四章关系系统及其查询优化

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1、四章关系系统及其查询优化 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第4章教学时数:2教学目的与要求:了解关系数据库以及如何进行查询的优化。教学重点:查询优化的实现。教学难点:查询优化的实现。本章主要阅读文献资料:1、Date C J,An Introduction to Database System(Ed.7),Addison-Wesley,20002、王珊，陈红：数据库系统原理教程数据库系统原理教程，清华大学出版社，2000第四章 关系系统及其查询优化4

2、.1 关系系统4.2 关系系统的查询优化4.3 小结关系系统能够在一定程度上支持关系模型的数据库管理系统是关系系统。关系系统与关系模型关系数据结构域及域上定义的关系关系操作并、交、差、广义笛卡尔积、选择、投影、连接、除等 关系完整性实体完整性、参照完整性、用户自己定义的完整性关系系统的定义 一个数据库管理系统可定义为关系系统，当且仅当它至少支持：1.关系数据库（即关系数据结构）系统中只有表这种结构2.支持选择、投影和（自然）连接运算 对这些运算不要求用户定义任何物理存取路径对关系系统的最低要求关系系统的定义 不支持关系数据结构的系统显然不能称为关系系统仅支持关系数据结构，但没有选择、投影和连接

3、运算功能的系统仍不能算作关系系统。原因：不能提高用户的生产率支持选择、投影和连接运算，但要求定义物理存取路径，这种系统也不能算作真正的关系系统原因：就降低或丧失了数据的物理独立性选择、投影、连接运算是最有用的运算4.1.2 关系系统的分类 分类依据：支持关系模型的程度分类 表式系统：支持关系数据结构(即表)(最小)关系系统 支持：关系数据结构 选择、投影、连接关系操作 关系完备的系统 支持：关系数据结构 所有的关系代数操作 全关系系统 支持：关系模型的所有特征 关系系统的分类（续）数据结构数据结构数据操作数据操作完整性完整性表式系统表式系统表表 (最小最小)关系系统关系系统表表选选择择、投投影

4、影、连接连接 关系完备的系统关系完备的系统表表 全关系系统全关系系统 第四章 关系系统及其查询优化4.1 关系系统4.2 关系系统的查询优化4.3 小结4.2 关系系统的查询优化 4.2.1 查询优化概述4.2.2 查询优化的必要性4.2.3 查询优化的一般准则4.2.4 优化的策略：等价变换4.2.5 关系代数表达式的优化算法4.2.6 优化的一般步骤 4.2.1 查询优化概述为什么要进行查询优化查询优化极大地影响RDBMS的性能。查询优化的可能性关系数据语言为查询的优化提供了可能性。由DBMS进行查询优化的好处用户不必考虑如何最好地表达查询以获得较好的效率系统可以比用户程序的优化做得更好(

5、1)优化器可以从数据字典中获取许多统计信息，而用户程序则难以获得这些信息 由DBMS进行查询优化的好处(2)如果数据库的物理统计信息改变了，系统可以自动对查询重新优化以选择相适应的执行计划。(3)优化器可以考虑数百种不同的执行计划，而程序员一般只能考虑有限的几种可能性。(4)优化器中包括了很多复杂的优化技术查询优化目标查询优化的总目标 选择有效策略，求得给定关系表达式的值实际系统的查询优化步骤1.将查询转换成某种内部表示，通常是语法树2.根据一定的等价变换规则把语法树转换成标准（优化）形式 3.选择低层的操作算法 对于语法树中的每一个操作：计算各种执行算法的执行代价；选择代价小的执行算法 4.

6、生成查询计划(查询执行方案)代价模型集中式数据库单用户系统总代价=I/O代价+CPU代价多用户系统总代价=I/O代价+CPU代价+内存代价分布式数据库 总代价=I/O代价+CPU代价+内存代价+通信代价 4.2 关系系统的查询优化 4.2.1 查询优化概述4.2.2 查询优化的必要性4.2.3 查询优化的一般准则4.2.4 优化的策略：等价变换4.2.5 关系代数表达式的优化算法4.2.6 优化的一般步骤 4.2.2 查询优化的必要性 例：求选修了课程号为2的学生的姓名SELECT Student.SnameFROM Student,SCWHERE Student.Sno=SC.SnoAND

