使用Explain进行查询及应用优化

使用Explain
摘要：
Oracle RDBMS执行每一条SQL语句，都必须经过Oracle优化器的评估。所 以，了解优化器是如何选择(搜索)路径以及索引是如何被使用的，对优化SQL语句有很大的帮助。本文详细讨论了一种用于优化应用的性能诊断工具：Explain的使用方法。


介绍：

应用的优化不仅需要知道应用作了什么，还必须知道应用是如何工作的以及使用何种数据库设计来支持，必须了解使用哪种类型的SQL语句，语句中表与视图的结构及与这些表相关的各类索引。另外，优化整个应用系统可能并不是必需的，了解应用的各个部分可以让我们了解哪些部分是需要优化的。我们将主要讨论使用Oracle RDBMS提供的性能优化工具进行SQL级的优化。

Explain可以用来迅速方便地查出对于给定SQL语句中的查询数据是如何得到的即搜索路径(我们通常称为Access Path)。Access Path对性能会有非常大的影响。我们将会讨论各种Access Path和使用的优缺点。


使用Explain

使用Explain工具需要创建Explain_plan表，这必须先进入相关应用表、视图和索引的所有者的帐户内。Oracle的介质中包含有执行此项工作的SQL源程序，例如：

ORA_RDBMS: XPLAINPL.SQL (VMS)

$ORACLE_HOME/rdbms/admin/utlxplan.sql (UNIX)

这个SQL程序应与catalog.sql在同一目录，这个程序会创建一个名为plan_table的表，表结构如下：

Name Type

STATEMEN_ID VARCHAR2(30)

TIMESTAMP DATE

REMARKS VARCHAR2(80)

OPERATION VARCHAR2(30)

OPTIONS VARCHAR2(30)

Object_node VARCHAR2(128)

Object_owner VARCHAR2(30)

Object_name VARCHAR2(30)

Object_instance NUMBER(38)

Object_type VARCHAR2(30)

Search_columns NUMBER(38)

ID NUMBER(38)

PARENT_ID NUMBER(38)

POSITION NUMBER(38)

OTHER LONG

这里介绍一些我们将会讨论的column的主要概念。如果需要每一个column的详细介绍，请看explain.doc文件。

STATEMENT_ID：为一条指定的SQL语句确定特定的执行计划名称。如果在EXPLAN PLAN语句中没有使用SET STATEMENT_ID，那么此值会被设为NULL。

OPERATION：在计划的某一步骤执行的操作名称，例如：Filters，Index，Table，Marge Joins and Table等。

OPTION：对OPERATION操作的补充，例如：对一个表的操作，OPERATION可能是TABLE ACCESS，但OPTION可能为by ROWID或FULL。

Object_Owner：拥有此database Object的Schema名或Oracle帐户名。

Object_name：Database Object名

Object_type：类型，例如：表、视图、索引等等

ID：指明某一步骤在执行计划中的位置。

PARENT_ID：指明从某一操作中取得信息的前一个操作。通过对与ID和PARENT_ID使用Connect By操作，我们可以查询整个执行计划树。

这个PLAN表一旦创建成功，用户就可在应用中使用EXPLAIN。使用语法如下：

EXPLAIN PLAN [ SET STATEMENT_ID [=] < string literal > ]

[ INTO < table_name > ]

FOR < sql_statement >

其中：

STATEMENT_ID是一个唯一的字符串，把当前执行计划与存储在同一PLAN表中的其它执行计划区别开来。

TABLE_NAME是plan表名，它结构如前所示，你可以任意设定这个名称。

SQL_STATEMENT是真正的SQL语句。

例如：

EXPLAIN PLAN

SET STATEMENT_ID=‘QUERY1’

FOR

SELECT

FROM EMP

WHERE DEPTNO=10;

执行后将会得到以下信息：

operation 50 succeeded

注意，如果在Explain语句中忽略INTO句，则EXPLAIN会使用PLAN_TABLE作为表名，我们可以用查询plan table的方法来检查执行计划，如：

SELECT OPERATION, OPTIONS, OBJECT_NAME, OBJECT_TYPE, ID, PARENT_ID

FROM PLAN_TABLE

WHERE STATEMENT_ID=‘QUERY1’

ORDER BY ID;

将会返回如下：

OPERATION OPTION Object_name Object_type ID Parent_ID

TABLE ACCESS FULL EMP TABLE 1 1

1 row selected

这意味在这个查询中将会使用全表扫描，如果在EMP表上没有创建索引，对EMP的所有查询都将使用全表扫描，但是如果在DEPTNO列上创建一个非唯一的索引：

CREATE INDEX EMP_IDX ON EMP(DEPTNO);

