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1 Inhalt SQL-Optimierung Grundlagen Optimizermodi Optimizer Syntax CBO Funktionsweise Entscheidungsgrundlagen Zugriffspfade Initialisierungsparameter Statistiken für den Optimizer Dynamic Sampling Histogramme Optimizer Hints Planstabilität Stored Outlines Dr. Frank Haney 1

2 SQL-Optimierung Grundlagen Bestimmumgsstücke Prinzipien der Plangenerierung Kostenfunktionen der verschiedenen Basisoperationen Transformationsregeln für SQL-Anweisungen Kostenmodell (plattformabhängig!) Informationen über die Daten (Statistiken etc.) Suchstrategie nach dem effizientesten Plan Prinzipien Selektion so früh wie möglich Zusammenfassung von Basisoperationen Möglichst wenig Zwischenergebnisse speichern (Pipelining) Keine irrelevanten Berechnungen ausführen Dr. Frank Haney 2

3 Logische Optimierung Übersetzung der SQL in einen unoptimierten Plan, dabei: Sichtexpansion Standardisierung (z.b. in konjunktive Normalform bringen) Vereinfachung (Propagierung von Konstanten, Ermittlung unerfüllbarer Prädikate, Idempotenzen) Entschachtelung (Auflösung von Unterabfragen) Algebraische Optimierung Entfernen redundanter Operationen Verbundreihenfolge (logisch, ohne Kosten) Vorgruppierungen Verschiebung von Selektion und Projektion möglichst weit in Richtung der Blätter des Plans Dr. Frank Haney 3

4 Physische Optimierung Kostenbasierte Auswahl aus einer Menge von Plänen Anwendung der Berechnungsalgorithmen (Transformationsregeln + Kostenfunktionen) Einbeziehung von Statistiken über die Daten und ihre Verteilung Einsatz eines gewichteten Kostenmodells Verwendung von Suchstrategien Vermeidung teurer Operationen Probleme Gewicht der Kosten u.u. plattformabhängig Deterministische Suchstrategien führen u.u zu aufwendiger Optimierung (Parse-Zeit) Heuristische Suchstrategien finden eventuell nicht den optimalen Plan (Nebenminima) Dr. Frank Haney 4

5 Optimizer Geschichte Dr. Frank Haney 5

6 Optimizer 8 Allgemeine Optimizer Features ab Oracle 8 Support für User Defined Data Types Index fast full scan Ab Oracle 8.0 ausgenommen Oracle Consideration of bitmap access paths for tables with only B-tree indexes Complex view merging Push-join predicate Ordered nested loop costing Dr. Frank Haney 6

7 Optimizer 8i Allgemein ab Oracle 8i Support für partitionierte Objekte Support für partitioning pruning bei Joins Support für Query Re-Write (Oracle 8.1.6) Support für Function Based Index Improved outer join cardinality calculation Improved verification of NULLs inclusion in B-tree indexes Ab Oracle Random distribution method for left of nested loops Type-dependent selectivity estimates Setting of optimizer mode for user recursive SQL Improved average row length calculation Partition pruning based on subquery predicates Ab Oracle Common sub expression elimination Use statistics of a column imbedded in some selected functions such as TO_CHAR to compute selectivity Improved partition statistics aggregation Dr. Frank Haney 7

8 Optimizer 9i Allgemein ab Oracle 9i Laufende Verbesserung bei MVIEW und Query Re-Write Neue Partitioning Möglichkeiten Ab Oracle 9.2 werden CONNECT BY Queries anders aufgelöst Verbesserung bei Inline Views (Inline Views everywhere) Ab Oracle 9iR2 Peeking at user-defined bind variables Index joins Subquery unnesting Dynamic sampling Dr. Frank Haney 8

9 Optimizer 10g Allgemeines Neue Partitioning Möglichkeiten SQL_PROFILES Ab Oracle 10gR1 Query re-write enables Skip unusable indexes Automatically compute index statistics as part of creation Cost-based query transformations Ab Oracle 10gR2 Allow re-writes with multiple MVs and/or base tables Dr. Frank Haney 9

