offset 新探索：双管齐下，加速大数据量查询

2022-10-27
中国香港
本文字数：5358 字
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本文分享自华为云社区《offset新探索：双管齐下，加速大数据量查询》，作者： GaussDB 数据库。

众所周知，在各类业务中时常会用到 LIMIT y offset x 来做跳过 x 条数据读取 Y 条数据的操作。例如：SELECT * FROM ... LIMIT 1000 OFFSET 1000000; 表示从第 1000001 条数据开始查，读取 1000 条数据。随着 offset 的增加，查询的时长也会越来越长。当 offset 达到百万级别的时候查询时长通常是业务所不能容忍的。

那么如何来提升 offset 在大数据量查询时的性能、缩短执行时间呢？我们的答案是：

offset Pushdown( offset 下推，下文简称 OP)
Redundant Condition Removal (冗余条件删除，下文简称 RCR)

这是华为云 GaussDB for MySQL 推出的两个新特性，通过 OP 和 RCR 的结合，将大数据量查询的性能提升一到两个数量级。

下面我们分别介绍这两个特性的基本原理、如何启用、执行验证、以及通过严密测试来验证其带来的性能提升。

Offset Pushdown -- OP

OP 赋予 MySQL 存储引擎 InnoDB 处理 offset 的能力。当 OP 启用时，在 SQL 层评估 offset 是否可以下推并将下推信息传递给存储引擎。SQL 层不再对存储引擎返回的行进行 offset 处理，取而代之的是存储引擎层直接跳过 offset 范围内的行，仅返回后续行，即查询所需要的行。

通过启用 OP，offset 范围内的行不会再传输到 SQL 层，从而节省了存储引擎和 SQL 层之间多次来回交互时间；其次，对非覆盖索引扫描（non-covering index，即查询访问二级索引之后还必须访问基表），直接跳过 offset 范围内的行可以节省对这些行回表访问的开销。这种对 offset 的提前处理可以节省数据处理时间，特别是当 offset 非常大时。OP 的适用性取决于 WHERE 子句是否可以由存储引擎整体处理。

下方图 1 和图 2 分别说明了在没有 OP 和启用 OP 时 LIMIT offset 的处理逻辑。

图 1 无 OP 的极限偏移逻辑图 2 启用 OP 的 LIMIT offset 逻辑

Redundant Condition Removal – RCR

RCR 的思路也比较简单：当进行索引范围扫描时，SQL 层对存储引擎返回的行执行冗余检查，因为它不知道存储引擎已经执行了这些检查，而 RCR 就是让 SQL 层了解这点。为了使 OP 成为可能，除了要求 WHERE 条件能够被存储引擎独立且完整的评估，SQL 层还必须了解这点从而避免冗余检查。

OP 功能的实现方式与索引条件下推 (Index Condition Pushdown，ICP) 类似。对于某些查询，ICP 通过将整个 WHERE 子句下推到存储引擎来启用 OP。而 RCR 在 ICP 执行之前会评估条件是否冗余，并且移除冗余条件，确保了 ICP 不会处理冗余的条件检查。RCR 很好地补充了 OP 特性的适用范围，允许更多查询使用 OP。

请注意：OP 的启用需要满足三个主要条件：

1.SQL 语句包含 offset

2.WHERE 子句完全由 InnoDB 处理

3.SQL 语句只涉及一张表

另外：

查询中使用的表必须是 InnoDB 表
不使用 HAVING, aggregations, GROUP BY, SELECT DISTINCT, ROLLUP, Window functions 以及文件排序
不支持涉及多个分区的分区表查询

RCR 适用于索引范围扫描，如果 WHERE 子句中出现了一个或者多个条件，而这些条件涉及到的字段在对应使用的索引上是被连续定义的，这些条件的冗余检查就都会被移除。

如何启用 OP？

方法一：使用特定的 optimizer switch:offset _PUSHDOWN

set optimizer_switch='OFFSET_PUSHDOWN=[on]/[off]';

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默认为 on。

方法二：使用特定的优化器 hint：[NO]_OFFSET_PUSHDOWN[TC1] ()

SELECT /*+ [NO]_OFFSET_PUSHDOWN() */ FROM TABLE LIMIT n OFFSET p;

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请注意，hint 优先级高于 optimizer switch 的设置。

我们基于下方创建的 t1 表，来举例说明如何使用 OP：

CREATE TABLE t1 (a int, b int, INDEX (b));

示例一：表扫描

explain format=tree select * fromt1 limit 100 offset 1;+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+| EXPLAIN|+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+| -> Limit/Offset: 100/1row(s), with offset pushdown (cost=0.65 rows=4) -> Tablescan on t1  (cost=0.65 rows=4)|+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+1 row in set (0.00 sec)

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示例二：二级索引上的索引范围扫描

explain format=tree select a,b from t1 where b>2limit 100 offset 1;+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+| EXPLAIN|+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+| -> Limit/Offset: 100/1row(s), with offset pushdown (cost=1.61 rows=3) -> Indexrange scan on t1 using b  (cost=1.61rows=3)|+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+1 row in set (0.00 sec)

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如何启用 RCR?

