深入理解嵌套循环执行计划

一、概述

这篇文章是数据库性能调优技术的第三篇。上一篇文章讲解了深入了解单表执行计划，单表执行计划是理解多表执行计划的基础。

两张表的连接有三种执行方式：1）嵌套循环连接；2）散列连接；3）归并连接。两张表连接时选择这三种中的哪一种呢？这取决于索引、以及连接的代价。在该系列的第三篇（本文）文章中讲解嵌套循环连接，第四篇文章中讲解散列连接，第五篇文章中讲解归并连接。在第六篇以后会分析IN子查询以及EXISTS子查询。

达梦数据库、oracle数据库、sql
server数据库在数据库执行计划方面并无本质区别，因此上篇文章使用达梦数据库作为实例数据库进行分析，这篇文章我们选择oracle 10g作为实例数据库。

读完本文后，应该能够读懂这三个数据库的嵌套循环连接执行计划。

另外需要申明一点的是：因为oracle的源代码是不公开的，我这里描写的是根据执行计划、成本代价以及10053文件进行反推的结果，尽管这样，从大的方向上讲，不会出现问题，仅做抛砖引玉。

二、深入理解嵌套循环执行计划

Oracle数据库常用的显示执行计划的方式有两种：

1）set autotrace on 命令；

2）explain plan for 命令；

举例说明使用set autotrace命令：

SQL> create table t1(c1 int,c2 int);

Table created.

SQL> create index it1c1 on t1(c1);

Index created.

SQL> insert into t1 values(1,1);

1 row created.

SQL> insert into t1 values(2,2);

1 row created.

SQL> commit;

Commit complete.

SQL> set autotrace on explain;

SQL> select c1 from t1 where c1=1;

C1

----------

1

Execution Plan

----------------------------------------------------------

0 SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=1 Card=1 Bytes=13)

1 0 INDEX (RANGE SCAN) OF 'IT1C1' (INDEX) (Cost=1 Card=1 Bytes

=13)

SQL> set autotrace off;

SQL>

我们可以看到，执行了“set autotrace on explain;”语句之后，接下来的查询、插入、更新、删除语句就会显示执行计划，直到执行“set
autotrace off;”语句。如果是设置了“set autotrace on;”，除了会显示执行计划之外，还会显示一些有用的统计信息。本系列文章不涉及查询代价的评估分析。

我们从上一段代码中，我们发现在显示“select c1 from t1 where c1=1;”执行计划之前显示了该执行语句的查询结果。这说明：显示执行计划之前就真正地将该查询语句执行了一遍。这样会带来一个不好后果，假设我们现在有一条语句，执行的时间需要半个小时，即使我们仅仅需要知道该语句的执行计划，此种情况下，我们必须等待半个小时。因此，如果查询的性能很慢，我们可以选择选择使用explain
plan for命令。

举例说明explain plan for命令：

SQL> explain plan for select c1 from t1 where c1=1;

Explained.

SQL> select * from table(DBMS_XPLAN.display);

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

Plan hash value: 2624316456

--------------------------------------------------------------------------

| Id | Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time |

--------------------------------------------------------------------------

| 0 | SELECT STATEMENT | | 1 | 13 | 1 (0)| 00:00:01 |

|* 1 | INDEX RANGE SCAN| IT1C1 | 1 | 13 | 1 (0)| 00:00:01 |

--------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):

---------------------------------------------------

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

1 - access("C1"=1)

Note

-----

- dynamic sampling used for this statement

17 rows selected.

SQL>

使用“explain plan for 查询语句;”生成执行计划，然后使用“select
* from table(DBMS_XPLAN.display);”语句显示执行计划。

下面的内容，将通过一些例子来理解嵌套理解执行计划：

1.不带索引的嵌套连接的执行计划该如何理解？

构造处测试场景：

create table t1(c1 int,c2 int);

insert into t1 values(1,1);

insert into t1 values(2,2);

create table t2(d1 int,d2 int);

create index it2d1 on t2(d1);

insert into t2 values(1,1);

insert into t2 values(2,2);

insert into t2 values(3,3);

insert into t2 values(4,4);

查询语句为：

select /*+ USE_NL(t2) */ c1,c2 from t1 inner join t2 on c1=d2;

该语句中“/*+ USE_NL(t2) */”是我们常说的hint提示，这里的USE_NL告诉优化程序使用嵌套连接对表进行连接，t2为内部表。此查询语句的执行计划为：

