相比笛卡爾積大大減少了中間結(jié)果；

方案3

Π銷售點(diǎn)編號（σ產(chǎn)品編號=JD051 （銷售情況表））∞銷售點(diǎn)信息表

第三種方式減少了數(shù)據(jù)讀取量，中間結(jié)果相比第二種情況更少?？偟牟樵儠r間最短、查詢代價(jià)最少。

以上三種表達(dá)式雖然等價(jià)，但其執(zhí)行的查詢策略不同，數(shù)據(jù)規(guī)模越大，查詢所花費(fèi)的代價(jià)差別就越大。通過三種不同查詢方式的對比，說明查詢優(yōu)化的必要性，選擇合適的查詢策略將大大減少查詢時間、降低查詢代價(jià)，因此查詢優(yōu)化問題一直是數(shù)據(jù)庫研究的重點(diǎn)。

3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢處理過程

當(dāng)用戶發(fā)出查詢請求，要采用不同的處理步驟對原始查詢進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換工作必須在系統(tǒng)處理查詢請求和返回查詢結(jié)果前完成。關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢處理過程如圖1所示。

圖1

主要步驟：語法分析與翻譯處理，查詢優(yōu)化處理，執(zhí)行。

4 查詢優(yōu)化技術(shù)分類

查詢優(yōu)化技術(shù)一般分為代數(shù)優(yōu)化和非代數(shù)優(yōu)化（物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化）。

1）代數(shù)優(yōu)化，通過對查詢語句進(jìn)行變換，改變基本操作的次序，使查詢語句執(zhí)行起來更有效，這種查詢優(yōu)化僅涉及查詢語句本身，而不涉及實(shí)際存取路徑，稱為獨(dú)立于存取路徑的優(yōu)化，或代數(shù)優(yōu)化。

查詢是由高級查詢語言表示的對數(shù)據(jù)庫的一個或一組操作的集合，通常由投影、選擇、連接、笛卡爾積等操作符組成。通過語法分析功能分析查詢語句的正確性、完整性、有效性，并將其轉(zhuǎn)換為等價(jià)關(guān)系代數(shù)查詢樹，如圖2。

根據(jù)關(guān)系代數(shù)等價(jià)變換規(guī)則，查詢樹可以按以下方法進(jìn)行變換：

方法1：下移選擇和投影運(yùn)算，以減少中間結(jié)果的元組數(shù)和參與運(yùn)算的關(guān)系的規(guī)模；

方法2：將某些選擇運(yùn)算與笛卡爾積運(yùn)算相結(jié)合；

方法3：同時執(zhí)行同一個關(guān)系上的選擇、投影運(yùn)算，減少對關(guān)系的掃描次數(shù)；

方法4：將連接運(yùn)算與投影運(yùn)算結(jié)合起來執(zhí)行。

圖2可變換為圖3。

對比圖2和圖3選擇運(yùn)算和投影運(yùn)算優(yōu)先執(zhí)行，減少了查詢中間結(jié)果的元組數(shù)，大大降低了參與連接運(yùn)算的關(guān)系規(guī)模。

在制定具體的查詢策略時應(yīng)盡量減少對數(shù)據(jù)表的訪問，減少對磁盤的訪問次數(shù)，訪問磁盤所需的時間大大長于對內(nèi)存的訪問時間，減少對磁盤的訪問次數(shù)將大大降低系統(tǒng)的響應(yīng)時間。選擇運(yùn)算盡可能提前做，往往可以使執(zhí)行時間降低幾個數(shù)量級，通過選擇運(yùn)算減少中間結(jié)果。在執(zhí)行連接操作前，對關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，在連接的字段上建立索引以及對關(guān)系進(jìn)行排序，加快查詢速度。

關(guān)系代數(shù)優(yōu)化的一般步驟：[3]

（a）把查詢轉(zhuǎn)換成語法樹；（b）優(yōu)化語法樹；（c）選擇低層次的存取路徑；（d）選擇代價(jià)較小的查詢方案。

2）非代數(shù)優(yōu)化，也稱物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)是整個數(shù)據(jù)庫存儲的基礎(chǔ)，物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的，應(yīng)確保數(shù)據(jù)庫存儲和訪問或操作數(shù)據(jù)表具有較高的執(zhí)行效率。物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)推薦合適的物理存儲位置或存儲結(jié)構(gòu)，以及為查詢推薦合適的存取路徑，進(jìn)而提升系統(tǒng)的整體性能。

5 小結(jié)

查詢優(yōu)化技術(shù)是數(shù)據(jù)庫中一項(xiàng)重要的技術(shù)。對于的查詢要求，我們應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模大小，具體的物理存儲結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行分析，選擇合適的查詢策略。具體的SQL查詢語句應(yīng)根據(jù)代數(shù)優(yōu)化的相關(guān)原則進(jìn)行變換，提高查詢效率。查詢優(yōu)化目的是為了提升系統(tǒng)的性能，如果進(jìn)行優(yōu)化本身需要花費(fèi)的代價(jià)過大，反而會降低系統(tǒng)的性能。所以只有兼顧了查詢效率、控制系統(tǒng)開銷、保障數(shù)據(jù)庫安全等諸多方面才能真正地優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

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