基于Oralce數(shù)據(jù)庫SQL查詢優(yōu)化研究

張學(xué)義，王觀玉，黃 雋

ZHANG Xue-yi，WANG Guan-yu，HUANG Jun

（黔南民族師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)系，都勻 558000）

0 引言

Oracle數(shù)據(jù)庫是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的大型數(shù)據(jù)庫，其查詢性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對其查詢優(yōu)化方法的研究更具有現(xiàn)實意義。隨著數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度就成為目前系統(tǒng)需要解決的最主要的問題之一，劣質(zhì)SQL語句和優(yōu)質(zhì)SQL語句之間的速度差別可以達(dá)到上百倍，可見對于一個系統(tǒng)不是簡單地能實現(xiàn)其功能就可，而是要寫出高質(zhì)量的SQL語句，提高系統(tǒng)的可用性和降低系統(tǒng)的響應(yīng)時間。傳統(tǒng)的Oracle SQL查詢優(yōu)化方法[1]是使用索引來更快地遍歷表，優(yōu)化器主要根據(jù)定義的索引來提高性能。但是，如果在SQL語句的where子句中寫的SQL代碼不合理，就會造成優(yōu)化器略去索引而使用全表掃描，導(dǎo)致查詢效率低下。

針對上述情況，提出了幾種SQL查詢語句優(yōu)化新策略：檢測分析影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的SQL語句、共享SQL語句、使用表的別名、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)優(yōu)化、共享池的優(yōu)化、數(shù)據(jù)緩沖池的優(yōu)化，使得執(zhí)行SQL語句時優(yōu)化器根據(jù)優(yōu)化原則來合理使用索引，并盡可能減少磁盤I/O訪問獲取所需要的數(shù)據(jù)，提高查詢性能。在數(shù)據(jù)庫優(yōu)化前后比較其評價指標(biāo)：響應(yīng)時間和吞吐量之間的權(quán)衡、數(shù)據(jù)庫的命中率以及內(nèi)存的使用效率，并以此來衡量優(yōu)化的效果和指導(dǎo)優(yōu)化的方向。

1 Oracle優(yōu)化原理

Oracle數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的主要目標(biāo)就是減少磁盤I/O、減少CPU利用率和資源競爭，降低查詢響應(yīng)時間或提高系統(tǒng)吞吐量。影響SQL性能的因素很多，如初始化參數(shù)設(shè)置不合理、導(dǎo)入了不準(zhǔn)確的系統(tǒng)及模式統(tǒng)計數(shù)據(jù)從而影響優(yōu)化程序（CBO）的正確判斷、未建立恰當(dāng)?shù)乃饕鹑頀呙琛⒍啾磉B接時過濾條件位置不當(dāng)導(dǎo)致中間結(jié)果集包含了太多的無用記錄、未充分利用數(shù)據(jù)庫提供的查詢并行化處理。

磁盤I/O[2]是影響Oracle數(shù)據(jù)庫性能的瓶頸，主要原因有磁盤競爭、I/O讀取次數(shù)和數(shù)據(jù)塊空間的分配管理不當(dāng)?shù)取Ｌ岣逫/O設(shè)備的并發(fā)訪問率，可以有效提高SQL語句的執(zhí)行效率。當(dāng)競爭增強(qiáng)的時候，系統(tǒng)響應(yīng)時間將增長。

用戶在編寫新的SQL語句，或者對應(yīng)用程序中存在疑問的語句進(jìn)行優(yōu)化時，其基本步驟為查找最消耗資源的語句，對這些語句進(jìn)行優(yōu)化，使其占用更少的資源。利用SQL TRACE、SQL Analyze等工具，可以查出存在問題的SQL語句。

SQL處理體系結(jié)構(gòu)由以下幾個主要組件組成：解析程序、字典、優(yōu)化程序、SQL執(zhí)行，如下圖1所示：

解析程序、優(yōu)化程序共同組成了SQL編譯器。編譯器將SQL語句編譯成共享游標(biāo)，并與查詢計劃相關(guān)聯(lián)。解析程序執(zhí)行語法分析和語義分析。優(yōu)化程序是SQL處理引擎的核心。Oracle數(shù)據(jù)庫支持兩種優(yōu)化方法：基于規(guī)則的優(yōu)化（RBO）和基于開銷的優(yōu)化（CBO），本論文正是基于CBO方法設(shè)置優(yōu)化程序的方法和目標(biāo)，以及收集CBO的統(tǒng)計信息，對SQL語句進(jìn)行查詢優(yōu)化，獲得最佳吞吐量。

