你确定读懂了PostgreSQL执行计划吗?

2024年 4月 19日 31.0k 0

在执行任何 SQL 语句之前,PostgreSQL 优化器都会为它创建一个执行计划(Query Plan)。执行计划描述了 SQL 语句的具体实现步骤,例如使用全表扫描还是索引查找的方式获取表中的数据,连接查询使用 Nested Loop Join、Hash Join 还是 Sort Merge Join 算法,以及连接的顺序等等。

当我们遇到慢查询等性能问题时,通常可以先查看 SQL 语句的执行计划,因此本文给大家详细介绍一下如何获取并解读 PostgreSQL 执行计划。

获取执行计划

PostgreSQL 提供了 EXPLAIN 语句,可以很方便地获取 SQL 语句的执行计划。EXPLAIN 语句的基本语法如下:

EXPLAIN statement;

我们首先创建初始化数据:

CREATE TABLE test(
  id INTEGER PRIMARY KEY,
  vc VARCHAR(100),
  vn NUMERIC,
  vd DATE,
  other char(100) DEFAULT 'N/A' NOT NULL
);

INSERT INTO test (id, vc, vn, vd)
SELECT id, 's'||random(), 100*random(),'2024-01-01'::date+(100*random())::int 
FROM GENERATE_SERIES(1, 10000) id;

ANALYZE test;

最后的 ANALYZE 命令是为了收集表的统计信息,帮助查询优化器做出合理的选择。

提示:PostgreSQL 优化器需要知道最新的数据库统计信息(pg_statistic)才能选择合适的执行计划,通常 autovacuum 后台守护进程会定期更新统计信息。但是,如果某个表近期执行了大量数据更新,我们可以执行 ANALYZE 命令更新它的统计信息。

以下是一个简单的 EXPLAIN 示例:

EXPLAIN SELECT * FROM test;

QUERY PLAN                                                |
----------------------------------------------------------+
Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|

PostgreSQL 执行计划结果包含几部分内容:操作(Seq Scan on test)、成本(cost)、预估返回的行数(rows)以及预估每行数据的平均宽度(width),单位为字节。

其中,最重要的信息是成本,它的单位一般是磁盘页读取次数。成本包含两个数字,分别代表返回第一行数据之前的启动成本和返回全部结果的总成本。对于大多数查询而言,我们需要关注总成本;但是某些情况下(例如 EXISTS 子查询),查询计划器会选择最小的启动成本,因为执行器只需要获取一行数据。另外,如果我们使用了 LIMIT 子句限制返回的行数,查询计划器会基于两个成本计算一个合适的中间值。

EXPLAIN 语句还支持一些选项,其中需要重点注意的一个选项就是 ANALYZE,因为它不仅显示预估的执行计划,还会实际执行相应的语句并且返回执行时间统计。例如:

EXPLAIN ANALYZE
SELECT * FROM test;

QUERY PLAN                                                                                              |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141) (actual time=0.021..1.374 rows=10000 loops=1)|
Planning Time: 0.083 ms                                                                                 |
Execution Time: 1.890 ms                                                                                |

可以看出,执行计划结果中增加了实际运行时间(actual time)统计,包括每个操作节点消耗的时间(毫秒)、返回的数据行数以及执行的次数。Planning Time 是生成执行计划的时间;Execution Time 是执行语句的实际时间,不包括 Planning Time。ANALYZE 选项通常可以用于检查查询计划器的评估是否准确。

虽然 ANALYZE 选项忽略了 SELECT 语句返回的结果,但是对于 INSERT、UPDATE、DELETE 等语句,它仍然会修改表中的数据,为了避免这种副作用,我们可以在事务内部获取执行计划,然后回滚事务:

BEGIN;
EXPLAIN ANALYZE ...;
ROLLBACK;

其他 EXPLAIN 选项的介绍可以参考下文。

解读执行计划

PostgreSQL 执行计划的结构是一棵由计划节点组成的树,EXPLAIN 命令的每一行对应一个节点。

每一行节点除了汇总信息之外,还可能包含缩进行,显示了完成该节点的底层操作。节点的执行顺序按照缩进来判断,缩进越多的越先执行,同样缩进的从上至下执行。第一行显示了预估的总成本,它也是优化器最小化的目标。