10 Optimizer 11g Allgemeines Result Caches Neue Partitioning Möglichkeiten Index Hidden für Optimizer Pending Optimizer Statistiken SQL_PATCHES Ab Oracle 11g Release 1 Enhanced Bind Peeking (Adaptives Cursor Sharing) Use extended statistics to estimate selectivity Partition pruning using join filtering Group by placement optimization Ab Oracle 11g Release 2 Native Full Outer Join Partition Pruning mit Unusable Index Partitions Dr. Frank Haney 10

11 Optimizermodi Dr. Frank Haney 11

12 Optimizer - Syntax Regelbasiert (RBO): Wählt den Ausführungsplan auf der Basis der durch die Syntax gegebenen Zugangspfade und einer Rangfolge fester Regeln. (In Oracle 10g nicht mehr unterstützt! Standard ist ALL_ROWS.) Kostenbasiert (CBO): Wählt den Ausführungsplan durch die Auswertung von Statistiken über die beteiligten Datenbankobjekte. Wahl des Optimizers: Instanzebene: OPTIMIZER_MODE = {CHOOSE RULE FIRST_ROWS[_n] ALL_ROWS} Sessionebene: ALTER SESSION SET OPTIMIZER_MODE = {CHOOSE RULE FIRST_ROWS[_n] ALL_ROWS}; Anweisungsebene (Optimizer Hints): SELECT /*+ [CHOOSE RULE FIRST_ROWS[_n] ALL_ROWS] */... FROM... Dr. Frank Haney 12

13 Regelbasierter Optimizer 1. Single Row by ROWID (ROWID = konstant) 2. Single Row by Cluster Join 3. Single Row by Hash Cluster Key with Unique or Primary Key 4. Single Row by Unique or Primary Key 5. Clustered Join 6. Hash Cluster Key 7. Index Cluster Key 8. Composite Index 9. Single Column Indexes 10. Bounded Range Search on Indexed Columns 11. Unbounded Range Search on Indexed Columns 12. MAX or MIN of Indexed Columns 13. ORDER BY on Indexed Columns 14. Full Table Scan Prinzip des RBO: FTS soll vermieden werden Dr. Frank Haney 13

14 Kostenbasierter Optimizer Der CBO Anweisungstransformation (z.b. Unterabfragen in Joins) Auswahl der Join-Reihenfolge Auswahl der Join-Methode erzeugt auf der Grundlage der möglichen Zugriffspfade eine Menge von Ausführungsplänen schätzt die Selektivität, Kardinalität und Kosten (mutmaßlicher Ressourcenverbrauch) jedes Plans auf der Grundlage von Statistiken. Kostenfaktoren: Anzahl der logischen Lesevorgänge (wichtigster Faktor) CPU-Nutzung Netzwerkübertragungen vergleicht die Kosten und wählt den günstigsten Plan. Dabei gilt: Ein I/O erzeugt eine COST Einheit CPU-Zeit wird in COST Einheiten ausgedrückt SORT (TEMP) wird in COST Einheiten ausgedrückt Dr. Frank Haney 14

15 Grenzen des kostenbasierten Optimizer Probleme bekommt der CBO bei Korrelierten Spalten Erweiterte Statistiken in Oracle 11g Blöcke (Tupel) sind bereits von anderen Statements in den Cache geladen evt. SQL Result Cache verwenden (Oracle 11g) Bindevariablen für sehr ungleichmäßig verteilte Spaltenwerte Adaptive Cursor Sharing in Oracle 11g Subquery Unnesting und View Merging: Funktioniert regelbasiert ohne Vergleich der Kosten des Original-Statements Permutationen der Join-Reihenfolge bei vielen Tabellen im Join (lange Parsezeit vs. Verfehlen des optimalen Plans) Mögliche Lösungen Guten Plan durch Optimizer Hints realisieren Stored Outlines SQL Profile (ab Oracle 10g) Dr. Frank Haney 15

16 Welcher Optimizer? Der regelbasierte Optimizer wird verwendet, wenn OPTIMIZER_MODE = RULE oder CHOOSE 1 Es gibt Elemente, die den CBO erzwingen 2, z.b. Alle Hints außer /*+ RULE */ und /*+ CHOOSE */ 1 Joins mit ANSI-Syntax Index Organized Tables (IOT) Partitionierte Tabellen Reversed Key Indizes Funktionsbasierte Indizes Domain Indizes (Oracle Text und Intermedia) Bitmap Indizes Parallele Abfragen und DML SAMPLE-Klausel (Data Warehouse) Query Rewrite (Materialized Views) 1 Desupportet in 10g, Default jetzt ALL_ROWS 2 Wenn keine Statistiken vorhanden sind, nimmt der CBO Default-Werte Hinweis: Bei Verwendung des CBO ist CHOOSE gleichbedeutend mit ALL_ROWS. Dr. Frank Haney 16