Execution Plan

----------------------------------------------------------

0 SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=4 Card=2 Bytes=78)

1 0 NESTED LOOPS (Cost=4 Card=2 Bytes=78)

2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE) (Cost=2 Card=2 Bytes

=52)

3 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T2' (TABLE) (Cost=1 Card=1 Bytes

=13)

“Execution Plan”显示优化程序用来执行查询的步骤。每一步都被赋予一个ID值（以0开始）。第二个数字显示当前操作符的父结点。在这个执行计划中，“NESTED
LOOPS”的父结点是“SELECT STATEMENT”，“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE)”与“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T2'
(TABLE)”的父结点都是“NESTED LOOPS”。也可能称为，操作符“SELECT STATEMENT”的孩子结点是“NESTED LOOPS”，操作符“NESTED
LOOPS”的第一个孩子结点是“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE)”，操作符“NESTED LOOPS”的第二个孩子结点是“TABLE ACCESS (FULL)
OF 'T2' (TABLE)”。

第二行表示，对表T1进行全表扫描，括号中的三个值是该步骤的成本代价，这里不作阐述。第三行表示，对T2进行全表扫描，这里还隐藏了一个细节：此处进行了c1=d1的判断。参考explain
plan for生成的执行计划：

SQL> explain plan for select /*+ USE_NL(t2) */ c1,c2 from t1 inner join t2 on c

1=d2;

Explained.

SQL> select * from table(DBMS_XPLAN.display);

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

Plan hash value: 4033694122

---------------------------------------------------------------------------

| Id | Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time |

---------------------------------------------------------------------------

| 0 | SELECT STATEMENT | | 2 | 78 | 4 (0)| 00:00:01 |

| 1 | NESTED LOOPS | | 2 | 78 | 4 (0)| 00:00:01 |

| 2 | TABLE ACCESS FULL| T1 | 2 | 52 | 2 (0)| 00:00:01 |

|* 3 | TABLE ACCESS FULL| T2 | 1 | 13 | 1 (0)| 00:00:01 |

---------------------------------------------------------------------------

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):

---------------------------------------------------

3 - filter("C1"="D2")

Note

-----

- dynamic sampling used for this statement

19 rows selected.

SQL>

这里显示的步骤0、1、2、3与前面通过set
autotrace on命令显示的执行计划在意义上是一样的。红颜色表明t2只能扫描到符合过滤条件c1=d1的记录才会将控制权传给父节点“NESTED
LOOPS”。

对于该查询语句的执行，如果用代码可以描述成这样：

for (rec1 is t1’s first record; rec1!=NULL; rec1=rec1->next)

for(rec2 is t2’s first record; rec2!=NULL; rec2=rec->next)

{

if(rec1.c1==rec2.d1)

put result(rec1.c1,rec1.c2) into result set;

}

也就是说，t1与t2先生成笛卡尔集，然后过过滤条件c1=d1过滤该笛卡尔集。

其实，数据库执行该语句的步骤也是类似的，下面是执行该语句的步骤：

1）TAF(T1)(“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1'”的简写)取得T1的第一条记录（1,1）传递给NL（“NESTED
LOOPS”的简写），将控制权传递给操作符NL。

2）操作符NL将控制权传给第二个孩子TAF(T2)（“TABLE
ACCESS (FULL) OF 'T2'”的简写）。

3）TAF(T2)取得T2的第一条记录(1,1)，符合过滤条件c1=d1，将控制权传给操作符NL。

4）NL将记录（1,1）传给SS(“SELECT
STATEMENT”的简写)，将控制权传给SS。

5）SS将记录(1,1)放入结果集合，将控制权限传给NL。

6）NL将控制权限传给TAF(T2)。

7）TAF(T2)取得T2表的下一条记录（2，2），不符合条件c1=d1；取得下一条记录（3,3），不符合条件（4，4）。取得下一条记录，取不到记录。T2表扫描结束。将控制权限传递给NL。

