数据库性能调优技术 --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）setautotrace on  命令；
2）explain planfor  命令；
 
举例说明使用 setautotrace 命令：
SQL>create table t1(c1 int,c2 int);
Tablecreated.
SQL>create index it1c1 on t1(c1);
Indexcreated.
SQL>insert into t1 values(1,1);
1row created.
SQL>insert into t1 values(2,2);
1row created.
SQL>commit;
Commit complete.
SQL>set autotrace on explain;
SQL>select c1 from t1 where c1=1;
C1
----------
                  1
 
 
ExecutionPlan
----------------------------------------------------------
 0     SELECT STATEMENT Optimizer=ALL_ROWS (Cost=1 Card=1 Bytes=13)
 1      0INDEX (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“setautotrace 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“setautotrace off;”语句。如果是设置了“setautotrace 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“selectc1 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
--------------------------------------------------------------------------------
Planhash value: 2624316456
--------------------------------------------------------------------------
Id        Operation        Name Rows  Bytes  Cost (%CPU) Time
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0    SELECT STATEMENT           1    13      1 (0)     00:00:01   
*1   INDEX RANGESCAN  T1C1    1    13      1 (0)     00:00:01
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
PredicateInformation (identified by operation id):
-------------------------------------------------------------
PLAN_TABLE_OUTPUT
--------------------------------------------------------------------------------
1- access("C1"=1)
Note
-----
-dynamic sampling used for this statement
17rows selected.
SQL>
使用“explainplan 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：
createtable t1(c1 int,c2 int);
insertinto t1 values(1,1);
insert intot1 values(2,2);
createtable t2(d1 int,d2 int);
createindex it2d1 on t2(d1);
insertinto t2 values(1,1);
insertinto t2 values(2,2);
insertinto t2 values(3,3);
insertinto 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：
ExecutionPlan
----------------------------------------------------------
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)

“ExecutionPlan”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：“NESTEDLOOPS”的父结点是“SELECT STATEMENT”，“TABLEACCESS (FULL) OF 'T1' (TABLE)”与“TABLEACCESS (FULL) OF 'T2' (TABLE)”的父结点都是“NESTEDLOOPS”。也可能称为，操作符“SELECT STATEMENT”的孩子结点是“NESTEDLOOPS”，操作符“NESTED LOOPS”的第一个孩子结点是“TABLEACCESS (FULL)OF 'T1' (TABLE)”，操作符“NESTEDLOOPS”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 c1=d2;
Explained.
SQL>select * from table(DBMS_XPLAN.display);
PLAN_TABLE_OUTPUT
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Planhash value: 4033694122
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Id         Operation        Name  Rows   Bytes  Cost (%CPU)   Time  
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 0   SELECT STATEMENT           2      78       4 (0)       00:00:01

  1    NESTEDLOOPS               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
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
PredicateInformation (identified by operation id):
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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setautotrace 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“NESTEDLOOPS”。
　　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
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explainplan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(“NESTEDLOOPS”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(“NESTEDLOOPS”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。