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AnIntroductiontoDatabaseSystem中国人民大学信息学院计算机系数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystem第四章关系系统及其查询优化AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem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。由于关系模型中并非每一部分都是同等重要的并不苛求一个实际的关系系统必须完全支持关系模型。AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem4.1.2关系系统的分类分类依据：支持关系模型的程度分类⒈表式系统：支持关系数据结构(即表)⒉(最小)关系系统支持：关系数据结构选择、投影、连接关系操作⒊关系完备的系统支持：关系数据结构所有的关系代数操作⒋全关系系统支持：关系模型的所有特征特别是:数据结构中域的概念AnIntroductiontoDatabaseSystem关系系统的分类（续）数据结构数据操作完整性表式系统表(最小)关系系统表选择、投影、连接关系完备的系统表全关系系统AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem4.2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关系代数等价变换规则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AnIntroductiontoDatabaseSystem4.2.1查询优化概述查询优化的必要性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的级别很高，使DBMS可以从关系表达式中分析查询语义。AnIntroductiontoDatabaseSystem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(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AnIntroductiontoDatabaseSystem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。在非关系系统中必须重写程序，而重写程序在实际应用中往往是不太可能的。(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AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem实际系统的查询优化步骤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.生成查询计划(查询执行方案)查询计划是由一系列内部操作组成的。AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem4.2.2查询优化的必要性例：求选修了课程Ｃ2的学生姓名SELECTStudent.SnameFROMStudent,SCWHEREStudent.Sno=SC.SnoANDSC.Cno='2';AnIntroductiontoDatabaseSystem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AnIntroductiontoDatabaseSystem执行策略1Ｑ1＝ПＳname(бStudent.Sno=SC.Sno∧SC.Cno='2'(Student×SC))①Student×SC读取总块数=读Student表块数+读SC表遍数*每遍块数=1000/10+(1000/(10×5))×(10000/100)=100+20×100=2100读数据时间=2100/20=105秒AnIntroductiontoDatabaseSystem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②б读数据时间=50000秒③П总时间=105＋50000＋50000秒=100105秒=27.8小时AnIntroductiontoDatabaseSystem查询优化的必要性（续）2.Ｑ2＝ПＳname(бSC.Cno='2'(StudentSC))①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②б读数据时间=50秒③П总时间＝105＋50＋50秒＝205秒=3.4分AnIntroductiontoDatabaseSystem查询优化的必要性（续）3.Ｑ2＝ПSname(StudentбSC.Cno='2'(SC))①б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②读Student表总块数=1000/10=100块读数据时间=100/20=5秒③П总时间＝5＋5秒＝10秒AnIntroductiontoDatabaseSystem查询优化的必要性（续）4.Ｑ2＝ПＳname(StudentбSC.Cno='2'(SC))假设SC表在Cno上有索引，Student表在Sno上有索引①б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AnIntroductiontoDatabaseSystem查询优化的必要性（续）②读Student表索引=读Student表总块数=50/10=5块读数据时间③П总时间10秒AnIntroductiontoDatabaseSystem4.2.3查询优化的一般准则选择运算应尽可能先做目的：减小中间关系在执行连接操作前对关系适当进行预处理按连接属性排序在连接属性上建立索引投影运算和选择运算同时做目的：避免重复扫描关系将投影运算与其前面或后面的双目运算结合目的：减少扫描关系的遍数AnIntroductiontoDatabaseSystem查询优化的一般准则（续）某些选择运算＋在其前面执行的笛卡尔积===连接运算例：бStudent.Sno=SC.Sno(Student×SC)StudentSC提取公共子表达式AnIntroductiontoDatabaseSystem4.2.4关系代数等价变换规则关系代数表达式等价指用相同的关系代替两个表达式中相应的关系所得到的结果是相同的上面的优化策略大部分都涉及到代数表达式的变换AnIntroductiontoDatabaseSystem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≡E2×E1E1E2≡E2E1E1FE2≡E2FE1AnIntroductiontoDatabaseSystem关系代数等价变换规则（续）2.连接、笛卡尔积的结合律(E1×E2)×E3≡E1×(E2×E3)(E1E2)E3≡E1(E2E3)(E1E2)E3≡E1(E2E3)FFFFAnIntroductiontoDatabaseSystem关系代数等价变换规则（续）3.投影的串接定律πA1,A2,,An(πB1,B2,,Bm(E))≡πA1,A2,,An(E)假设：1)E是关系代数表达式2)Ai(i=1，2，…，n),Bj(j=l，2，…，m)是属性名3){A1,A2,…,An}构成{Bl，B2，…，Bm}的子集AnIntroductiontoDatabaseSystem关系代数等价变换规则（续）4.选择的串接定律бF1（бF2（E））≡бF1∧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。AnIntroductiontoDatabaseSystem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只涉及属性A1，…，AnбF(πA1,A2,,An(E))≡πA1,A2,,An(бF(E))(2)假设:F中有不属于A1,…,An的属性B1,…,BmπA1,A2,,An(бF(E))≡πA1,A2,,An(бF(πA1,A2,,An,B1,B2,,Bm(E)))AnIntroductiontoDatabaseSystem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бF(E1×E2)≡бF(E1)×E2(2)假设：F=F1∧F2，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：бF(E1×E2)≡бF1(E1)×бF2(E2)AnIntroductiontoDatabaseSystem关系代数等价变换规则（续）(3)假设：F=F1∧F2，F1只涉及E1中的属性，F2涉及E1和E2两者的属性бF(E1×E2)≡бF2(бF1(E1)×E2)它使部分选择在笛卡尔积前先做AnIntroductiontoDatabaseSystem关系代数等价变换规则（续）7.选择与并的交换假设：E=E1∪E2，E1，E2有相同的属性名бF(E1∪E2)≡бF(E1)∪бF(E2)8.选择与差运算的交换假设：E1与E2有相同的属性名бF(E1-E2)≡бF(E1)-бF(E2)AnIntroductiontoDatabaseSystem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，A1，…，An是E1的属性，B1，…，Bm是E2的属性πA1,A2,…,An,B1,B2,…,Bm（E1×E2)≡πA1,A2,…,An（E1)×πB1,B2,…,Bm(E2)AnIntroductiontoDatabaseSystem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πA1,