CBO（基于代價的優(yōu)化器，Cost-Based Optimizer）是現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最廣泛使用的查詢優(yōu)化器之一。它通過計(jì)算執(zhí)行查詢時可能消耗的資源（如CPU、內(nèi)存、I/O）來選擇最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃，以提高查詢性能。

1. CBO 的工作原理

CBO 主要基于以下三個步驟來生成最優(yōu)查詢執(zhí)行計(jì)劃：

1. 生成多個執(zhí)行計(jì)劃：
   對給定的SQL查詢，CBO會生成多個可能的執(zhí)行計(jì)劃。例如，針對一條包含多個表連接的查詢，CBO會考慮不同的連接順序、連接算法（嵌套循環(huán)、哈希連接等）以及是否使用索引。

2. 估算代價：
   對于每一個執(zhí)行計(jì)劃，CBO都會根據(jù)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)信息（如表的大小、數(shù)據(jù)分布、索引情況等）計(jì)算執(zhí)行計(jì)劃的代價。代價通常包括以下幾個方面：

   • I/O代價：指在查詢執(zhí)行過程中讀取數(shù)據(jù)塊所需的磁盤操作開銷。
   • CPU代價：指執(zhí)行各種操作（如過濾、排序、連接等）所需的計(jì)算開銷。
   • 內(nèi)存代價：指查詢執(zhí)行時消耗的內(nèi)存資源開銷。

3. 選擇最優(yōu)執(zhí)行計(jì)劃：
   CBO 選擇代價最小的執(zhí)行計(jì)劃，并將其作為最終的查詢執(zhí)行計(jì)劃。

2. CBO 的關(guān)鍵組件

CBO 的主要工作依賴于三個核心組件：

• 查詢重寫（Query Rewrite）：

  • 查詢重寫是CBO在生成執(zhí)行計(jì)劃前對SQL查詢進(jìn)行優(yōu)化的一個過程。它通過將SQL語句轉(zhuǎn)換為更高效的等價語句來減少計(jì)算量。例如，將OR操作符轉(zhuǎn)換為UNION或合并多個子查詢。

• 執(zhí)行計(jì)劃生成（Plan Generation）：

  • CBO 生成一系列的候選執(zhí)行計(jì)劃。每個執(zhí)行計(jì)劃是通過分析不同的表掃描方法、連接策略、索引使用等因素而生成的。例如：
    • 表掃描可以是全表掃描或索引掃描。
    • 連接可以是嵌套循環(huán)、哈希連接或合并連接。

• 代價估算（Cost Estimation）：

  • 代價估算是 CBO 的核心。它基于系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息來預(yù)測執(zhí)行查詢所需的資源。代價估算包括：
    • 表的行數(shù)：決定全表掃描或索引掃描的成本。
    • 數(shù)據(jù)分布：幫助決定是否需要排序或聚合操作。
    • 索引選擇：決定是否通過索引查找減少I/O代價。

3. CBO 依賴的統(tǒng)計(jì)信息

CBO的性能和準(zhǔn)確性依賴于數(shù)據(jù)庫中的統(tǒng)計(jì)信息。統(tǒng)計(jì)信息主要包括：

• 表和列的統(tǒng)計(jì)信息：

  • 表的行數(shù)：指表中行的總數(shù)，影響全表掃描和連接操作的代價。
  • 列的基數(shù)（Cardinality）：指列中不同值的數(shù)量，影響查詢過濾條件的選擇。
  • 直方圖：反映數(shù)據(jù)分布情況，幫助CBO評估某些值的選擇性。

• 索引的統(tǒng)計(jì)信息：

  • 索引的基數(shù)：索引覆蓋的值的唯一性，影響索引掃描的代價。
  • 索引的選擇性：影響索引掃描是否比全表掃描更具優(yōu)勢。

• 系統(tǒng)的硬件資源：

  • 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還會考慮硬件資源的統(tǒng)計(jì)信息，例如磁盤的I/O速率、內(nèi)存的大小、CPU速度等。這些信息會影響代價估算的準(zhǔn)確性。

4. CBO 中的查詢優(yōu)化策略

CBO 在評估查詢時，會采用多種優(yōu)化策略：

• 選擇合適的掃描方式：

  • 對于小表，可能會選擇全表掃描。
  • 對于大表，使用索引掃描來減少讀取的行數(shù)。

• 連接順序優(yōu)化：

  • CBO 會根據(jù)表大小和索引情況，選擇最優(yōu)的表連接順序。例如，選擇先連接小表，再連接大表，能夠減少數(shù)據(jù)處理量。

• 選擇連接算法：

  • CBO 會根據(jù)表的大小和內(nèi)存資源，選擇不同的連接算法，如嵌套循環(huán)連接（Nested Loop Join）、哈希連接（Hash Join）、排序-合并連接（Sort-Merge Join）等。