现在，如果我们重新解释查询：

EXPLAIN PLAN

SET STATEMENT_ID＝’QUERY2’

FOR

SELECT *

FROM EMP

WHERE DEPTNO=10;

然后检查计划表：

SELECT OPERATION， OPTIONS， OBJECT_NAME，OBJECT_TYPE，ID，PARENT_ID

FROM PLAN_TABLE

WHERE STATEMENT_ID=‘QUERY2’

ORDER BY IB;

将返回：

OPERATION OPTION Object_name Object_type ID Parent_ID

TABLE ACCESS BY RAWID EMP TABLE 1

INDEX RANGE SCAN EMP_IDX NON_UNIQUE 2 1

2 row selected

这样，我们可以看到索引EMP_IDX被用于得到所有DEPTNO等于10的行，然后根据ROWID取得数据，索引存储了表中每行的ROWID，每当在索引中找到一行，就会根据ROWID去查询该行的其余部分。如果是对一个很大的表的操作，这样的搜索路径较前一种(全表扫描)会对减少磁盘 I / O 操作有明显的效果。但是，如果索引是“低选择性的”，那么一个全表扫描可能会更有效。

考虑以下的查询及其执行计划：

EXPLAIN PLAN

SET STATEMENT_ID=‘QUERY3’

FOR

SELECT DEPTNO

FROM EMP

WHERE DEPTNO=10

执行路径的计划是：

OPERATION OPTION Object_name Object_type ID Parent_ID

INDEX RANGE_SCAN EMP_IDX NON_UNIQUE 1

以上的执行计划表示不需在table中取得数据，此查询只须使用索引。



EXPLAIN搜索路径解释

任何SQL语句的执行计划都遵循一些优化原则，这些原则在Oracle数据库管理员手册中有详细介绍。同时，这些原则也被列在文本100040.163中。这些原则都试图在从数据库取出数据时找出一条最佳搜索路径。一旦优化器评估过查询并确定了搜索路径，优化器就会创建一个执行计划树。我们可以使用SQL*Plus查询plan table从而看到执行计划树：

COLUMN plan FORMAT a70

select lpad (‘ ‘, 3*level) || operation || (‘ || options ||’) ‘|| object_name || ‘ ‘ || object_type

from plan_table

connect by prior id=parent_id and statement_id=‘ & stmt_id’;

例如下面这个查询

SELECT ENAME

FROM EMP

WHERE DEPTNO=10

ORDER BY ENAME;

使用以上SQL语句检查plan table的结果是：

SORT ( ORDER BY )

TABLE ACCESS ( BY ROWID ) EMP

INDEX ( RANGE SCAN ) EMP_IDX N0N_UNIQUE

这个执行计划树表示在EMP_IDX索引上执行一个索引扫描，然后ENAME数据被按照ROWID从表中取了出来，最后这些数据被ORDER BY操作归类。如果EMP表大的话，那么这个执行计划树的最后一步可能花较长的时间。

假设我们解释如下查询：

select deptno, ename

from emp

where deptno between 1 and 30

order by deptno;

那么执行树为：

TABLE ACCESS ( BY ROWID) EMP

INDEX (RANGE SCAN) EMP_IDX NON_UNIQUE

请注意，虽然在查询时使用了order by，但在执行树中并未出现SORT (ORDER BY)。为什么呢？不使用SORT有二个原因：1) deptno列上已经建立了index，已作过sort；2)deptno被定义为not null(如：DEPTNO NOT NULL NUMBER)。

假设下面这个普通的连接查询：

SELECT *

from emp. dept

where emp.deptno=dept.deptno

and sal >5000;

执行树为：

NESTED LOOPS ()

TABLE ACCESS (FULL)DEPT

TABLE ACCESS (BY ROWID)EMP

INDEX (RANGE SCAN) EMP_IDX NON_UNIQUE

NESTED LOOPS意味着在一个表(DEPT)上作了一个序列查询，同时在EMP表上的索引EMP_IDX中，每一个DEPTNO均作查找。这个查询被称为一个驱动表( driving table )。在这种情况下，驱动表是DEPT。在这种类型的连接中，驱动表是被列在后面的表。因为两个表有相同级别的搜索路径 (都在deptno列上有非唯一的索引) ，既然至少有一个表上的所有记录必须被检索，那么在一个表上执行全表扫描，同时在另一个表的索引上寻找符合条件的记录是比较有效的。