圖1 SQL處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 Oracle數(shù)據(jù)庫內(nèi)存優(yōu)化方法

要充分發(fā)揮Oracle數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，必須對數(shù)據(jù)庫的各項初始化參數(shù)進(jìn)行合理配置[3]。從Oracle數(shù)據(jù)庫內(nèi)存優(yōu)化管理的角度出發(fā)，針對影響其性能的因素及其對應(yīng)的參數(shù)，分別從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)優(yōu)化、共享池優(yōu)化、重做日志緩沖區(qū)優(yōu)化幾個方面完成內(nèi)存優(yōu)化配置。

SGA（系統(tǒng)全局區(qū)）是數(shù)據(jù)庫的工作區(qū)，它和Oracle進(jìn)程結(jié)合組成一個Oracle數(shù)據(jù)庫實例，管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，應(yīng)答用戶請求。SGA[4]有三個組成部分，即數(shù)據(jù)庫緩存區(qū)，共享池區(qū)以及日志緩存區(qū)，這些內(nèi)存區(qū)域由初始化文件initSID.ora中相應(yīng)的參數(shù)來配置，它們的性能效率也將受initSID.ora中各參數(shù)設(shè)置的影響。以DBA的身份連接到數(shù)據(jù)庫，通過執(zhí)行下列語句來獲取SGA設(shè)置信息：SQL＞select * from v$sga，并做相應(yīng)的調(diào)整。

1）共享池的優(yōu)化

共享池（shared pool）包括庫高速緩存、數(shù)據(jù)字典高速緩存，衡量這兩個緩存區(qū)性能的指標(biāo)主要是它們的命中率。共享池用LRU算法進(jìn)行管理，保證頻繁使用的代碼和數(shù)據(jù)字典能夠存于共享池中。數(shù)據(jù)字典命中率查詢：SQL＞select（1 -（sum（getmisses）/sum（gets）））* 100“Hit Ratio” from v$rowcache；查詢結(jié)果Hit Ratio為98.25588424。

若共享池的庫高速緩存和數(shù)據(jù)字典命中率低于95%，則可增大initSID.ora中shared_ pool_size的值。

2）日志緩沖區(qū)的優(yōu)化

日志緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)庫的修改信息，大小由log_buffer確定，它必須是db_block_ size的整數(shù)倍。日志緩沖區(qū)的存在可以加快數(shù)據(jù)庫的操作速度，因為內(nèi)存到內(nèi)存的操作比內(nèi)存到硬盤的速度快很多。SQL＞select n.name,gets,misses,immediate_gets，immediate_ misses from v$latch l,v$latchname n where n.name in（'redo allocation','redo copy'）and n.latch#=l.latch#；此查詢中redo allocation和redo copy的失敗率為0，如果計算結(jié)果大于1%，則需增大日志緩沖區(qū)的大小。

3 SQL查詢語句優(yōu)化新策略

SQL語句尤其是復(fù)雜SQL語句的性能優(yōu)化對于數(shù)據(jù)庫的性能是至關(guān)重要的。在集中式數(shù)據(jù)庫中，SQL查詢的執(zhí)行總代價＝I/O代價＋CPU代價＋內(nèi)存代價。調(diào)整影響其執(zhí)行效率的三大因素來減少系統(tǒng)總代價：一是減少查詢所產(chǎn)生的I/O總次數(shù)；二是減少CPU的計算頻度，減少SQL語句中需要計算的量和參數(shù)；三是減少對系統(tǒng)內(nèi)存的使用和占用時間。SQL語句優(yōu)化的一般步驟如下圖2所示：

首先我們要檢測出不合理的SQL語句，首先要生成執(zhí)行計劃，最簡單的辦法有兩種：一是SQL＞set autotrace on自動記錄執(zhí)行計劃；二是explain plan for ‘SQL語句’，然后通過select * from table（dbms_xplan.display（））來查看執(zhí)行計劃。第一種方法查看執(zhí)行時間較長的SQL語句時，需要等待該語句執(zhí)行成功后才返回執(zhí)行計劃。

