【摘 要】當今社會是信息技術(shù)高度交互的時代，各行業(yè)之間業(yè)務(wù)的處理和數(shù)據(jù)存儲都有相關(guān)的管理系統(tǒng)作為平臺環(huán)境，并且各行業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互也日益頻繁。從傳統(tǒng)的C/S桌面應(yīng)用到主流的Web應(yīng)用，直至當今的物聯(lián)網(wǎng)和移動開發(fā)，都離不開數(shù)據(jù)的存儲和交互，所以，數(shù)據(jù)庫作為存儲和管理應(yīng)用的數(shù)據(jù)平臺，已經(jīng)成為信息管理和挖掘的基本工具。信息數(shù)據(jù)庫除了提供準確的查詢結(jié)果，針對數(shù)據(jù)庫的查詢效率問題也越來越成為開發(fā)者和用戶關(guān)心的首要問題。如何構(gòu)建一個快速平穩(wěn)的數(shù)據(jù)傳輸流程是整個應(yīng)用系統(tǒng)運行周期中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵字】關(guān)系數(shù)據(jù)庫、查詢處理、查詢優(yōu)化

一、引言

基于數(shù)據(jù)庫的信息系統(tǒng)在與數(shù)據(jù)庫進行交互時，對數(shù)據(jù)庫的訪問查詢效率的影響因素會遇到軟硬件等多方面的瓶頸，在硬件方面包括：CPU的處理速度、I/O速度、存儲器容量及服務(wù)器磁盤鏡像配置等。在軟件方面包括如：服務(wù)器操作系統(tǒng)、所使用DBMS和前端開發(fā)工具以及是否創(chuàng)建索引等。數(shù)據(jù)的查詢操作是各種數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)操作中最為頻繁的操作，所以查詢的效率是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的重要性能指標，查詢優(yōu)化亦是數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化的主要方法之一。通常情況下，在請求訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)時，編寫的SQL查詢語句一般會成為影響查詢效率的基本因素。本文從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫查詢處理的基本過程出發(fā)，通過研究總結(jié)關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化的一般方法，并依據(jù)其主要設(shè)計原則。對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行查詢優(yōu)化若干方法進行總結(jié)。

二、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫查詢處理

常見的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，使用數(shù)據(jù)操作語言發(fā)出查詢請求，生成并提交查詢計劃，即SQL語句集合，各種不同的DBMS會對原始查詢計劃進行不同的處理步驟進行變換優(yōu)化處理，最終查詢計劃是在優(yōu)化處理之后產(chǎn)生的，其一般過程如圖1所示：

（一）對基本SQL語句進行解析，并針對詞法和語法分析檢查。

查詢處理生成查詢計劃之前，需要將SQL語句進行語法分析并基于關(guān)系代數(shù)對查詢語句進行翻譯，主要是檢查SQL查詢語句的語法，把查詢語句分析成關(guān)系數(shù)據(jù)庫能夠理解的模塊，并且構(gòu)造該查詢的語法分析樹，將其翻譯成關(guān)系代數(shù)表達式[1]。

（二）將查詢語句提交給DBMS的查詢優(yōu)化器進行代數(shù)優(yōu)化和存取路徑的優(yōu)化。

查詢優(yōu)化的目的是為執(zhí)行查詢選擇高效、快速的查詢執(zhí)行計劃。其主要目的是設(shè)計生成最優(yōu)效能的等價關(guān)系代數(shù)表達式，或者選擇查詢語句處理的其他優(yōu)化策略。因為在執(zhí)行確定的查詢計劃之前，查詢計劃的代價通常是無法準確計算的。所以優(yōu)化器只能估算執(zhí)行代價，然后在后期對這些查詢計劃估算值進行合理篩選[1]。

為了獲取最佳的估算結(jié)果，優(yōu)化器會收集利用一些相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息進行估算。當然，現(xiàn)在主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身都集成了一些優(yōu)化技術(shù)，這些優(yōu)化技術(shù)通常獲取的不一定都是最優(yōu)的，往往只是最有效的執(zhí)行計劃。常見的優(yōu)化技術(shù)諸如：語法語義優(yōu)化、啟發(fā)式優(yōu)化和基于成本優(yōu)化等。

（三）由DBMS預(yù)編譯模塊對查詢語句進行處理并生成查詢計劃。提交執(zhí)行，返回結(jié)果。

將使用優(yōu)化器選擇的執(zhí)行計劃提取出來執(zhí)行。執(zhí)行引擎從數(shù)據(jù)庫文件中查詢數(shù)據(jù)結(jié)果集并輸出。

三、關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化的一般準則

（一）規(guī)則優(yōu)化

（1）選擇運算應(yīng)該盡可能先做，用以減少中間關(guān)系。

（2）在執(zhí)行連接操作前，適當?shù)膶﹃P(guān)系進行諸如索引和排序合并連接方法的預(yù)處理。索引連接方法即在連接屬性上建立索引。排序合并連接方法是按連接屬性排序。