8）NL将控制权限传给第一个孩子TAF(T1)。

9）TAF（T1）取得T1表的下一条记录（2，2）传递给NL,将控制权传给NL。

10） NL将控制权传给第二个孩子TAF(T2)。

11） TAF(T2)取得T2的第一条（1，1），不符合过滤条件c1=d1；取得下一条记录（2，2），满足条件c1=d1，将控制权传给操作符NL。

12） NL将记录（2，2）传给SS，将控制权传给SS。

13） SS将记录（2，2）放入结果集，将控制权传给NL。

14） NL将控制权限传给TAF(T2)。

15） TAF(T2)取得T2的下一条记录（3,3），不符合过滤条件c1=d1；取得下一条记录（4，4），不符合过滤条件c1=d1；取得下一条记录，取不到记录。T2表扫描结束。将控制权限传递给NL。

16） NL将控制权限传给第一个孩子TAF(T1)。

17） TAF(T1)取得T1表的下一条记录，取不到记录，T1表扫描结束。将控制权传给NL，通知NL扫描结束。

18） NL将控制权限传给SS，通知SS操作结束。

19） SS将结果集（包含记录（1，1）、（2，2））发送给客户端。

在上面的例子中，只查询显示t1的列，如果要显示t2的列，情况是一样，只是TAF(T2)需要将符合条件的T2记录传递给NL，然后NL组合成符合条件的(c1,c2,d1,d2)传递给SS。

select /*+ USE_NL(t2) */ c1,c2,d1,d2 from t1 inner join t2 on c1=d2;

对应的执行计划：

Execution Plan

----------------------------------------------------------

0 SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=4 Card=2 Bytes=104

)

1 0 NESTED LOOPS (Cost=4 Card=2 Bytes=104)

2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE) (Cost=2 Card=2 Bytes

=52)

3 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T2' (TABLE) (Cost=1 Card=1 Bytes

=26)

2.使用非唯一索引的嵌套连接的执行计划该如何理解？

测试数据与1中描述的一样。

查询语句：

select /*+ index(t2) */ c1,c2,d1 from t1 inner join t2 on c1=d1;

对应的执行计划：

Execution Plan

----------------------------------------------------------

0 SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=4 Card=2 Bytes=78)

1 0 NESTED LOOPS (Cost=4 Card=2 Bytes=78)

2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE) (Cost=2 Card=2 Bytes

=52)

3 1 INDEX (RANGE SCAN) OF 'IT2D1' (INDEX) (Cost=1 Card=1 Byt

es=13)

使用explain plan对应的执行计划：

SQL> select * from table(dbms_xplan.display);

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

Plan hash value: 2841753667

----------------------------------------------------------------------------

| Id | Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time |

----------------------------------------------------------------------------

| 0 | SELECT STATEMENT | | 2 | 78 | 4 (0)| 00:00:01 |

| 1 | NESTED LOOPS | | 2 | 78 | 4 (0)| 00:00:01 |

| 2 | TABLE ACCESS FULL| T1 | 2 | 52 | 2 (0)| 00:00:01 |

|* 3 | INDEX RANGE SCAN | IT2D1 | 1 | 13 | 1 (0)| 00:00:01 |

----------------------------------------------------------------------------

PLAN_TABLE_OUTPUT

--------------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):

---------------------------------------------------

3 - access("C1"="D1") //此处的access表示使用值3去命中索引IT2D1对应的B树。

Note

-----

- dynamic sampling used for this statement

19 rows selected.

SQL>

对于该查询语句的执行，如果用代码可以描述成这样：

for (rec1 is t1’s first record; rec1!=NULL; rec1=rec1->next)

for(rec2 in t2’s first record that match c1=d1; d1=c1; rec2=rec->next)

{

put result(rec1.c1,rec1.c2，rec2.d1) into result set;

}

据库执行该执行语句的步骤也是类似的，下面是执行该执行语句的步骤：

1) TAF(T1)(“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1'”的简写)取得表T1的第一条记录(1,1)传递给NL（“NESTED
LOOPS”的简写），将控制权传递给NL。

2) 操作符NL将控制权传递给第二个孩子IRS(IT2D1)(“INDEX
(RANGE SCAN) OF 'IT2D1'”的简写)。

3) IRS(IT2D1)使用键值(1)去命中索引IT2D1对应的B树，得到索引记录(1,rowid1)。将d1对应的数据(1)传递给NL，将控制权传递给NL。注意，在本例中，将d1的数据上传是因为select中出现了d1，也就是说要将d1的值传给客户端，如果select中没有d1，此处就和上例中是一样的，不需要传递d1给上层。