执行计划最底层的节点是扫描节点,通常用于从表中返回原始数据。我们就从简单的单表访问开始。

单表访问

对于不同的表访问方法,存在以下不同的扫描节点:

  • 顺序扫描(适用于返回大部分数据行)
  • 索引扫描(适用于返回很少数据行)
  • 位图索引扫描(适用于返回较多数据行)

顺序扫描就是全表扫描,它会依次读取整个表中的数据。如果查询条件字段没有索引,一般需要执行顺序扫描,例如:

EXPLAIN 
SELECT *
FROM test
WHERE vd = '2024-01-01'::date;

QUERY PLAN                                             |
-------------------------------------------------------+
Seq Scan on test  (cost=0.00..348.00 rows=59 width=141)|
  Filter: (vd = '2024-01-01'::date)                    |

顺序扫描对应的操作名称为 Seq Scan,通常意味着我们需要基于查询条件字段创建索引,从而通过索引优化查询。

索引扫描意味着遍历索引的 B-树叶子节点,找到所有满足条件的索引项,然后通过索引指针读取表中的数据。例如:

EXPLAIN 
SELECT *
FROM test
WHERE id = 1000;

QUERY PLAN                                                            |
----------------------------------------------------------------------+
Index Scan using test_pkey on test  (cost=0.29..8.30 rows=1 width=141)|
  Index Cond: (id = 1000)                                             |

如果我们需要查询的字段都可以通过索引获取,PostgreSQL 可以使用仅索引扫描(Index-Only Scan)技术优化查询。例如:

CREATE INDEX idx_test_vn ON test(vn,id);

EXPLAIN 
SELECT vn, id
FROM test
WHERE vn = 1000;

QUERY PLAN                                                                  |
----------------------------------------------------------------------------+
Index Only Scan using idx_test_vn on test  (cost=0.29..4.30 rows=1 width=16)|
  Index Cond: (vn = '1000'::numeric)                                        |

索引 idx_test_vn 包含了 vn 字段和 id 字段,查询语句不需要访问表中的数据即可返回查询结果。

提示:PostgreSQL 提供了覆盖索引(Covering Index),可以进一步实现 Index-Only Scan 优化。另外,Index-Only Scan 优化需要满足一个条件:MVCC 可见性,因为索引中并没有存储数据的可见性信息,只有表的元组中存储了该信息。

索引扫描每次找到一个满足条件的索引项时,都会基于元组指针再次访问表中的数据(回表),这是一种随机 IO。如果索引扫描只返回很少的数据行,它是一个很好的访问方法。但是如果扫描索引返回的数据行比较多,大量的随机回表会导致性能下降;一个优化的方法就是把回表的随机 IO 变成顺序 IO,为此 PostgreSQL 引入了位图索引扫描。

位图索引扫描(Bitmap Index Scan)的原理是一次扫描索引获取所有满足条件的元组指针,然后在内存中基于“位图”数据结构进行排序,最后按照元组指针的物理顺序访问表(Bitmap Heap Scan)中的数据。例如:

CREATE INDEX idx_test_vd ON test(vd);

EXPLAIN 
SELECT *
FROM test
WHERE vd = '2024-01-01'::date;

QUERY PLAN                                                               |
-------------------------------------------------------------------------+
Bitmap Heap Scan on test  (cost=4.75..139.99 rows=60 width=141)          |
  Recheck Cond: (vd = '2024-01-01'::date)                                |
  ->  Bitmap Index Scan on idx_test_vd  (cost=0.00..4.74 rows=60 width=0)|
        Index Cond: (vd = '2024-01-01'::date)                            |

该查询语句返回 60 行数据,使用索引扫描的话,还需要 60 次回表。因此,PostgreSQL 选择了位图索引的访问方法。

Recheck Cond 发生在回表阶段,因为如果基于元组构建位图导致位图过大,就会基于数据页(Page)构建位图(有损方式),也就是只记录了哪些数据页包含了所需的数据行,所以在读取数据页之后需要再次检查具体的元组。对于无损方式构建的位图,也会出现 Recheck Cond 节点,但是并不执行检查操作。

位图索引扫描更常见的一种情况是查询条件组合使用了多个索引时,例如:

EXPLAIN 
SELECT *
FROM test
WHERE vn = 1000 OR vd = '2024-01-01'::date;