（3）投影運算和選擇運算同時做，用以避免關(guān)系的重復(fù)掃描。

（4）將投影運算與其前面或后面的雙目運算結(jié)合，用以避免關(guān)系的重復(fù)掃描。

（5）把執(zhí)行的笛卡爾積和之后的選擇運算進行連接運算，即合并操作。以此減小對時間和空間復(fù)雜度的開銷。

（6）減少中間結(jié)果操作：刪除與查詢無關(guān)的屬性和按小關(guān)系運算優(yōu)化處理。

（7）提取公共子表達式，提前計算，并保存結(jié)果，以此避免重復(fù)計算浪費時間。

（二）物理優(yōu)化

在查詢優(yōu)化與數(shù)據(jù)的物理組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，并且依賴于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)訪問路徑情況下，需要思考如何選擇實現(xiàn)策略。例如在已經(jīng)組織了基于查詢的專門索引或者排序文件時的情況下需要思考針對物理優(yōu)化的策略選擇。

（三）代價估算優(yōu)化

指對于多個候選策略逐個進行執(zhí)行代價估算，從中選擇代價最小的做為執(zhí)行策略。

四、關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化方法

關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化在遵循以上準則的前提下，總結(jié)分析相關(guān)方法如下：

（一）合理使用索引

為數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建索引是提高數(shù)據(jù)管理效率的重要方法。在數(shù)據(jù)庫中，索引就是為大量數(shù)據(jù)創(chuàng)建“目錄”，同時，索引的使用要做到恰到好處。其使用原則如下：

（1）在經(jīng)常做為搜索條件且不同值較多的列上建立檢索。比如學(xué)生信息表的性別列上只有“Male”與“Female”兩個不同值，就無需建立索引，在這樣的列字段建立索引會嚴重降低更新速度。

（2）在經(jīng)常用于連接的如外鍵字段的列上建立索引，而不經(jīng)常連接的字段則由優(yōu)化器自動生成索引。

（3）在常用于排序或分組（如group by或order by操作）的字段建立索引。

（4）如果排序列有多個，可以在這些經(jīng)常存取的多個列字段上，按照各列的使用頻率建立復(fù)合索引。

在基于索引創(chuàng)建的原則下并非要盲目的創(chuàng)建索引，創(chuàng)建索引時注意事項如下：

創(chuàng)建索引要適量，并非越多越好

盡管創(chuàng)建索引可以為數(shù)據(jù)管理提供很大方便，但同時也會增加數(shù)據(jù)維護負擔，在數(shù)據(jù)庫中增刪數(shù)據(jù)都需要系統(tǒng)對索引進行動態(tài)維護，這樣就可以降低索引的維護速度，因此適量創(chuàng)建索引即可，一般一個表不超過6個。

索引可以是組合索引，但索引字段越少越好

聚集索引和非聚集索引都可以使用多個字段組合，即為組合索引，組合索引中的任何一個索引字段被修改，這個索引都要重新生成，這樣就加大了索引維護的消耗。另外，組合索引與單字段索引相比占用空間也較多，每個索引文件上只能存放較少的記錄，在索引中查找數(shù)據(jù)時，組合索引的效率就相對較低了。

索引一定要建在經(jīng)常使用字段上

創(chuàng)建索引并非為了滿足所有查詢需要，只是為了滿足絕大部分的查詢需要，且索引數(shù)量不宜太多，所以索引一定要創(chuàng)建在經(jīng)常使用的字段上，尤其是聚集索引，每個表只能有一個，所以就會特別珍貴，一定要建在最頻繁使用的字段上。

（二）將大型表進行水平分表操作

對于數(shù)據(jù)量增長很快的大型表，每次對表的操作都需要進行大量的數(shù)據(jù)處理，盡管有時候創(chuàng)建了索引，但是隨著數(shù)據(jù)的繼續(xù)增長，索引文件也在變大，數(shù)據(jù)表的管理效率就可能會逐漸下降，索引維護、數(shù)據(jù)查找等操作需要的時間代價也會越來越大?？梢詫⒋笮蛿?shù)據(jù)表進行分解，分解為多個子表。將大型表從數(shù)據(jù)行上進行分解，稱為“水平分表”。水平分表之后，用戶在進行查詢時需要對各個子表進行分別查詢，然后將結(jié)果進行組合。分表后可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器磁盤設(shè)備上對子表分別存放，從而實現(xiàn)子表的并行查詢，提高查詢效率。

水平分表效率分析：假設(shè)存在一個大表，記錄數(shù)為recs，單個記錄長度為len，將此大表進行水平分表成n個記錄相等的子表即：n*recsi=recs。將子表利用raid技術(shù)分別存儲在不同物理磁盤上以保證查詢時間最短，索引表的檢索和其引起的臨時空間暫時忽略情況下，該大表水平分表得到的子表數(shù)n取值越大時，查詢效率就越高[2]。