这种情况下，我们应把具有最少列的表作为驱动表放在from子句的最后，注意，在这种类型的连接中，from子句中表的先后次序决定了RDBMS的搜索路径。如果where条件是有一个是返回一个单记录的话，那么以上查询中的驱动表应使用连接查询。假设在EMP表的EMPNO列上有一个唯一索引，那么以下SQL语句：

SELECT *

from EMP, DEPT

WHERE EMP.DEPTNO=DEPT.DEPTNO

AND EMPNO=7735;

的执行树是：

NESTED LOOPS ( )

TABLE ACCESS (BY ROWID) EMP

INDEX (UNIQUE SCAN) EMP_UIDX UNIQUE

TABLE ACCESS (BY ROWID)DEPT

INDEX (RANGE SCAN) DEPT_IDX NON_UNIQUE

这个执行计划表示NESTED LOOPS只会执行一次，因为在驱动表EMP上执行了一个唯一索引检索。同时，在DEPT_IDX上进行索引检索。如果可以找到记录，那么可以根据ROWID取得这条记录。

在Explain的输出中还可以看出其它的操作情况。例如查询中包括一个“connect by prior...”子句时，要使用connect by操作，RDBMS会根据连接条件在表上执行树遍历。我们刚才查询的执行计划树就是一个这样的例子。我们可以在这个查询中使用Explain并检查输出。

我们还可以使用其它操作，例如FILTERS、PROJECT、UNION等。下面这个查询作一个FILTER操作：

SELECT DEPTNO, AVG (SAL), SUM(COM)

from emp

Group by deptno

having SUM(COMM)>500;

执行计划如下：

FILTERS ( )

SORT (GROUP BY)

TABLE ACCESS (FULL) EMP

执行完sort操作后，FILTERS会找出所有COMM大于500的记录。

PROJECT操作不太常见。当使用MINUS和UNIONS在所有的列上查询这些列的一个子集时才会用到。如果在SQL语句中使用了MINUS和UNION，那么在执行计划中我们也可以找到这两个操作。



视图：

我们还可以用EXPLAIN解释虚拟表或视图。因为应用中也会使用到，所以这样作是很有用的。我们只需对检索视图的查询使用EXPLAIN，就可以找到视图的搜索路径。假设如下视图：

create view EMP_VIEW AS

SELECT *

FROM EMP

WHERE DEPTNO>20;

如果只是从视图中查询，那么执行计划树如下：

TABLE ACCESS (BY) ROWID EMP

INDEX (RANGE SCAN) EMP_IDX NON_UNNIQUE

如果把这个视图与DEPT连接：

SELECT ENAME, LOC

FROM EMP_VIEWS, DEPT;

那么执行计划为：

NESTED LOOPS ()

TABLE ACCESS (FULL )DEPT

TABLE ACCESS (BY ROWID) EMP

INDEX (RANGE SCAN) EMP_IDX NON_UNIQUE

这与我们曾经提到的例子相似，如果在执行计划中某一步的操作是“view’，这是另一个操作，用于完成它的上一级操作。在视图定义在二个或多个表连接的情况下，会用到VIEW操作，这是一种不同的情况。

如果你需要在你的应用中使用视图，那么应该先确定这些视图会对你的性能有很大的益处。Oracle工程师经常发现在许多应用系统中，不正确的使用视图，这样对性能毫无益处。



限制：

虽然任何SQL语句都可以用EXPLAIN解释，但对于没有查询的INSERT，UPDATE，DELETE操作来说，这个工具并没有太大的用处。没有子查询的INSERT操作不会创建执行计划，但没有WHERE子句或子查询的UPDATE和DELETE操作会创建执行计划，因为这些操作必须先找出所要的记录。

另外，如果你在SQL语句中使用其它类型如sequence等，EXPLAIN也能揭示它的用法。

EXPLAIN真正的唯一的限制是用户不能去解释其它用户的表，视图，索引或其它类型，用户必须是所有被解释事物的所有者，如果不是所有者而只有select权限，EXPLAIN会返回一个错误。



总结：

优化应用不但需要了解整个数据库的结构，而且还必须对各种SQL语句的结构有相当的知识。你可以使用Explain这个工具来确认你使用的搜索路径是否是最快的一种。在优化应用时，SQL语句的优化应该是最先考虑的，然后再考虑数据库与操作系统的优化。