Go语言从零构建SQL数据库(9)-数据库优化器的双剑客

数据库优化器的双剑客：谓词下推与列裁剪

在数据库查询优化的世界里，有两位特别重要的"超级英雄"：谓词下推和列裁剪。这两种优化技术虽然简单，却能带来惊人的性能提升。今天，我们就来揭开它们的神秘面纱，一探究竟。

为什么需要查询优化？

想象一下这个场景：你需要从一个包含1000万条客户记录的表中，找出所有来自北京、年龄超过30岁的客户的姓名和电话。

SELECT name, phone
FROM customers
WHERE city = 'Beijing' AND age > 30;

不加优化的执行流程可能是这样的：

这个过程存在明显浪费：

1. 读取了全表的所有列，而最终只需要name和phone
2. 先读取所有数据，再进行过滤，处理了大量不必要的数据

谓词下推：提前筛选，减少数据量

谓词下推的核心思想非常简单：尽早过滤，尽量减少后续处理的数据量。

谓词下推的工作原理

我们的谓词下推优化器实现了这些关键功能：

1. 基本下推：将过滤条件直接推向表扫描节点
2. 连接操作优化：针对JOIN操作，智能地将条件下推到合适的表
3. 与索引选择结合：下推到表扫描的条件可以充分利用索引

实现中的关键函数

谓词下推优化器包含以下核心组件：

func (r *ImprovedPredicatePushDown) Apply(plan types.LogicalPlan) types.LogicalPlan
func (r *ImprovedPredicatePushDown) pushFilterDown(condition types.Expression, child types.LogicalPlan) types.LogicalPlan
func (r *ImprovedPredicatePushDown) pushFilterThroughJoin(condition types.Expression, join *logical.Join) types.LogicalPlan

其中最有趣的是连接操作的谓词下推。例如，当处理这样的查询时：

SELECT * FROM employees e JOIN departments d
ON e.dept_id = d.id
WHERE e.salary > 5000 AND d.location = 'Beijing'

优化器会将条件e.salary > 5000下推给employees表，将d.location = 'Beijing'下推给departments表。

列裁剪：只读需要的，不取多余的

列裁剪的核心思想同样简洁有力：只读取和处理查询真正需要的列。

列裁剪的工作原理

列裁剪优化器实现了这些核心功能：

1. 需求分析：自顶向下分析哪些列是查询真正需要的
2. 精确裁剪：仅保留需要的列，减少I/O和内存占用
3. 递归应用：对计划树中的每一层都应用裁剪

列依赖收集

列裁剪的关键是准确收集每个操作符所依赖的列。例如，考虑以下查询：

SELECT name, age + 1 AS next_age
FROM customers
WHERE city = 'Beijing' AND salary > 5000

我们需要的列有：

• name：直接在SELECT中使用
• age：用于计算next_age
• city和salary：用于过滤条件

而其他列如phone、email等都可以被裁剪掉。

两种优化的协同效应

当谓词下推和列裁剪一起工作时，效果会更加显著：

考虑以下查询：

SELECT c.name, o.order_date
FROM customers c JOIN orders o ON c.id = o.customer_id
WHERE c.city = 'Beijing' AND o.total > 1000

在1000万客户和5000万订单的数据集上：

实现这些优化的技术挑战

实现这些看似简单的优化实际上面临一些技术挑战：

1. 表达式分析：需要准确分析表达式中引用了哪些列
2. 计划树重写：需要能够安全地重写计划树，保持语义不变
3. 特殊情况处理：例如外连接时的谓词下推需要特别小心

案例分析：性能大幅提升

一个真实世界的例子可以说明这些优化的威力：

SELECT c.name, c.phone
FROM customers c
JOIN orders o ON c.id = o.customer_id
JOIN products p ON o.product_id = p.id
WHERE c.city = 'Beijing' 
  AND o.order_date > '2023-01-01'
  AND p.category = 'Electronics';

在千万级数据量下，优化前后的对比：

未来优化方向

尽管我们实现的谓词下推和列裁剪已经很强大，但仍有改进空间：

1. 基于统计信息的选择性估算：优先下推高选择性谓词
2. 谓词分解与合并：更智能地处理复杂条件
3. 外连接优化：增强外连接的谓词下推能力
4. 支持窗口函数：增强列裁剪对窗口函数的支持
5. 索引覆盖扫描：与索引选择更紧密结合

结论

谓词下推和列裁剪是数据库优化器中的"基础设施"，它们简单而强大，为查询性能带来数量级的提升。通过将过滤条件尽早应用和只读取必要的列，我们可以显著减少I/O、内存使用和计算量。

这些优化技术的实现展示了现代数据库引擎的精妙设计思想：通过计划重写和智能决策，在不改变查询语义的前提下大幅提升性能。这正是软件设计中"不要做无用功"原则的完美体现。

下一次当你的查询从几分钟变成几秒钟，别忘了可能是这两位"优化超级英雄"在默默工作！