4) 操作NL组合生成记录(1,1,1)（对应select项(c1,c2,d1)）传给SS，将控制权传给SS。

5) 操作符SS将记录(1,1,1)放入结果集，将控制权传给NL。

6) NL将控制权传给IRS(IT2D1)。此处传给IRS(IT2D1)的原因是，it2d1是非唯一索引，可能有两条以上的记录符合d1=1。

7) IRS(IT2D1)取得下一条记录(2,rowid2)，因为2!=1，所以对应d1=1的索引查找已经结束，通知NL,将控制权限传递给NL。

8) NL控制权传给TAF(T1)。

9) TAF(T1)取得下一条记录(2,2)传递给NL，将控制权传给NL。

10) NL将控制权传给IRS(IT2D1)。

11) IRS(IT2D1)使用键值(2)去命中索引IT2D1对应的B树，得到索引记录(2,rowid2)。将d1对应的数据(2)传递给NL，将控制权传递给NL。

12) 操作NL组合生成记录(2,2,2)传给SS，将控制权传给SS。

13) 操作符SS将记录(2,2,2)放入结果集，将控制权传给NL。

14) NL将控制权传给IRS(IT2D1)。

15) IRS(IT2D1)取得下一条记录(3,rowid3)，因为3!=2，所以对应d1=2的索引查找已经结束，通知NL查找结束,将控制权限传递给NL。

16) NL控制权传给TAF(T1)。

17) TAF(T1)取得下一条记录，发现已经扫描结束，通知NL扫描结束，将控制权传给NL。

18) NL通知SS扫描结束，将控制权传给SS。

19) SS将结果集（包含记录（1，1，1）、（2，2，2））发送给客户端。

3.使用唯一索引的嵌套连接的执行计划该如何理解？

测试数据与1中描述的一样。删除原来的非唯一索引，建立唯一索引：

drop index it2d1;

create unique index iut2d1 on t2(d1);

查询语句：

select /*+ index(t2) */ c1,c2,d1 from t1 inner join t2 on c1=d1;

对应的执行计划：

Execution Plan

----------------------------------------------------------

0 SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=2 Card=2 Bytes=78)

1 0 NESTED LOOPS (Cost=2 Card=2 Bytes=78)

2 1 TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE) (Cost=2 Card=2 Bytes

=52)

3 1 INDEX (UNIQUE SCAN) OF 'IUT2D1' (INDEX (UNIQUE)) (Cost=0

Card=1 Bytes=13)

该执行计划与2中描述的执行过程类似：

1) TAF(T1)(“TABLE ACCESS (FULL) OF 'T1'”的简写)取得表T1的第一条记录(1,1)传递给NL（“NESTED
LOOPS”的简写），将控制权传递给NL。

2) 操作符NL将控制权传递给第二个孩子IUS(IUT2D1)(“INDEX
(UNIQUE SCAN) OF 'IUT2D1''”的简写)。

3) IUS(IUT2D1)使用键值(1)去命中索引IUT2D1对应的B树，得到索引记录(1,rowid1)。将d1对应的数据(1)传递给NL，将控制权传递给NL。

4) 操作NL组合生成记录(1,1,1)（对应select项(c1,c2,d1)）传给SS，将控制权传给SS。

5) 操作符SS将记录(1,1,1)放入结果集，将控制权传给NL。

6) NL控制权传给TAF(T1)。因为iut2d1是唯一索引，所以只可能有一条记录满足d1=1，所以此时不需要将控制权限再传给IUS(IUT2D1)。

7) TAF(T1)取得下一条记录(2,2)传递给NL，将控制权传给NL。

8) NL将控制权传给IRS(IUT2D1)。

9) IUS(IUT2D1)使用键值(2)去命中索引IUT2D1对应的B树，得到索引记录(2,rowid2)。将d1对应的数据(2)传递给NL，将控制权传递给NL。

10) 操作NL组合生成记录(2,2,2)传给SS，将控制权传给SS。

11) 操作符SS将记录(2,2,2)放入结果集，将控制权传给NL。

12) NL控制权传给TAF(T1)。

13) TAF(T1)取得下一条记录，发现已经扫描结束，通知NL扫描结束，将控制权传给NL。

14) NL通知SS扫描结束，将控制权传给SS。

15) SS将结果集（包含记录（1，1，1）、（2，2，2））发送给客户端。