7、SC.Cno=2;查询优化的必要性（续）假设1：外存：Student:1000条,SC:10000条,选修2号课程:50条假设2：一个内存块装元组:10个Student,或100个SC,内存中一次可以存放:5块Student元组,1块SC元组和若干块连接结果元组假设3：读写速度：20块/秒假设4：连接方法：基于数据块的嵌套循环法 执行策略1 1 name(Student.Sno=SC.Sno SC.Cno=2(StudentSC)StudentSC 读取总块数=读Student表块数+读SC表遍数 *每遍块数=1000/10+(1000/(105)(10000/100)=100+20100=2

8、100 读数据时间=2100/20=105秒不同的执行策略,考虑I/O时间中间结果大小=1000*10000=107 (1千万条元组)写中间结果时间=10000000/10/20=50000秒读数据时间=50000秒总时间=1055000050000秒=100105秒 =27.8小时查询优化的必要性（续）2.2 name(SC.Cno=2(Student SC)读取总块数=2100块读数据时间=2100/20=105秒中间结果大小=10000 （减少1000倍）写中间结果时间=10000/10/20=50秒读数据时间=50秒总时间1055050秒205秒=3.4分查询优化的必要性（续）3.2

9、Sname(Student SC.Cno=2(SC)读SC表总块数=10000/100=100块读数据时间=100/20=5秒中间结果大小=50条 不必写入外存读Student表总块数=1000/10=100块读数据时间=100/20=5秒 总时间55秒10秒 查询优化的必要性（续）4.2 name(Student SC.Cno=2(SC)假设SC表在Cno上有索引，Student表在Sno上有索引 读SC表索引=读SC表总块数=50/1001块读数据时间中间结果大小=50条 不必写入外存查询优化的必要性（续）读Student表索引=读Student表总块数=50/10=5块读数据时间 总时间

10、 连接运算 例：Student.Sno=SC.Sno (StudentSC)Student SC提取公共子表达式4.2 关系系统的查询优化 4.2.1 查询优化概述4.2.2 查询优化的必要性4.2.3 查询优化的一般准则4.2.4 优化的策略：等价变换4.2.5 关系代数表达式的优化算法4.2.6 优化的一般步骤 4.2.4 优化的策略：等价变换关系代数表达式等价指两个来自同一个关系的不同表达式所得到的结果是相同的上面的优化策略大部分都涉及到关系代数表达式的等价变换常用的等价变换规则设E1、E2等是关系代数表达式，F是条件表达式 l.连接、笛卡尔积交换律E1 E2 E2E1E1 E2E2 E

11、1 E1 F E2E2 F E1 关系代数等价变换规则（续）2.连接、笛卡尔积的结合律 (E1E2)E3 E1 (E2E3)(E1 E2)E3 E1 (E2 E3)(E1 E2)E3 E1 (E2 E3)F F F F关系代数等价变换规则（续）设L1，L2 Ln为属性集，且L1 L 2 L3 Ln则 L1(Ln-1(Ln(E)L1(E)3.投影的串接定律关系代数等价变换规则（续）4.选择的串接定律 F1（F2（E）F1 F2(E)选择的串接律说明 选择条件可以合并这样一次就可检查全部条件。关系代数等价变换规则（续）5.选择与投影的交换律(1)假设:选择条件F属性集LF(L(E)L(F(E)(2

12、)假设:F的属性涉及L1和L2属性集且L1 L，L2 L L(F(E)L(F(LL2(E)关系代数等价变换规则（续）6.选择与笛卡尔积的交换律(1)假设：F中涉及的属性都是E1中的属性 F(E1E2)F(E1)E2(2)假设：F=F1F2，并且F1只涉及E1中的属性，F2只涉及E2中的属性 则由上面的等价变换规则1，4，6可推出：F(E1E2)F1(E1)F2(E2)关系代数等价变换规则（续）(3)假设：F=F1F2，F1只涉及E1中的属性，F2涉及E1和E2两者的属性 F(E1E2)F2(F1(E1)E2)它使部分选择在笛卡尔积前先做 关系代数等价变换规则（续）7.选择与并的交换假设：E=E

13、1E2，E1，E2有相同的属性名F(E1E2)F(E1)F(E2)8.选择与差运算的交换假设：E1与E2有相同的属性名F(E1-E2)F(E1)-F(E2)关系代数等价变换规则（续）9.投影与笛卡尔积的交换假设：E1和E2是两个关系表达式，L1是E1的属性，L2是E2的属性 L1,L2（E1E2)L1（E1)L2(E2)关系代数等价变换规则（续）l0.投影与并的交换假设：E1和E2 有相同的属性名 L(E1E2)L(E1)L(E2)4.2 关系系统的查询优化 4.2.1 查询优化概述4.2.2 查询优化的必要性4.2.3 查询优化的一般准则4.2.4 优化的策略：等价变换4.2.5 关系代数表