17 CBO Funktionsweise Dr. Frank Haney 17

18 Wichtige Abfragetransformationen IN-Liste: mehrfaches OR mit Gleichheitszeichen Unterabfragen: Join LIKE ohne Wildcard: Gleichheitszeichen a > ANY (b, c): a > b OR a > c a > ALL (b, c): a > b AND a > c a > ANY (select b from c): EXISTS (select b from c where a > b) a BETWEEN b AND c: a >= b AND a <= c NOT a = (unterabfrage): a <> (unterabfrage) Verschiedene Bedingungen mit OR: UNION ALL DISTINCT, GROUP BY, JOIN: implizite Sortierung Views: View Merging oder Predicate Pushing a operator Konstante AND a=b (Transitivität): b operator Konstante Dr. Frank Haney 18

19 Beispiel Abfragetransformationen I Subquery Unnesting Dr. Frank Haney 19

20 Beispiel Abfragetransformationen II Auflösung Transitivität Dr. Frank Haney 20

21 Beispiel Abfragetransformationen III Dr. Frank Haney 21

22 Entscheidungsgrundlagen für den CBO OBJEKT SYSTEM STATISTIKEN HISTOGRAM HINTS INITIALISIERUNGSPARAMETER NLS OPTIMIZER RUNTIME INFORMATION ZUGRIFFSPFADE DYNAMIC SAMPLING ORACLE RELEASE SQL PROFILE STORED OUTLINES Dr. Frank Haney 22

23 Wichtige Zugriffspfade Full Table Scan: Alle Blöcke unter der HWM werden geprüft, ob sie Daten enthalten, die der WHERE-Klausel entsprechen Rowid Scan: Die Rowid enthält Datendatei, Block und Stelle im Block, an der die Zeile zu finden ist. Index Scan: Liefert die Rowid der gesuchten Zeilen durch Index Unique Scan: Rückgabe einer ROWID (= auf Unique Index) Index Range Scan: Rückgabe eines Zeilenbereichs (<,>,BETWEEN, LIKE, ORDER BY) Index Skip Scan: Zusammengesetzter Index wird logisch geteilt. Führende Spalte braucht nicht referenziert zu werden. (Neu in Oracle 9i) Index Fast Full Scan: Nur indizierte Spalten werden referenziert, kein Tabellenzugriff nötig. Index Join: Wenn alle in der Abfrage referenzierten Spalten indiziert sind, ist kein Tabellenzugriff nötig. Dr. Frank Haney 23

24 Initialisierungsparameter (Auswahl) CURSOR_SHARING DB _FILE_MULTIBLOCK _READ _COUNT HASH_AREA _SIZE OPTIMIZER_FEATURES _ENABLED OPTIMIZER_INDEX _CACHING OPTIMIZER_INDEX _COST _ADJ OPTIMIZER_MODE OPTIMIZER_SECURE_VIEW_MERGING PGA_AGGREGAT_TARGET QUERY_REWRITE_ENABLED SORT_AREA_SIZE STAR_TRANSFORMATION_ENABLED STATISTICS_LEVEL EXACT, SIMILAR, FORCE Max. I/O-Größe des Systems 2* SORT_AREA_SIZE Release-abhängiger Dachparameter ALL_ROWS, FIRST_ROWS TRUE, FALSE 10 MB oder 20%der SGA TRUE, FALSE, FORCE Byte FALSE, TRUE BASIC, TYPICAL, ALL Dr. Frank Haney 24

25 Hints für den CBO Hints spezifizieren Ziele für den CBO FIRST_ROWS definieren Zugriffspfade INDEX legen die Join-Reihenfolge fest ORDERED spezifizieren eine Join-Methode USE_NL steuern die Parallelausführung PARALLEL beeinflussen die Query Transformation NO_MERGE Syntax {SELECT UPDATE DELETE INSERT} /*+ hint */... Hints werden ignoriert bei anderen als DML-Statements bei falscher Schreibweise, richtige im gleichen Statement werden berücksichtigt wenn sie sich widersprechen, andere werden verwendet Dr. Frank Haney 25