通过系统变量 rds_empty_redundant_check_in_range_scan 设置，如下：

set rds_empty_redundant_check_in_range_scan=[true]/[false];

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默认为 true。

我们通过一个示例来说明：

创建 t0 表：

CREATE TABLE t0 (a int, b int,INDEX (a,b));

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不启用 RCR：

explainformat=tree select * from t0 where a<100 and a>20 LIMIT 1 OFFSET 100;+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|EXPLAIN                                                                                                            |+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|-> Limit/Offset: 1/100 row(s)(cost=0.46 rows=1) -> Filter: ((t0.a < 100) and (t0.a > 20))  (cost=0.46 rows=1) -> Index range scan on t0 usinga  (cost=0.46 rows=1)|+---------------------------

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可以看出：列 a 上的范围条件会被 InnoDB 默认检查，但 SQL 层将再次检查 InnoDB 返回的行是否匹配列 a 的范围条件。在这种情况下，无法使用 OP，因为 SQL 层不知道存储引擎实际上处理了整个 WHERE 子句。

启用 RCR：设定 rds_empty_redundant_check_in_range_scan = true;

explainformat=tree select * from t0 where a<100 and a>20 LIMIT 1 OFFSET 100;+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|EXPLAIN|+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|-> Limit/Offset: 1/100 row(s), with offsetpushdown (cost=0.46 rows=1) -> Index range scan on t0 using a  (cost=0.46 rows=1)|+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+1row in set (0.00 sec)

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可以看出：启用 RCR，删除 SQL 层对列 A 的范围条件的冗余检查后，启用 OP。

简化 ICP

创建表 t1：

create table t1(a int, b int, INDEX(b));

不启用 RCR：

explainformat=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|EXPLAIN                                                                                |+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|-> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offsetpushdown (cost=1.61 rows=3) -> Index range scan on t1 using b, with index condition: (t1.b >2)  (cost=1.61 rows=3)|+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+1row in set (0.00 sec)

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可以看出：使用了 ICP 后，OP 也被启用了

启用 RCR：

explainformat=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|EXPLAIN            |+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+|-> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offsetpushdown (cost=1.61 rows=3) -> Index range scan on t1 using b  (cost=1.61 rows=3)|+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+1row in set (0.00 sec)

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以上示例说明：ICP 不是必要的。通过评估是否应使用 ICP 之前移除冗余条件，就可以避免使用 ICP。

性能验证

下面我们通过实际测试来验证 OP 所带来的性能提升。在测试中，我们重点关注：

覆盖/非覆盖索引

考虑一个非覆盖索引，不使用 OP，InnoDB 必须从基表读取行，然后才能将它们返回到 SQL 层。使用 OP 后，就可以跳过行，而不必从基表读取。因此，OP 在非覆盖索引上可以提供更好的性能。

热/冷缓冲池

我们希望通过热缓冲池全面提高性能，但我们也希望 OP 在热缓冲池上相对更高效，原因如下：

基于一个冷缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定为不使用 OP 的计算时间（woop）和使用 OP 的计算时间(op)的比值：

比值 d 预计将大于 1，因为使用 OP 将获得性能提升。基于一个热缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定是不使用 OP 的计算时间(woop)和使用 OP 的计算时间(op)的比值：

其中 k 表示从磁盘读取索引所需的时间，可以合理地假设，在使用 OP 和不使用 OP 的情况下，k 都是相同的。因为不论是否使用 OP，都必须从左到右遍历索引，无法在使用 OP 的情况下，利用 B-tree 结构索引的优势直接跳转到 offset 范围的结束点。那么，这两个比值的差值可以表述为：

因此，我们预计 OP 在热缓冲池将更有效。

缓冲池大小

对于覆盖索引查询，可以假定索引数据都在缓冲池中，因此，缓冲池的大小对性能不会产生太大影响。然而，对于非覆盖索引的查询，情况会大不相同。在不使用 OP 时，缓冲池能缓存表数据的比例确实会对查询的性能产生有利的影响。

基于以上三个关注点以及预判，我们在一个包含 200 万行数据的测试表中，分别测试覆盖/非覆盖索引、冷/热缓冲池、不同缓冲池大小下条件下，通过 OP 带来的性能表现。

覆盖索引查询：

CREATE TABLE data (id int, value int, INDEX  (id,value));SELECT * FROM data   LIMIT 1 OFFSET p;

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非覆盖索引查询：

CREATE TABLE data_non_covering(id INT, value INT, INDEX  (value));INSERT INTO data_non_covering SELECT * FROM data;SELECT * FROM data_non_covering WHERE value>2 LIMIT 1 OFFSET p;

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为了过滤干扰，计算时间是取 9 次运行结果的中位数。