摘要:一起看一下GaussDB(for MySQL)是如何对执行计划进行缓存并加速Prepared Statement性能的。

本文分享自华为云社区《执行计划缓存,Prepared Statement性能跃升的秘密》,作者: GaussDB 数据库

引言

数据库系统中,SQL(Structured Query Language)语句输入到系统后,一般要经历:词法语法解析(parse)、重写(resolve)、优化(optimize)、执行(execute)的过程。词法语法分析,重写和优化,这三个阶段会生成SQL语句的执行计划 (plan)。当SQL语句存在多种执行计划的时候,优化器会从这许多的执行计划中挑选出一个它认为最优的(通常是占用系统资源最少的,包括CPU以及IO等)作为最终的执行计划供执行器执行。生成执行计划的过程会消耗较多的时间,特别是存在许多可选的执行计划时。

图1:SQL语句执行

Prepared Statement是将SQL语句中的值用占位符替代,可以视为将SQL语句模板化或者说参数化。当执行PREPARE语句时,传统MySQL将对指定的语句进行词法语法解析和重写,如上图①②。该阶段称为预编译阶段。Prepared Statement的优势在于一次编译、多次运行,省去了预编译阶段需要的时间。随后发出EXECUTE命令时,MySQL将对编译阶段生成的结构执行优化,即上图的③,生成对应的执行计划并执行,把输出结果返回到客户端。例如:

PREPARE stmt FROM ‘SELECT * FROM t WHERE t.a = ?’;
SET @var = 2;
EXECUTE stmt USING @var;

传统MySQL的Prepared Statement只会节省SQL语句的解析及重写过程需要的时间,但是对于一条SQL语句,如文章开头所述,优化SQL语句并生成执行计划需要耗费大量的资源以及时间。如果能将该Prepared Statement语句对应的最终执行计划进行缓存,当执行EXECUTE语句的时候,就可以直接使用已缓存的执行计划,从而就可以跳过SQL语句生成执行计划的整个过程,进而可以提高语句的执行性能。为此,GaussDB(for MySQL) 提供了Prepared Statement执行计划缓存特性。

接下来一起看一下GaussDB(for MySQL)是如何对执行计划进行缓存并加速Prepared Statement性能的。

执行计划缓存工作原理

GaussDB(for MySQL)对Prepared Statement执行计划进行缓存的基本原理和流程如下图所示:

  • 响应EXECUTE,执行查询。
  • 通过is_plan_cached过程来查看当前Query的执行计划是否已经被缓存。
  • 如果已经被缓存,优化器将对当前的Query缓存的执行计划进行初始化,根据执行计划的上下文还原执行计划,然后利用还原的执行计划继续执行。
  • 如果没有被缓存,在执行完Query优化生成执行计划之后,通过is_query_cachable过程验证当前执行计划是否可以被缓存。
  • 如果满足缓存条件,执行计划将会被缓存(调用cache_JOIN_plan),以便以后的EXECUTE语句可以利用该缓存的计划进行执行。
  • 如果不能缓存,通过传统的MySQL执行流程(优化,生成执行计划然后执行)执行EXECUTE语句。

执行计划缓存管理

  • 执行计划缓存功能开关

GaussDB(for MySQL)引入了一个新的系统参数rds_plan_cache来开关Prepared Statement执行计划缓存功能。

rds_plan_cache:该参数可以设置为ON/OFF。分别代表开启和关闭执行计划缓存。该参数是Session/Global级别的参数。

  • 查看执行计划缓存情况

GaussDB(for MySQL)提供了两个状态变量供用户查看或者验证Prepared Statement执行计划是否被缓存,以及在执行时是否命中了缓存的执行计划。

  • cached_plan_count:显示有多少个Prepared Statement缓存了执行计划。这是一个Global级别的状态变量。
  • cached_plan_hits:显示EXECUTE执行过程中命中了缓存的执行计划的次数。这是一个Session/Global状态。

下面举例来看一下Prepared Statement是如何利用了执行计划缓存特性的:

SET @a = 'two';
SET @b = 3;
PREPARE stmt FROM "SELECT * FROM t1 WHERE b = ? AND c = ?";
EXECUTE stmt USING @a,@b;

执行结果如下:

a b c
6 two 3

再次执行Prepared Statement:

EXECUTE stmt USING @a,@b;
a b c
6 two 3

第三次执行Prepared Statement:

execute stmt using @a,@b;
a b c
6 two 3

通过cached_plan_count和cached_plan_hits查看stmt执行计划是否被缓存,以及在执行时是否命中了缓存的执行计划。

SHOW SESSION STATUS LIKE "cached_plan%";

显示结果如下:

Variable_name Value
Cached_plan_count 1
Cached_plan_hits 2

从显示结果可以看出,第一次执行EXECUTE语句的时候,Prepared Statement对执行计划进行了缓存,即可以看到Cached_plan_count为1; 之后执行两次EXECUTE语句,都命中了执行计划缓存,所以可以看到Cached_plan_hits变成了2。

缓存的执行计划如何失效

为了保持当前缓存的执行计划是尽可能最优的,GaussDB(for MySQL)定义了如下规则来对当前缓存的计划进行失效,并重新生成执行计划:

  • 执行计划相关表的记录数更改超过总记录数的20%。
    这意味着当前表的记录数如果插入/删除超过20%的记录,当前缓存计划将失效并在优化后重新缓存。注:记录数是根据统计数据估计的。所以最好先对表进行Analyze。
  • 表定义进行了更改。
    例如,执行计划相关表上进行的DDL将导致缓存计划无效,并在优化后重新缓存。
  • 如果系统变量Optimizer_switch中影响执行计划生成的选项值进行了更改,则缓存的计划将失效,并在优化后重新缓存。
  • 系统字符集发生变化,与缓存的计划不同时,将导致缓存计划失效,并在优化后重新缓存。

执行计划缓存功能当前的一些限制

GaussDB(for MySQL)的Prepared Statement的目的是节约查询的优化时间。对于通过并行查询优化的大查询,也就是数据量相对庞大的查询,这些查询大部分的执行时间是集中在执行计划的执行阶段。对于该类型的查询,优化时间相比执行时间而言可以忽略不计,所以GaussDB(for MySQL)没有对并行查询计划进行缓存。另外,GaussDB(for MySQL)对于Prepared statement 缓存执行计划的能力还在逐步增强中,比如当前只支持单表的SELECT查询语句,暂时还不支持UNION操作。

执行计划缓存性能测试结果

对于使用执行计划缓存和不使用执行计划缓存的场景,基于Sysbench测试集进行了性能测试对比,从测试结果可以看出,在启用执行计划缓存后,各类业务性能均有提升。注意:这些测试只代表相对数字,并不代表实际性能。

测试环境配置如下:

数据集 : 8 个表,每个表1000万行
测试服务器:Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2690 v4 @ 2.60GHz 2 physical cores 56 processors 460G memory

总结

GaussDB(for MySQL)通过缓存执行计划,可以提升Prepared Statement的性能。特别是针对Range Scan的测试集,性能提升可达2倍左右。未来我们会支持越来越多的查询场景,性能加速值得期待。

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