26 Statistiken für den CBO sammeln ANALYZE SQL-Befehl, berechnet oder schätzt Statistik, relativ schlecht für die Performance, wird eventuell in der Zukunft vom CBO nicht mehr unterstützt. (Für Klausel VALIDATE STRUCTURE aber notwendig.) Syntax: ANALYZE {INDEX TABLE CLUSTER} name {COMPUTE ESTIMATE DELETE} STATISTICS [FOR {TABLE COLUMNS (col_name,...) ALL COLUMNS ALL INDEXED COLUMNS ALL INDEXES} [SIZE n]] [SAMPLE n {ROWS PERCENT}]; Views: USER_TABLES, USER_TAB_COLUMNS, USER_TAB_COL_STATISTICS, USER_INDEXES, DBA_HISTOGRAMS DBMS_STATS PL/SQL-Package, von Oracle empfohlen, besser für die Performance, Statistiken können exportiert und importiert werden. (Stabilität des Ausführungsplans) Syntax: DBMS_STATS.GATHER_DATABASE_STATS() DBMS_STATS.EXPORT_SCHEMA_STATS() Anmerkung: Ab Oracle 9i verwendet der CBO auch Systemstatistiken! Dr. Frank Haney 26

27 Was wird gesammelt? Tabellen: Zeilenzahl Anzahl der Blöcke Durchschnittliche Zeilenlänge Migration und Verkettung Spalten: Anzahl unterschiedlicher Werte (Kardinalität) Anzahl der NULL-Werte Werteverteilung (Histogramme wenn erforderlich) Indizes: Anzahl der Blätter (Leaf Blocks) Zahl der Ebenen System: I/O-Performance CPU-Verwendung Dr. Frank Haney 27

28 Statistiksammeln überwachen Überwachungsmodus einschalten: (Es wird aufgezeichnet, wieviel DML auf den Tabellen stattfindet. In 10g immer an!) Auf Datenbank- und Schemaebene: DBMS_STATS.ALTER_DATABASE_TAB_MONITORING(); DBMS_STATS.ALTER_SCHEMA_TAB_MONITORING(); Auf Tabellenebene mit der Klausel MONITORING von CREATE oder ALTER TABLE Die Prozedur DBMS_STATS.FLUSH_DATABASE_MONITORING_INFO schreibt Informationen des Monitoring aus der SGA ins Data Dictionary, in die View: USER_TAB_MODIFICATIONS Veraltete Statistiken erneuern (Statistiken gelten als veraltet, wenn 10% aller Zeilen einer Tabelle geändert wurden.): Optionen GATHER STALE oder GATHER AUTO von DBMS_STATS.GATHER_TABLE_STATS() etc. Ab 10g gibt es automatischen Job zum Sammeln der Statistiken. Dr. Frank Haney 28

29 Dynamische Stichproben Dynamic Sampling, verfügbar ab Oracle 9i, bedeutet: Stichproben, mit denen die Statistiken von Segmenten geschätzt werden können, werden zur Laufzeit erstellt. Wird eingestellt mit dem Parameter OPTIMIZER_DYNAMIC_SAMPLING = Bei 0 ist die Funktion ausgeschaltet, 10 repräsentiert den höchsten Grad dynamischer Stichproben. Standardwert 2 (in 9i 1) bedeutet, Stichproben werden ausgeführt, wenn die Abfrage auf mehrere Tabellen zugreift. keine Tabellenstatistiken und kein Index verfügbar ist. der Optimizer einen Full Table Scan wählen würde. Dynamic Sampling empfiehlt sich nur, wenn die Verbesserung des Ausführungsplans den Overhead durch die Stichprobenerhebung deutlich überwiegt. Dr. Frank Haney 29