在第一次解析之后，Oracle將SQL語句存放位在SGA共享池中，為所有的數(shù)據(jù)庫用戶共享，大大地提高了SQL的執(zhí)行性能并節(jié)省了內(nèi)存。當(dāng)用戶提交SQL語句時，服務(wù)器進(jìn)程在共享池中查找有無該條語句，如果有就跳過語法分析等過程，節(jié)省了SQL語句的分析和編譯的開銷。只有在共享池中不存在等價SQL語句的情況下，才對該語句作語法分析，并為該語句分配新的共享SQL區(qū)。

圖2 SQL優(yōu)化的一般步驟

SQL優(yōu)化[6]的實質(zhì)就是在結(jié)果正確的前提下，充分利用索引，減少表掃描的I/O次數(shù)，選擇最有效的執(zhí)行計劃來執(zhí)行SQL語句的過程。下面的查詢優(yōu)化實例以EMP和DEPT表為查詢表，其中emp表有1204行記錄，dept有604行記錄。

1）select子句中避免使用*

Oracle在解析的過程中，通過查詢數(shù)據(jù)字典將*依次轉(zhuǎn)換成所有的列名，這將消耗更多的時間，降低了查詢速度。優(yōu)化例1如下表1所示：

表1 select子句中＊ 優(yōu)化

2）where子句中約束條件的順序

Oracle采用自下而上的順序解析where子句，因此表之間的連接必須寫在其他約束條件之前，將過濾掉最多記錄的條件寫在where子句的末尾，提高查詢效率。優(yōu)化例2如下表2所示：

表2 where子句約束條件優(yōu)化

3）用where子句替換having子句

where檢查每條記錄是否符合條件，通過其過濾條件減少系統(tǒng)開銷。having子句檢查group by后的各組是否滿足條件，而Where子句在匯總之前就減少參加匯總的數(shù)據(jù)量，從而提高查詢速度。如果having子句應(yīng)用了匯總函數(shù)，則不能用Where代替。優(yōu)化例3如下表3所示：

表3 group by和having優(yōu)化

4）子查詢“展平”技術(shù)

子查詢“展平”指將子查詢轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接、半連接，從而達(dá)到優(yōu)化查詢的目的。SQL首先計算位于外層查詢的from子句中關(guān)系的笛卡爾積，然后對該笛卡爾積的每個元組用where子句中的謂詞進(jìn)行過濾。因為子查詢要對應(yīng)位于外層查詢的每一個元組進(jìn)行單獨(dú)的計算，從而導(dǎo)致大量的磁盤I/O操作，所以在實際應(yīng)用中，用連接查詢代替子查詢，提高查詢效率。

找出所有工資超過2000的雇員的那些部門編號和名稱。優(yōu)化例5如下表4所示：

表4 子查詢展平優(yōu)化

5）用union替換or（適用于索引列）

在where子句中or連接多個索引列，用union替換where子句中的or，可以顯著提高查詢效率。對索引列使用or將造成全表掃描，如果用or連接的列沒有被索引，查詢效率不會提高。union在進(jìn)行表連接后，對所產(chǎn)生的結(jié)果集進(jìn)行排序運(yùn)算，篩選掉重復(fù)的記錄再返回結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文從影響SQL性能的最主要的幾個方面入手，提出了從磁盤I/O、系統(tǒng)內(nèi)存參數(shù)的調(diào)整和SQL查詢語句的優(yōu)化新策略，算法可行，效率較高，可以在實際中推廣應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，SQL語句的優(yōu)化使運(yùn)算速度加快，有效減少執(zhí)行時間，提高響應(yīng)速度，優(yōu)化效果理想，因此，本文提出的Oracle SQL查詢優(yōu)化方法是一種有效的數(shù)據(jù)庫性能調(diào)優(yōu)方法。

數(shù)據(jù)庫的性能調(diào)整是一個系統(tǒng)工程，需要在大量的實踐工作中不斷地積累經(jīng)驗，結(jié)合上述各種優(yōu)化技術(shù)，更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫調(diào)優(yōu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫檢索性能的提高。

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