PgSQL · 源码分析 · PG 优化器中的pathkey与索引在排序时的使用

概要

SQL在PostgreSQL中的处理，是类似于流水线方式的处理，先后由：

词法、语法解析，生成解析树后，将其交给语义解析
语义解析，生成查询树，将其交给Planner
Planner根据查询树，生成执行计划，交给执行器
执行器执行完成后返回结果

数据库优化器在生成执行计划的时候，优化器会考虑是否需要使用索引，而使用了索引之后，则会考虑如何利用索引已经排过序的特点，来优化相关的排序，比如ORDER BY / GROUP BY等。

先来看个索引对ORDER BY起作用的例子：


postgres=# create table t(id int, name text, value int);
CREATE TABLE
postgres=# create index t_value on t(value);
CREATE INDEX
postgres=# explain select * from 
postgres-# t order by value;
                              QUERY PLAN                              
----------------------------------------------------------------------
 Index Scan using t_value on t  (cost=0.15..61.55 rows=1160 width=40)
(1 row)
 
postgres=# explain select * from 
t order by name;
                         QUERY PLAN                         
------------------------------------------------------------
 Sort  (cost=80.64..83.54 rows=1160 width=40)
   Sort Key: name
   ->  Seq Scan on t  (cost=0.00..21.60 rows=1160 width=40)
(3 rows)

由此可见，通过索引进行查询后，是可以直接利用已经索引的有序需不需要再次进行排序。

本文将介绍优化器如何在已有索引的基础上，优化排序的。

SQL的流水线处理

数据库以流水线的方式处理SQL请求，当一个SQL到来后：

以SQL中SELECT语句的基本表达形式为例：

SELCT $targets FROM $tables_or_sub_queries WHERE $quals GROUP BY $columns ORDER BY $columns LIMIT $num OFFSET $columns;

为了表示一个SELECT的语句，语义解析之前是SelectStmt结构，其中包括targetlist、FROM 子句、WHERE子句、GROUP BY子句等。

在语义解析之后，会引入一个Query结构，该Query结构只表示当前语句中的内容，并不直接包括需要递归的子句，比如子查询(子查询用RangeTblEntry描述，存放在Query->rtable列表中)等。在Query之后，优化器根据其中的内容生成RelOptInfo，作为整个执行计划的入口。

Query 结构如下，此处我们着重关注rtable和jointree：


   95	/*
   96  * Query -
   97  *    Parse analysis turns all statements into a Query tree
   98  *    for further processing by the rewriter and planner.
   99  *
  100  *    Utility statements (i.e. non-optimizable statements) have the
  101  *    utilityStmt field set, and the rest of the Query is mostly dummy.
  102  *
  103  *    Planning converts a Query tree into a Plan tree headed by a PlannedStmt
  104  *    node --- the Query structure is not used by the executor.
  105  */
  106 typedef struct Query
  107 {
  108     NodeTag     type;
  109 
  110     CmdType     commandType;    /* select|insert|update|delete|utility */
  111 
  112     QuerySource querySource;    /* where did I come from? */
  113 
  114     uint32      queryId;        /* query identifier (can be set by plugins) */
  115 
  116     bool        canSetTag;      /* do I set the command result tag? */
  117 
  118     Node       *utilityStmt;    /* non-null if commandType == CMD_UTILITY */
  119 
  120     int         resultRelation; /* rtable index of target relation for
  121                                  * INSERT/UPDATE/DELETE; 0 for SELECT */
  122 
  ...
  
  
  133     List       *cteList;        /* WITH list (of CommonTableExpr's) */
  134 
  135     List       *rtable;         /* list of range table entries */
  136     FromExpr   *jointree;       /* table join tree (FROM and WHERE clauses) */
  137 
  138     List       *targetList;     /* target list (of TargetEntry) */
  139 
  
  ...
  
  146     List       *groupClause;    /* a list of SortGroupClause's */
  147 
 
  156     List       *sortClause;     /* a list of SortGroupClause's */
  157 
  158     Node       *limitOffset;    /* # of result tuples to skip (int8 expr) */
  159     Node       *limitCount;     /* # of result tuples to return (int8 expr) */
  ...
  
  180     int         stmt_len;       /* length in bytes; 0 means "rest of string" */
  181 } Query;

在Query中，此次最关注的是由$tables_or_sub_queries解析得来的Query->rtable。Query->rtable是一个RangeTblEntry的列表，用于表示$tables_or_sub_queries中的以下几种类型：

表
子查询，表示出另外一个子句，但不包含子句中的Query，而是由RangeTblEntry中的subquery来描述其对应的Query
JOIN，除了将JOIN相关的表添加到Query->rtable外，还会加入一个RangeTblEntry表示JOIN表达式用于后面的执行计划
函数

同时也会添加到相应的ParseState->p_joinlist，后转换为FromExpr作为Query->jointree。后面的执行计划生成阶段主要依赖Query->jointree和Query->rtable用于处理pathkey相关的信息。

执行计划生成

在SQL的操作中，几乎所有的操作（比如查询）最终都会落在实际的表上，那么在执行计划中表的表示就比较重要。PostgreSQL用RelOptInfo结构体来表示，如下：


 
  518 typedef struct RelOptInfo
  519 {
  520     NodeTag     type;
  521 
  522     RelOptKind  reloptkind;
  523 
  524     /* all relations included in this RelOptInfo */
  525     Relids      relids;         /* set of base relids (rangetable indexes) */
  526 
 
  ...  
 
