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第4章 关系系统及其查询优化 关系系统 关系系统的查询优化 关系系统的分类 关系系统及其查询优化 查询优化的一般准则 关系代数等价变换规则
关系系统的定义 关系系统的分类 关系系统的查询优化 关系系统及其查询优化 查询优化的一般准则 关系代数等价变换规则 关系代数表达式的优化算法 优化的一般步骤 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.1 关系系统 4.1.1 关系系统的定义 支持关系模型的关系数据库管理系统简称关系系统。 下述关系的DBMS不能称为关系系统
不支持关系数据结构的系统 支持关系数据结构，但无δ、π、 运算功能的系统 支持关系数据结构，有δ、π、 运算，但要求定义物理 存取路径的系统 可称为关系系统的DBMS，当且仅当 1）支持关系数据结构（关系数据库） 2）支持δ、π、 运算，且不要求用户定义任何物理存取路径 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.1.2 关系系统的分类 1．表式系统： 2．（最小）关系系统： 3．关系完备系统： 4．全关系系统：
仅支持关系数据结构，不支持集合级的操作。（不能算关系系统） 2．（最小）关系系统： 支持关系数据结构，支持δ、π、 运算，且不定义物理路径。 3．关系完备系统： 支持关系数据结构和所有关系代数操作（或功能上与关系代数等价）。DBⅡ,ORACLE,SYBASE,…属于这一类。 4．全关系系统： 支持关系模型的所有特征。在关系完备系统的基础上，进一步支持实体完整性和参照完整性等。DBⅡ,ORACLE,SYBASE, …已接近这个目标。目前尚无全关系系统。 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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× √ 关系系统分类 表式系统 全关系系统 数据结构 数据操作 完整性约束 表 (最小)关系系统 选择、投影、连接 关系完备的系统
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4.2 关系数据库系统的查询优化 4.2.1 关系系统及其查询优化 查询处理的过程 数据 有关数据的统计信息 语法分析与翻译 查询语句
关系代数表达式 优化器 执行引擎 查询输出 执行计划 数据 有关数据的统计信息 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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优化器可以从数据字典中获取许多统计信息，从而选择有效的执行计划；
系统优化 优化器可以从数据字典中获取许多统计信息，从而选择有效的执行计划； 如果数据库的物理统计信息改变了，系统可以自动对查询进行重新优化以选择相适应的执行计划； 优化器可以考虑数百种不同的执行计划； 优化器中包括了很多复杂的优化技术。 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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实际系统的查询优化步骤 1. 将查询转换成某种内部表示，通常是语法树 2. 根据一定的等价变换规则把语法树转换成标准（优化）形式
3. 选择低层的操作算法 对于语法树中的每一个操作 根据存取路径、数据的尺寸、数据的存储分布、存储数据的聚簇等信息来计算各种执行算法的执行代价 选择代价小的执行算法 4. 生成查询计划(查询执行方案) 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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代价模型 用启发式规则来缩减查询计划的搜索空间 利用统计信息估算执行代价 基于代价（目前商品化RDBMS大都采用）
常用查询优化技术 用启发式规则来缩减查询计划的搜索空间 利用统计信息估算执行代价 基于代价（目前商品化RDBMS大都采用） 代价模型 集中式数据库 单用户系统：总代价 = I/O代价 + CPU代价 多用户系统：总代价 = I/O代价 + CPU代价 + 内存代价 分布式数据库 总代价 = I/O代价 + CPU代价 [+ 内存代价] + 通信代价 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.2.2 一个实例 假设： 例. 求选2号课程的学生姓名 数据量：Student:1000条；SC:10000条；选修2号课程:50条
SELECT Student.Sname FROM Student，SC WHERE Student.Sno = SC.Sno AND Cno = ‘2’； 假设： 数据量：Student:1000条；SC:10000条；选修2号课程:50条 一个内存块装元组:10个Student或100个SC，内存中可以 存放:5块Student元组和1块SC元组 读写速度：20块/秒 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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1. Ｑ1＝ ПSname(бStudent.Sno=SC.Sno ∧SC.Cno=‘c2‘ (Student×SC))
= 1000/10+(1000/(10×5)) ×(10000/100) = 2100 读数据时间=2100/20=105秒 中间结果大小 = 1000*10000 = (1千万条元组) 写中间结果时间 = /10/20 = 50000秒 ② 选择操作(б) 读数据时间 = 50000秒 ③ 投影(П) 总时间 =105＋50000＋50000秒 = 秒 = 27.8小时 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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2. Ｑ2＝ ПＳname(бSC.Cno=' 2' (Student SC)) ①自然连接( ) 读取总块数= 2100块
①自然连接( ) 读取总块数= 2100块 读数据时间=2100/20=105秒 中间结果大小=10000（即SC表中记录条数，减少1000倍） 写中间结果时间=10000/10/20=50秒 ②选择操作(б) 读数据时间=50秒 ③投影(П) 总时间＝105＋50＋50秒＝205秒=3.4分 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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3. Ｑ2＝ ПSname(Student бSC.Cno=' 2' (SC)) ①选择操作(б)
读数据时间=100/20=5秒 中间结果大小=50条 （不必使用中间文件） ②自然连接（ ） 读Student表总块数= 1000/10=100块 ③ 投影(П) 总时间＝5＋5秒＝10秒 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.2.3 查询优化的一般准则 选择运算应尽可能先做 在执行连接操作前对关系适当进行预处理 （索引连接方法和排序合并连接方法）
选择运算应尽可能先做 在执行连接操作前对关系适当进行预处理 （索引连接方法和排序合并连接方法） 投影运算和选择运算同时做 将投影运算与其前后的双目运算结合（连接、并、差、交等） 选择运算和笛卡尔积运算结合（等值连接比笛卡儿积省时间） 提取公共子表达式（例如，定义视图的表达式） 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.2.4 关系代数等价变换规则 l. 连接、笛卡尔积交换律 2. 连接、笛卡尔积的结合律 3. 投影的串接定律 4. 选择的串接定律
5. 选择与投影的交换律 6. 选择与笛卡尔积的交换律 7. 选择与并的交换 8. 选择与差运算的交换 9. 投影与笛卡尔积的交换 l0. 投影与并的交换 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.2.5 关系代数表达式的优化算法 分解选择运算 通过交换选择运算，将其尽可能移到叶端 通过交换投影运算，将其尽可能移到叶端
合并串接的选择和投影，以便能同时执行或在一次扫描中完成 对内结点分组 生成程序 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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4.2.6 优化的一般步骤 1．把查询转换成某种内部表示 2．代数优化：把语法树转换成标准（优化）形式 3．物理优化：选择低层的存取路径
4．生成查询计划，选择代价最小的 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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Sname Student.Sno=Sc.Sno Sc.Sno=‘2’ Sname × Sc.Sno=‘2’
Join(Student.Sno=SC.Sno) Select(SC.Cno=‘2’) Project(Sname) 结 果 × Student.Sno=Sc.Sno Sc.Sno=‘2’ Sname SC Student Student.Sno=Sc.Sno Sc.Sno=‘2’ × Student SC Sname 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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小 结 关系系统 关系系统的查询优化 关系系统的定义 关系系统的分类 关系系统及其查询优化 查询优化的一般准则 关系代数等价变换规则
小 结 关系系统 关系系统的定义 关系系统的分类 关系系统的查询优化 关系系统及其查询优化 查询优化的一般准则 关系代数等价变换规则 关系代数表达式的优化算法 优化的一般步骤 2019年11月16日12时20分2019年11月16日12时20分 数据库原理
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