QUERY PLAN                                                                     |
-------------------------------------------------------------------------------+
Bitmap Heap Scan on test  (cost=9.06..146.25 rows=61 width=141)                |
  Recheck Cond: ((vn = '1000'::numeric) OR (vd = '2024-01-01'::date))          |
  ->  BitmapOr  (cost=9.06..9.06 rows=61 width=0)                              |
        ->  Bitmap Index Scan on idx_test_vn  (cost=0.00..4.29 rows=1 width=0) |
              Index Cond: (vn = '1000'::numeric)                               |
        ->  Bitmap Index Scan on idx_test_vd  (cost=0.00..4.74 rows=60 width=0)|
              Index Cond: (vd = '2024-01-01'::date)                            |

查询首先基于 idx_test_vn 以及 idx_test_vd 进行了位图索引扫描,然后进行了位图合并(BitmapOr),最后基于位图结果进行回表。

位图索引扫描存在一个副作用,就是查询结果不再按照索引顺序返回,无法通过索引优化 ORDER BY。例如:

EXPLAIN
SELECT *
FROM test
WHERE vd BETWEEN '2024-01-01'::date AND '2024-01-31'::date
ORDER BY vd;

QUERY PLAN                                                                           |
-------------------------------------------------------------------------------------+
Sort  (cost=485.23..492.65 rows=2966 width=141)                                      |
  Sort Key: vd                                                                       |
  ->  Bitmap Heap Scan on test  (cost=46.69..314.18 rows=2966 width=141)             |
        Recheck Cond: ((vd >= '2024-01-01'::date) AND (vd   Bitmap Index Scan on idx_test_vd  (cost=0.00..45.94 rows=2966 width=0)   |
              Index Cond: ((vd >= '2024-01-01'::date) AND (vd   Seq Scan on test t1  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)      |
  ->  Materialize  (cost=0.00..373.00 rows=10000 width=141)              |
        ->  Seq Scan on test t2  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|

PostgreSQL 选择了嵌套循环算法实现以上连接查询,其中 Materialize 说明 t2 的扫描结果进行了缓存,极大地减少了磁盘访问次数。

哈希连接使用其中一个表中满足条件的记录创建哈希表,然后扫描另一个表进行匹配。哈希连接的执行过程如下图所示:

以下查询仍然使用 test 进行自连接,但是指定了连接条件:

EXPLAIN
SELECT *
FROM test t1
JOIN test t2 ON t1.vc=t2.vc;

QUERY PLAN                                                               |
-------------------------------------------------------------------------+
Hash Join  (cost=448.00..908.50 rows=10000 width=282)                    |
  Hash Cond: ((t1.vc)::text = (t2.vc)::text)                             |
  ->  Seq Scan on test t1  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)      |
  ->  Hash  (cost=323.00..323.00 rows=10000 width=141)                   |
        ->  Seq Scan on test t2  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|

PostgreSQL 选择了哈希连接算法实现以上连接查询,并且使用 t2 表的数据创建哈希表。

排序合并连接先将两个数据源按照连接字段进行排序(Sort),然后合并两个已经排序的集合,返回满足连接条件的结果。排序合并连接的执行过程如下图所示:

以下查询使用主键 id 字段进行连接,并且按照 t1 的主键进行排序:

EXPLAIN
SELECT *
FROM test t1
JOIN test t2 ON t1.id=t2.id
ORDER BY t1.id;

QUERY PLAN                                                                           |
-------------------------------------------------------------------------------------+
Merge Join  (cost=0.57..1142.57 rows=10000 width=282)                                |
  Merge Cond: (t1.id = t2.id)                                                        |
  ->  Index Scan using test_pkey on test t1  (cost=0.29..496.29 rows=10000 width=141)|
  ->  Index Scan using test_pkey on test t2  (cost=0.29..496.29 rows=10000 width=141)|

PostgreSQL 选择了排序合并连接算法实现以上连接查询,它可以避免额外的排序操作。

集合运算

集合运算符(UNION、INTERSECT、EXCEPT)用于将多个查询语句的结果进行并集、交集、差集运算,它们也会在执行计划中显示单独的节点。例如:

EXPLAIN 
SELECT * 
FROM test t1
UNION ALL
SELECT *
FROM test t2;