• 并行執(zhí)行優(yōu)化：

  • CBO 能夠識別出哪些查詢適合并行執(zhí)行，并對查詢進(jìn)行并行化處理，從而提高查詢性能。

5. CBO 的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

• 高效執(zhí)行計(jì)劃：CBO 可以為復(fù)雜的查詢生成最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃，尤其適合復(fù)雜的多表連接查詢、嵌套子查詢等場景。
• 靈活性強(qiáng)：通過結(jié)合統(tǒng)計(jì)信息，CBO 可以根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況靈活調(diào)整執(zhí)行計(jì)劃，適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)規(guī)模和查詢類型。
• 支持并行化：CBO 具備并行優(yōu)化的能力，能夠有效利用多核CPU和大規(guī)模分布式系統(tǒng)資源。

缺點(diǎn)：

• 依賴統(tǒng)計(jì)信息：CBO 的性能高度依賴于準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)信息。如果統(tǒng)計(jì)信息過時或不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致選擇不當(dāng)?shù)膱?zhí)行計(jì)劃，反而影響查詢性能。
• 計(jì)算開銷：生成和評估多個執(zhí)行計(jì)劃可能會帶來一定的計(jì)算開銷，尤其在數(shù)據(jù)量巨大或查詢非常復(fù)雜時，優(yōu)化器的執(zhí)行本身可能需要較多的時間。

6. CBO 的應(yīng)用場景

• 復(fù)雜的多表連接查詢：CBO 能夠?yàn)閺?fù)雜的多表連接查詢選擇最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃，有效降低連接操作的代價。
• 需要大量過濾或聚合的查詢：CBO 能夠識別出使用索引、過濾和聚合操作的最佳執(zhí)行方式，減少數(shù)據(jù)掃描量。
• 大規(guī)模數(shù)據(jù)查詢：在OLAP場景中，CBO 可以通過選擇并行執(zhí)行計(jì)劃，顯著提升查詢的執(zhí)行效率。

7. CBO 優(yōu)化器的常見實(shí)現(xiàn)

• Oracle：Oracle的CBO是最早的、也是最成熟的CBO實(shí)現(xiàn)之一，廣泛應(yīng)用于大中型企業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。Oracle CBO支持復(fù)雜的查詢優(yōu)化，包括并行執(zhí)行、物化視圖、子查詢等。

• PostgreSQL：PostgreSQL的查詢優(yōu)化器也是基于CBO的，它結(jié)合了表、索引的統(tǒng)計(jì)信息，生成最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃，并支持?jǐn)U展和自定義優(yōu)化規(guī)則。

• MySQL（InnoDB引擎）：MySQL的InnoDB存儲引擎使用CBO進(jìn)行查詢優(yōu)化，雖然功能上不如Oracle復(fù)雜，但在常規(guī)查詢場景下也能提供足夠高效的執(zhí)行計(jì)劃。

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總結(jié)

CBO 是現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化的核心，通過基于代價的分析，它可以為不同查詢生成最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃，從而顯著提高數(shù)據(jù)庫查詢的效率。CBO 的效率和精度依賴于數(shù)據(jù)庫中的統(tǒng)計(jì)信息，因此定期更新統(tǒng)計(jì)信息是保證CBO性能的關(guān)鍵。

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產(chǎn)品簡介

• 梧桐數(shù)據(jù)庫（WuTongDB）是基于 Apache HAWQ 打造的一款分布式 OLAP 數(shù)據(jù)庫。產(chǎn)品通過存算分離架構(gòu)提供高可用、高可靠、高擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)了向量化計(jì)算引擎提供極速數(shù)據(jù)分析能力，通過多異構(gòu)存儲關(guān)聯(lián)查詢實(shí)現(xiàn)湖倉融合能力，可以幫助企業(yè)用戶輕松構(gòu)建核心數(shù)倉和湖倉一體數(shù)據(jù)平臺。
• 2023年6月，梧桐數(shù)據(jù)庫（WuTongDB）產(chǎn)品通過信通院可信數(shù)據(jù)庫分布式分析型數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)能力測評，在基礎(chǔ)能力、運(yùn)維能力、兼容性、安全性、高可用、高擴(kuò)展方面獲得認(rèn)可。

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