  537 
  538     /* materialization information */
  539     List       *pathlist;       /* Path structures */
  540     List       *ppilist;        /* ParamPathInfos used in pathlist */
  541     List       *partial_pathlist;   /* partial Paths */
  542     struct Path *cheapest_startup_path;
  543     struct Path *cheapest_total_path;
  544     struct Path *cheapest_unique_path;
  545     List       *cheapest_parameterized_paths;
  
  ...
  
  552     /* information about a base rel (not set for join rels!) */
  553     Index       relid;
  554     Oid         reltablespace;  /* containing tablespace */
  555     RTEKind     rtekind;        /* RELATION, SUBQUERY, FUNCTION, etc */
  
  ...
  
  562     List       *indexlist;      /* list of IndexOptInfo */
  563     List       *statlist;       /* list of StatisticExtInfo */
 
  ...
  584     /* used by various scans and joins: */
  585     List       *baserestrictinfo;   /* RestrictInfo structures (if base rel) */
  586     QualCost    baserestrictcost;   /* cost of evaluating the above */
  587     Index       baserestrict_min_security;  /* min security_level found in
  588                                              * baserestrictinfo */
  589     List       *joininfo;       /* RestrictInfo structures for join clauses
 
  ...
  595 } RelOptInfo;

事实上，RelOptInfo是执行计划路径生成的主要数据结构，同样用于表述表、子查询、函数等。

在SQL查询中，JOIN是最为耗时，执行计划的生成首先考虑JOIN。因此，整个执行计划路径的入口即为一个JOIN类型的RelOptInfo。当只是单表的查询时，则执行计划入口为这张表的RelOptInfo。

执行计划的生成过程，就是从下往上处理到最上层的RelOptInfo->pathlist的过程，选择有成本较优先节点、删除无用节点，最后得到一个成本最优的执行计划。

在整个过程中，大约分为以下几步：

获取表信息
创建表RelOptInfo，将所有该表的扫瞄路径加入到该表的RelOptInfo->pathlist
创建JOIN的RelOptInfo，将所有可能的JOIN顺序和方式以Path结构体添加到RelOptInfo->pathlist
针对JOIN的RelOptInfo，添加GROUP BY、ORDER BY等节点

生成范围表的扫瞄节点

执行计划一开始，即首先将获取所有的表信息，并以RelOptInfo（baserel）存放在PlannerInfo结构体中的simple_rel_array中，如RelOptInfo中的indexlist用于表示这张表的索引信息，用于判断是否可以用上索引。

为每张表建立扫瞄路径，一般有顺序扫瞄和索引扫瞄两种。扫瞄路径用Path结构体来表示，并存放在该表对应的RelOptInfo->pathlist中。Path结构体如下：


  948 typedef struct Path
  949 {
  950     NodeTag     type;
  951 
  952     NodeTag     pathtype;       /* tag identifying scan/join method */
  953 
  954     RelOptInfo *parent;         /* the relation this path can build */
  955     PathTarget *pathtarget;     /* list of Vars/Exprs, cost, width */
  956 
  957     ParamPathInfo *param_info;  /* parameterization info, or NULL if none */
  958 
  959     bool        parallel_aware; /* engage parallel-aware logic? */
  960     bool        parallel_safe;  /* OK to use as part of parallel plan? */
  961     int         parallel_workers;   /* desired # of workers; 0 = not parallel */
  962 
  963     /* estimated size/costs for path (see costsize.c for more info) */
  964     double      rows;           /* estimated number of result tuples */
  965     Cost        startup_cost;   /* cost expended before fetching any tuples */
  966     Cost        total_cost;     /* total cost (assuming all tuples fetched) */
  967 
  968     List       *pathkeys;       /* sort ordering of path's output */
  969     /* pathkeys is a List of PathKey nodes; see above */
  970 } Path;

在添加表的扫瞄路径时，会首先添加顺序扫瞄（seqscan）到这张表的RelOptInfo->pathlist，保证表数据的获取。而后考虑indexscan扫瞄节点等其他方式。

当RelOptInfo->indexlist满足RelOptInfo->baserestrictinfo中的过滤条件，或满足RelOptInfo->joininfo等条件时，则认为index是有效的。然后根据统计信息（如过滤性等）计算成本后，建立index扫瞄节点。

在建立index扫瞄节点时，根据索引建立时的情况（排序顺序、比较操作符等），创建PathKeys的列表（可能多个字段），存放在IndexPath->Path->pathkeys中。PathKeys的结构体如下：