QUERY PLAN                                                         |
-------------------------------------------------------------------+
Append  (cost=0.00..746.00 rows=20000 width=141)                   |
  ->  Seq Scan on test t1  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|
  ->  Seq Scan on test t2  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|

其中,Append 节点意味着将两个查询的结果追加合并成一个结果。

以下是一个 INTERSECT 示例:

EXPLAIN
SELECT * 
FROM test t1
INTERSECT   
SELECT *
FROM test t2;

QUERY PLAN                                                                                              |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
SetOp Intersect  (cost=8324.77..8624.77 rows=10000 width=666)                                           |
  ->  Sort  (cost=8324.77..8374.77 rows=20000 width=666)                                                |
        Sort Key: "*SELECT* 1".id, "*SELECT* 1".vc, "*SELECT* 1".vn, "*SELECT* 1".vd, "*SELECT* 1".other|
        ->  Append  (cost=0.00..946.00 rows=20000 width=666)                                            |
              ->  Subquery Scan on "*SELECT* 1"  (cost=0.00..423.00 rows=10000 width=145)               |
                    ->  Seq Scan on test t1  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)                   |
              ->  Subquery Scan on "*SELECT* 2"  (cost=0.00..423.00 rows=10000 width=145)               |
                    ->  Seq Scan on test t2  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)                   |

其中,SetOp Intersect 节点代表了并集运算,它由一个 Append 节点和 Sort 节点组成,因为 INTERSECT 运算符需要去除重复记录。

最后是一个 EXCEPT 示例:

EXPLAIN
SELECT * 
FROM test t1
EXCEPT    
SELECT *
FROM test t2;

QUERY PLAN                                                                                              |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
SetOp Except  (cost=8324.77..8624.77 rows=10000 width=666)                                              |
  ->  Sort  (cost=8324.77..8374.77 rows=20000 width=666)                                                |
        Sort Key: "*SELECT* 1".id, "*SELECT* 1".vc, "*SELECT* 1".vn, "*SELECT* 1".vd, "*SELECT* 1".other|
        ->  Append  (cost=0.00..946.00 rows=20000 width=666)                                            |
              ->  Subquery Scan on "*SELECT* 1"  (cost=0.00..423.00 rows=10000 width=145)               |
                    ->  Seq Scan on test t1  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)                   |
              ->  Subquery Scan on "*SELECT* 2"  (cost=0.00..423.00 rows=10000 width=145)               |
                    ->  Seq Scan on test t2  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)                   |

其中,SetOp Except 节点表示差集运算,同样由一个 Append 节点和 Sort 节点组成。

排序分组

排序(ORDER BY)和分组(GROUP BY)也是查询语句中常见的操作,它们都有专门的节点类型。例如:

EXPLAIN
SELECT *
FROM test 
ORDER BY vd;

QUERY PLAN                                                      |
----------------------------------------------------------------+
Sort  (cost=987.39..1012.39 rows=10000 width=141)               |
  Sort Key: vd                                                  |
  ->  Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141)|

虽然 vd 字段存在索引,但是查询需要返回全部数据,PostgreSQL 还是选择了全表扫描加排序(Sort)的方式。

如果索引能够同时完成数据过滤(WHERE)和排序,执行计划中就不会出现 Sort 节点。例如:

EXPLAIN
SELECT *
FROM test 
WHERE vn = 1000
ORDER BY id;

QUERY PLAN                                                              |
------------------------------------------------------------------------+
Index Scan using idx_test_vn on test  (cost=0.29..8.30 rows=1 width=141)|
  Index Cond: (vn = '1000'::numeric)                                    |

索引 idx_test_vn 包含了 vn 以及 id 字段。

PostgreSQL 实现了两种分组算法:哈希聚合算法以及排序聚合算法。

哈希聚合算法使用一个临时哈希表对数据进行分组聚合,完成数据哈希之后的结果就是分组结果。例如:

EXPLAIN
SELECT vc,count(*)
FROM test 
GROUP BY vc;

QUERY PLAN                                                     |
---------------------------------------------------------------+
HashAggregate  (cost=373.00..473.00 rows=10000 width=28)       |
  Group Key: vc                                                |
  ->  Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=20)|

vc 字段没有索引,PostgreSQL 选择了哈希聚合算法(HashAggregate)。

排序聚合算法首先将数据按照分组字段进行排序,将每个组内的数据都排列到一起,然后进行聚合操作。例如:

EXPLAIN
SELECT vc,count(*)
FROM test 
GROUP BY vc
ORDER BY vc;

QUERY PLAN                                                           |
---------------------------------------------------------------------+
GroupAggregate  (cost=987.39..1162.39 rows=10000 width=28)           |
  Group Key: vc                                                      |
  ->  Sort  (cost=987.39..1012.39 rows=10000 width=20)               |
        Sort Key: vc                                                 |
        ->  Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=20)|

考虑到查询结果还需要进行排序,PostgreSQL 选择了排序聚合算法(Sort + GroupAggregate)。

排序聚合算法还可以基于索引避免排序操作,例如:

EXPLAIN
SELECT vn,count(*)
FROM test 
GROUP BY vn
ORDER BY vn;

QUERY PLAN                                                                              |
----------------------------------------------------------------------------------------+
GroupAggregate  (cost=0.29..504.29 rows=10000 width=20)                                 |
  Group Key: vn                                                                         |
  ->  Index Only Scan using idx_test_vn on test  (cost=0.29..354.29 rows=10000 width=12)|

vn 字段存在索引,因此执行计划中只有 GroupAggregate 节点,而没有 Sort 节点。

限制结果

Top-N 查询和分页查询通常只需要返回有限数量的结果,例如:

EXPLAIN ANALYZE
SELECT *
FROM test 
ORDER BY vn 
FETCH FIRST 5 ROWS ONLY;

QUERY PLAN                                                                                                                     |
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Limit  (cost=0.29..0.91 rows=5 width=141) (actual time=0.013..0.017 rows=5 loops=1)                                            |
  ->  Index Scan using idx_test_vn on test  (cost=0.29..1246.20 rows=10000 width=141) (actual time=0.012..0.015 rows=5 loops=1)|
Planning Time: 0.084 ms                                                                                                        |
Execution Time: 0.030 ms                                                                                                       |

执行计划中的 Limit 节点表示 PostgreSQL 在获取足够数据行之后停止底层操作,索引扫描(Index Scan)不仅避免了排序操作,而且只需要扫描 5 个索引条目(actual time=0.012…0.015 rows=5 loops=1)就可以终止扫描,这种优化技术被称为管道(pipelined)操作。

Limit 操作的性能依赖于底层操作的实现,如果底层执行的是非管道操作,例如:

EXPLAIN ANALYZE 
SELECT *
FROM test 
ORDER BY vc 
FETCH FIRST 5 ROWS ONLY;

QUERY PLAN                                                                                                          |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Limit  (cost=489.10..489.11 rows=5 width=141) (actual time=3.361..3.362 rows=5 loops=1)                             |
  ->  Sort  (cost=489.10..514.10 rows=10000 width=141) (actual time=3.360..3.360 rows=5 loops=1)                    |
        Sort Key: vc                                                                                                |
        Sort Method: top-N heapsort  Memory: 27kB                                                                   |
        ->  Seq Scan on test  (cost=0.00..323.00 rows=10000 width=141) (actual time=0.015..0.529 rows=10000 loops=1)|
Planning Time: 0.124 ms                                                                                             |
Execution Time: 3.384 ms                                                                                            |

vc 字段没有索引,所以需要执行额外的排序(Sort)。排序可能导致明显的性能问题,因为 Limit 节点需要等待所有数据(actual time=0.015…0.529 rows=10000 loops=1)完成排序之后才能返回数据。

访问谓词与过滤谓词

对于 WHERE 子句(谓词),PostgreSQL 提供了三种不同的实现方法:

  • 索引访问谓词
  • 索引过滤谓词
  • 表级过滤谓词

索引访问谓词(Index Access Predicate)指定了索引叶子节点遍历的开始和结束条件。例如:

EXPLAIN ANALYZE
SELECT *
FROM test
WHERE id BETWEEN 100 AND 120;

QUERY PLAN |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Index Scan using test_pkey on test (cost=0.29..8.71 rows=21 width=141) (actual time=0.007..0.011 rows=21 loops=1)|
Index Cond: ((id >= 100) AND (id = '2024-01-01'::date) AND (vd

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