30 Histogramme I Problem: Der CBO geht von einer Gleichverteilung der Daten über den Wertebereich aus. Das ist häufig nicht der Fall. Der CBO verschätzt sich dann beim Vergleich der Kosten von Indexzugriff und Full Table Scan (Skewness-Problem). Lösung: Histogramme Syntax: ANALYZE TABLE... FOR COLUMNS View: DBA_TAB_HISTOGRAMS Prinzip: Spaltenwerte werden in Buckets unterteilt, die in der Höhe ausgeglichen werden. Standard sind 75 Buckets. Beispiel: Verteilung der Werte 1 bis 100 auf 10 Buckets Daten bezüglich der Werte gleichverteilt ungleich verteilt Dr. Frank Haney 30

31 Histogramme II Hinweis: Wenn die Kardinalität der Spalte kleiner als die Zahl der Buckets ist, wird kein höhenbasiertes, sondern ein wertebasiertes Histogramm erstellt. Der Optimizer unterscheidet zwischen häufigen und seltenen Spaltenwerten. Häufige Werte treten mehrfach als Bucket-Endpunkt auf, seltene einmal oder gar nicht. Histogramme sinnlos: Spalte wird nicht in der WHERE-Klausel referenziert. Spalte ist eindeutig und wird mit = verwendet. Die Spaltendaten sind gleichmäßig verteilt. (Skewness gering) Spalte wir nur mittels Bindevariable verwendet. (Bind Peeking) Stichprobengöße für Histogramme: Mindestens 100 Zeilen pro Bucket. Methoden: REPEAT: Nur für Spalten, die bereits Histogramme haben AUTO: Entscheidung auf der Basis von Verwendung und Verteilung SKEWONLY: Entscheidung nur auf Grundlage der Verteilung Dr. Frank Haney 31

32 Planstabilität (Stored Outlines) Identische Ausführungspläne werden erreicht durch Photographisch gleiche SQL Hints Bindevariablen statt Literale Stabilität der Statistiken Im Dictionary gespeicherte Ausführungspläne (stored outlines) SQL Profile (SQL Tuning Advisor) Stored Outlines erzeugen: Init.ora: Parameter CREATE_STORED_OUTLINES = [TRUE kategorie] Session: ALTER SESSION SET CREATE_STORED_OUTLINES = [TRUE kategorie]; Explizit: CREATE OR REPLACE OUTLINE name FOR CATEGORY kategorie ON SQL-Anweisung; Stored Outlines verwenden: Init.ora: Parameter USE_STORED_OUTLINES = [TRUE kategorie] Session: ALTER SESSION SET USE_STORED_OUTLINES = [TRUE kategorie]; Stored Outlines verwalten: Schema OUTLN, Package OUTLN_PCK, Views DBA_OUTLINES, DBA_OUTLINE_HINTS Dr. Frank Haney 32

33 Logik der Erstellung von Ausführungsplänen 1. Ist die SQL im Shared Pool? Ja/Nein Ja 2 Nein 3 2. Liegt die gleiche Outlinekategorie vor? Ja/Nein Ja 5 Nein 3 3. Gibt es im Data Dictionary eine übereinstimmende Outline? Ja/Nein Ja 4 Nein 6 4. Die Outline wird integriert und der Plan erstellt. Danach Der Outline-Plan wird ausgeführt. 6. Normale SQL-Ausführung Dr. Frank Haney 33

34 Outlines bearbeiten Outlines sind öffentliche Objekte. Private Outlines unterstützen in Oracle 9i die Bearbeitung: Die Outline wird in einen temporären Speicherbereich geklont. Der Benutzer bearbeitet in seiner Session die Outline. Danach wird die Outline zur allgemeinen Verwendung veröffentlicht. Ablauf: 1. Bearbeitungstabellen erstellen: DBMS_OUTLN_EDIT.CREATE_EDIT_TABLES 2. Klonen der Outline: CREATE PRIVATE OUTLINE p_out1 FROM out1; 3. Bearbeiten der Outline in OL$HINTS oder mit dem OEM 4. Resynchronisieren mit CREATE PRIVATE OUTLINE p_out1 FROM p_out1; 5. Testen der Änderungen: Parameter USE_PRIVATE_OUTLINE=TRUE 6. Veröffentlichen der Outline: CREATE OUTLINE out1 FROM PRIVATE p_out1; 7. Private Outlines deaktivieren: USE_PRIVATE_OUTLINE=FALSE Dr. Frank Haney 34

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