  830 /*
  831  * PathKeys
  832  *
  833  * The sort ordering of a path is represented by a list of PathKey nodes.
  834  * An empty list implies no known ordering.  Otherwise the first item
  835  * represents the primary sort key, the second the first secondary sort key,
  836  * etc.  The value being sorted is represented by linking to an
  837  * EquivalenceClass containing that value and including pk_opfamily among its
  838  * ec_opfamilies.  The EquivalenceClass tells which collation to use, too.
  839  * This is a convenient method because it makes it trivial to detect
  840  * equivalent and closely-related orderings. (See optimizer/README for more
  841  * information.)
  842  *
  843  * Note: pk_strategy is either BTLessStrategyNumber (for ASC) or
  844  * BTGreaterStrategyNumber (for DESC).  We assume that all ordering-capable
  845  * index types will use btree-compatible strategy numbers.
  846  */
  847 typedef struct PathKey
  848 {
  849     NodeTag     type;
  850 
  851     EquivalenceClass *pk_eclass;    /* the value that is ordered */
  852     Oid         pk_opfamily;    /* btree opfamily defining the ordering */
  853     int         pk_strategy;    /* sort direction (ASC or DESC) */
  854     bool        pk_nulls_first; /* do NULLs come before normal values? */
  855 } PathKey;
  856

事实上，PathKeys可以用于所有已排过序的RelOptInfo中，用于表示这个表、函数、子查询、JOIN等是有序的，作为上层判断选择Path的依据之一。

在建立除seqscan之外的其他节点时，会与pathlist中已有的每个节点根据启动成本和总体成本做对比（相差在一定比值，默认1%），则分为四种情况：

新建节点和已有节点，其中一方启动成本和总成本都更优，且其pathkeys也更优，那么删除另外一个
新建节点和所有已有节点的启动成本和总成本两方面的对比不一致（如总成本高但启动成本较低，或反过来），且新建节点总成本较低，则会全部保留并添加到RelOptInfo->pathlist中。
新节点和已有节点，其中一方启动成和总成本都更优，但其pathkeys不够，则两者都保留，由上层Path节点来判断
当新建节点和已有节点成本相同时，则对比两者的pathkeys，选择保留更优pathkeys的节点

此时，即完成一张表所有的Path的生成，保存在该表的RelOptInfo->pathlist中，并从中选择一条成本最低的Path，作为RelOptInfo->cheapest_total_path。索引扫瞄节点的pathkeys将会被上层路径在与排序相关节点中用到，如ORDER BY、GROUP BY、MERGE JOIN等。

生成JOIN节点

JOIN节点生成的算法较为复杂，简单来说，会针对所有参与JOIN的表，动态规划不同的顺序和JOIN方式，然后生成不同的Path加到这个JOIN的RelOptInfo->pathlist中。

最终执行计划的生成

在完成JOIN的各个路径判断后，针对各路径选择成本最低的Path（表的JOIN顺序和JOIN方式）作为最优路径，并依据这个路径上的pathkeys处理ORDER BY、GROUP BY等其他子句的计划，从而完成最终的执行计划。

在前面的介绍中，每张表的RelOptInfo->pathlist中的indexscan的Path都带有pathkeys信息，即表明这个节点执行完之后的结果是按pathkeys来排序的。那么在以下几个地方则可以用到该特性：

MERGE JOIN

在建立JOIN节点时，会有多种JOIN方式可以选择，如NESTLOOP、MERGE JOIN等。当建立了MERGE JOIN节点之后，一般是需要对两张表进行排序。但当某张表的扫瞄节点返回的是有序的，且该顺序与查询所需完全一致，则会去除这个排序节点，从而在成本上占据优势。
ORDER BY

当最终的RelOptInfo节点建立完成后，会拿表RelOptInfo->pathlist中成本最低的Path，与带有pathkeys的Path做成本上的对比，选择成本更低的路径。如果最终是pathkeys的路径，那么该RelOptInfo的pathkeys会保留。

若该SQL语句中带ORDER BY，则可以判断该RelOptInfo的pathkeys是否对ORDER BY（字段和排列顺序一致），则不必再建立ORDER BY节点。如果pathkeys没有帮助，则会建立排序节点
GROUP BY

GROUP BY有多种方式。如果RelOptInfo中的pathkeys与在解析阶段产生的GROUP BY的pathkeys一致，则从成本上对RelOptInfo结果集的pathkeys对该GROUP BY是否有效，从而可以考虑选用SORT加AGG的方式。这种方式，因为pathkeys的存在，则不必再建SORT 节点。然后再对比与其他方式的成本，择优采用。
子查询

如果JOIN中包含子查询，那么则在JOIN的RelOptInfo->pathlist中添加一个subquery类型的Path，并把子查询中的排序的结果指定为pathkeys放在该Path中。从而上层节点，可以用上面同样的方法，选用该RelOptInfo中最优的Path，并根据pathkeys决定是否需要排序。

总结

通过以上表述，可以说明一条SQL语句的执行计划入口是一个RelOptInfo结构，其中成员pathlist则标示所有不同的查找路径，在这些路径中最终会落在表的RelOptInfo->pathlist中最优的Path中。如果该Path带有pathkeys，那么上层在处理ORT相关的操作时，可以根据pathkeys是否对排序有效而决定是否需要排序节点，从而选择成本更低的路径。