14、达式的优化算法4.2.6 优化的一般步骤 4.2.5 关系代数表达式的优化算法 算法：关系表达式的优化输入：一个关系表达式的语法树。输出：计算该表达式的程序。方法：（1）分解选择运算 利用规则4(选择的串接)把形如F1 F2 Fn(E)变换为 F1(F2(Fn(E)关系代数表达式的优化算法(续)（2）通过交换选择运算，将其尽可能移到树的叶端（3）通过交换投影运算，将其尽可能移到叶端 关系代数表达式的优化算法(续)（4）合并串接的选择和投影，以便能同时执行或在一次扫描中完成 关系代数表达式的优化算法(续)（5）对内结点分组每一双目运算(，-)和它所有的直接祖先为一组(这些直接祖先是，运算)。如果

15、其后代直到叶子全是单目运算，则也将它们并入该组，但当双目运算是笛卡尔积()，而且其后的选择不能与它结合为等值连接时除外。把这些单目运算单独分为一组。关系代数表达式的优化算法(续)（6）生成程序生成一个程序，每组结点的计算是程序中的一步。各步的顺序是任意的，只要保证任何一组的计算不会在它的后代组之前计算。4.2 关系系统的查询优化 4.2.1 查询优化概述4.2.2 查询优化的必要性4.2.3 查询优化的一般准则4.2.4 优化的策略：等价变换4.2.5 关系代数表达式的优化算法4.2.6 优化的一般步骤 4.2.6 优化的一般步骤 1把查询转换成某种内部表示2代数优化：把语法树转换成标准（优化

16、）形式3物理优化：选择低层的存取路径4生成查询计划，选择代价最小的 优化的一般步骤(续)（1）把查询转换成某种内部表示（语法树）建立语法树的规则：建立语法树的规则：对对一一个个关关系系表表达达式式进进行行语语法法分分析析，将将关关系系作作为为叶叶子子节节点点，而而对对关关系系的的操操作作作为非叶子节点。作为非叶子节点。例：求选修了课程号为2的学生姓名（1）把查询转换成某种内部表示Sname SC.Cno=2Student.Sno=SC.SnoStudentSCSname SC.Cno=2 Student.Sno=SC.Sno StudentSC（2）代数优化利用优化算法把语法树转换成标准（优化

17、）形式（2）代数优化Sname Student.Sno=SC.Sno SC.Cno=2 StudentSC（2）代数优化Sname SC.Cno=2 StudentSC（3）物理优化：选择低层的存取路径 所谓选择低层存取路径，指的就是要充分利用数据库中已有的索引等信息。假如选择条件或连接条件所涉及的属性上有索引，那么利用该索引进行存取就可以节省很多时间，这也能提高查询的效率。（3）物理优化：选择低层的存取路径-优化器查找数据字典获得当前数据库状态信息选择字段上是否有索引连接的两个表是否有序连接字段上是否有索引然后根据一定的优化规则选择存取路径 如本例中若SC表上建有Cno的索引，则应该利用这个

18、索引，而不必顺序扫描SC表。（4）生成查询计划，选择代价最小的在作连接运算时，若两个表(设为R1，R2)均无序，连接属性上也没有索引，则可以有下面几种查询计划：对两个表作排序预处理 对R1在连接属性上建索引 对R2在连接属性上建索引 在R1，R2的连接属性上均建索引对不同的查询计划计算代价，选择代价最小的一个。在计算代价时主要考虑磁盘读写的I/O数，内存CPU处理时间在粗略计算时可不考虑。第四章 关系系统及其查询优化4.1 关系系统4.2 关系系统的查询优化4.3 小结4.3 小结 关系系统关系系统的定义一个数据库管理系统可定义为关系系统，当且仅当它至少支持：1 关系数据库（即关系数据结构）2 支持选择、投影和（自然）连接运算，且不要求用户定义任何物理存取路径 小结（续）关系系统的分类表式系统(最小)关系系统关系完备系统全关系系统 小结（续）关系系统的查询优化代数优化：关系代数表达式的优化关系代数等价变换规则关系代数表达式的优化算法物理优化：存取路径和低层操作算法的选择 作业设有学生关系S(Sno,Sname,Sage,Ssex)课程关系C(Cno,Cname,Tname)学习关系SC(Sno,Cno,grade)查询学习刘红老师课程的所有女同学的学号和姓名。要求画出语法树并优化。