Query Processing

简介

如上图所示，通常一个 SQL 会被组织成树状的查询计划，数据从 leaf nodes 流到 root，查询结果在 root 中得出。而本节将讨论在这样一个计划中，如何为这个数据流动过程建模，大纲如下：

  • Processing Models

  • Access Methods

  • Expression Evaluation

Processing Model

DBMS 的 processing model 定义了系统如何执行一个 query plan，目前主要有三种模型:

  • Iterator Model

  • Materialization Model

  • Vectorized/Batch Model

不同模型的适用场景不同。

Iterator Model

query plan 中的每步 operator 都实现一个 next 函数，每次调用时，operator 返回一个 tuple 或者 null，后者表示数据已经遍历完毕。operator 本身实现一个循环，每次调用其 child operators 的 next 函数，从它们那边获取下一条数据供自己操作，这样整个 query plan 就被从上至下地串联起来，它也称为 Volcano/Pipeline Model：

Iterator 几乎被用在每个 DBMS 中，包括 sqlite、MySQL、PostgreSQL 等等，其它需要注意的是：

  • 有些 operators 会等待 children 返回所有 tuples 后才执行，如 Joins, Subqueries 和 Order By

  • Output Control 在 Iterator Model 中比较容易，如 Limit，只按需调用 next 即可。

Materialization Model

每个 operator 处理完所有输入后，将所有结果一次性输出，DBMS 会将一些参数传递到 operator 中防止处理过多的数据，这是一种从下至上的思路，示意如下：

materialization model：

  • 更适合 OLTP 场景，因为后者通常指需要处理少量的 tuples，这样能减少不必要的执行、调度成本

  • 不太适合会产生大量中间结果的 OLAP 查询

Vectorization Model

Vectorization Model 是 Iterator 与 Materialization Model 折衷的一种模型：

  • 每个 operator 实现一个 next 函数，但每次 next 调用返回一批 tuples，而不是单个 tuple

  • operator 内部的循环每次也是一批一批 tuples 地处理

  • batch 的大小可以根据需要改变（hardware、query properties）

vectorization model 是 OLAP 查询的理想模型：

  • 极大地减少每个 operator 的调用次数

  • 允许 operators 使用 vectorized instructions (SIMD) 来批量处理 tuples

目前在使用这种模型的 DBMS 有 VectorWise, Peloton, Preston, SQL Server, ORACLE, DB2 等。

Summary

Models

Direction

Emits

Target

Iterator/Volcano

Top-Down

Single Tuple

General Purpose

Vectorized

Top-Down

Tuple Batch

OLAP

Materialization

Bottom-Up

Entire Tuple Set

OLTP

Access Methods

access method 指的是 DBMS 从数据表中获取数据的方式，它并没有在 relational algebra 中定义。主要有三种方法：

  • Sequential Scan

  • Index Scan

  • Multi-Index/"Bitmap" Scan

Sequential Scan

顾名思义，sequential scan 就是按顺序从 table 所在的 pages 中取出 tuple，这种方式是 DBMS 能做的最坏的打算。

for page in table.pages:
    for t in page.tuples:
        if evalPred(t):
            # do something

DBMS 内部需要维护一个 cursor 来追踪之前访问到的位置（page/slot）。Sequential Scan 是最差的方案，因此也针对地有许多优化方案：

  • Prefetching

  • Parallelization

  • Buffer Pool Bypass

  • (本节) Zone Maps

  • (本节) Late Materialization

  • (本节) Heap Clustering

Zone Maps

预先为每个 page 计算好 attribute values 的一些统计值，DBMS 在访问 page 之前先检查 zone map，确认一下是否要继续访问，如下图所示：

当 DBMS 发现 page 的 Zone Map 中记录 val 的最大值为 400 时，就没有必要访问这个 page。

Late Materialization

在列存储 DBMS 中，每个 operator 只选取查询所需的列数据，若该列数据在查询树上方并不需要，则仅需向上传递 offsets 即可：

Heap Clustering

使用 clustering index 时，tuples 在 page 中按照相应的顺序排列，如果查询访问的是被索引的 attributes，DBMS 就可以直接跳跃访问目标 tuples。

Index Scan

DBMS 选择一个 index 来找到查询需要的 tuples。使用哪个 index 取决于以下几个因素：

  • index 包含哪些 attributes

  • 查询引用了哪些 attributes

  • attribute 的定义域

  • predicate composition

  • index 的 key 是 unique 还是 non-unique

这些问题都将在后面的课程中详细描述，本节只是对 Index Scan 作概括性介绍。

尽管选择哪个 Index 取决于很多因素，但其核心思想就是，越早过滤掉越多的 tuples 越好，如下面这个 query 所示：

SELECT * FROM students
 WHERE age < 30
   AND dept = 'CS'
   AND country = 'US';

students 在不同 attributes 上的分布可能如下所示：

  • Scenario #1：使用 dept 的 index 能过滤掉更多的 tuples

  • Scenario #2：使用 country 的 index 能过滤掉更多的 tuples

Multi-index Scan

如果有多个 indexes 同时可以供 DBMS 使用，就可以做这样的事情：

  • 计算出符合每个 index 的 tuple id sets

  • 基于 predicates (union vs. intersection) 来确定是对集合取交集还是并集

  • 取出相应的 tuples 并完成剩下的处理

Postgres 称 multi-index scan 为 Bitmap Scan。

仍然以上一个 SQL 为例，使用 multi-index scan 的过程如下所示：

其中取集合交集可以使用 bitmaps, hash tables 或者 bloom filters。

Index Scan Page Sorting

当使用的不是 clustering index 时，实际上按 index 顺序检索的过程是非常低效的，DBMS 很有可能需要不断地在不同的 pages 之间来回切换。为了解决这个问题，DBMS 通常会先找到所有需要的 tuples，根据它们的 page id 来排序，完毕后再读取 tuples 数据，使得整个过程每个需要访问的 page 只会被访问一次。如下图所示：

Expression Evaluation

DBMS 使用 expression tree 来表示一个 WHERE 语句，如下图所示：

然后根据 expression tree 完成数据过滤的判断，但这个过程比较低效，很多 DBMS 采用 JIT Compilation 的方式，直接将比较的过程编译成机器码来执行，提高 expression evaluation 的效率。

参考

slides, video

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