對子表查詢效率分析：

à采用無分組統(tǒng)計查詢，查詢時間和表記錄數(shù)成正比。

分表前查詢時間T=F（recs*len）

分表后查詢時間T'=max[F（recsi*len）]=1/n*[F（recs*len）]=1/n*T

由此可知，分表后的查詢時間為分表前的1/n。

à分組統(tǒng)計查詢，查詢時間和表記錄數(shù)的平方成正比。

分表前查詢時間T=F（recs*len）2

分表后查詢時間T'=max[F（recsi*len）]=1/n2*[F（recs*len）]=1/n2*T

由此可知，分表后的查詢時間為分表前的1/n2

（三）書寫高效的SQL語句

現(xiàn)在一些大型的DBMS在針對用戶的輸入的SQL語句之后，都會進行一些優(yōu)化操作。但是在許多應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，SQL語句作為基本字符串內(nèi)嵌在代碼當中直接和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行交互，另外數(shù)據(jù)庫管理員在進行針對需求的開發(fā)時也需要編寫SQL語句。所以，也要保證編寫的SQL語句有較好的性能。

導(dǎo)致SQL查詢語句效率地下的原因簡單理解為：

à沒有索引或者沒用到索引，亦或者是SQL查詢讓索引失效。

à查詢語句使用了一些效率低的方法查詢數(shù)據(jù)。

基于以上原因，針對SQL語句優(yōu)化方法分析如下：

避免對索引字段進行數(shù)值操作。

當查詢記錄數(shù)固定時，使用top限制返回的數(shù)據(jù)集。

select字段需要多少提取多少，在使用SQL查詢時，不要出現(xiàn)select *的情況，即使要讀取全部字段，也要使用select column格式。因為select *導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢量會很大，從而產(chǎn)生頻繁的物理I/O。

為order by排序應(yīng)盡量在索引上進行以提高效率，減少I/O活動量和減小執(zhí)行時間。

盡可能減少負邏輯操作符和函數(shù)的使用，因為它們會導(dǎo)致全表掃描引起出錯?？梢园押蠳OT、<> 、！= 等負邏輯的條件表達式轉(zhuǎn)化為意思相當?shù)恼壿嫛?/p>

（6） 盡量避免使用LIKE、EXISTS、IN、OR等標準表達式，這些會引起全表掃描，使索引失效。另外也要減少表的連接操作，即使存在連接操作也要適當增加一些冗余條件，使參與連接的字段集盡可能少。

（7） 盡量不使用耗費資源的操作，如含有distinct、union、order by、group by、操作的SQL查詢語句會執(zhí)行排序操作，此將損耗一定的性能。

（8） 減少嵌套查詢的層數(shù)，盡量避免使用相關(guān)的嵌套查詢

（四）使用存儲過程

創(chuàng)建存儲過程之后，會編譯成可執(zhí)行代碼。通?？梢詫⒁恍┡c應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的查詢功能封裝在存儲過程當中，那么該存儲過程會作為一個數(shù)據(jù)庫對象存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，這樣在執(zhí)行過程中就避免了將復(fù)雜應(yīng)用程序業(yè)務(wù)邏輯代碼向服務(wù)器端傳送的網(wǎng)路代價，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)負載，同時也節(jié)省了處理時間[3]。另外，因為存儲過程已經(jīng)編譯成為可執(zhí)行代碼，就不在需要在每次執(zhí)行時重新進行分析和優(yōu)化，減少了編譯所花費的時間，提高了執(zhí)行效率。

（五）應(yīng)用視圖

視圖可以從若干個基本表或視圖導(dǎo)出。本身也是一個表，是一個虛表。視圖數(shù)據(jù)存放在基本表中，所以數(shù)據(jù)庫視圖定義的基本對象。當基本表中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，從視圖中查詢出的數(shù)據(jù)也會改變。

利用視圖可以設(shè)置用戶權(quán)限，提高數(shù)據(jù)的保密性。在主流的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，不同的數(shù)據(jù)庫角色在數(shù)據(jù)的處理的要求上也有差異，可以對不同類型的用戶角色創(chuàng)建對應(yīng)的視圖，能夠在特定條件下增加數(shù)據(jù)有效性，降低查詢響應(yīng)時間。

五、小結(jié)

在實際運用中，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增大，對數(shù)據(jù)查詢效率的要求也會越來越高，實踐中還需要結(jié)合具體數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的運行環(huán)境，針對性的對關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行查詢優(yōu)化，合理配置。除了基本的優(yōu)化方法。也可以結(jié)合一些優(yōu)化算法，通過改進實施來最大可能發(fā)揮查詢的最大效率。

參考文獻：

[1]王能斌，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理 [M] 電子工業(yè)出版社，2005

[2]周立柱 馮建華等，SQL SEVER 數(shù)據(jù)庫原理—設(shè)計與實現(xiàn)[M] 清華大學(xué)出版社 ，2004

[3]李動周，大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫優(yōu)化探討[J]，辦公自動化，2007