04_关系系统及其查询优化

May 12, 2010 8
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
代价分析 1 ： Q1
对于 Q1 ，假设读取表的策略为：一个块能装 10 个 Student 元组或 100 个 SC 元 组，在内存中存放 5 块 Student 元组和 1 块 SC 元组，每秒读写 20 块。 1 、计算笛卡尔积： 读 SC 表 20 遍，每遍 100 块 读取所有数据库记录到内存所需时间： 需读取总块数为 1000/10 + 1000/(10*5) * 10000/100 = 100 + 20*100 = 2100 块，总计花费 2100/20=105 秒 读 Student 表 100 块 从内存写到中间文件读取笛卡儿积所需时间： 计算笛卡尔积后生成元组数为 103*104=107 个。设每块能装 10 个元组 ，则将积结果块从内存写到中间文件为 107/10/20=5*104 秒 2 、选择操作 需要将笛卡尔积结果块从中间文件读入内存，需要的时间同样为 107/10/20=5*104 秒。 3 、投影：假设选择操作后得到的结果仅 50 个元组，最后在此基础上作投影操 作，时间可以忽略。 因此，忽略内存代价，执行 Q1 的总时间约为 105+2*5*104 秒
第四章 RDBMS 及其查询优化
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
2010年5月12日
1
4.1 RDBMS
RDBMS 与关系模型的关系？ 支持关系模型的数据库管理系统是 RDBMS ？ 一个实际的 RDBMS 必须完全支持关系模型？ 只有完全支持关系模型的系统才能称为 RDBMS ？ 什么样的系统可以定义为 RDBMS ？
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
11
4.2.3 查询优化的一般准则
选择运算应尽可能先做 在执行连接前对关系适当地预处理（建立索引， 排序） 将投影运算和选择运算同时进行 将投影同其前或其后的双目运算结合起来，减少 扫描关系的次数 将某些选择同在它前面要执行的笛卡尔积结合起 来成为一个连接运算，连接运算比笛卡尔积省很 多时间 找出公共子表达式
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
9
代价分析 2 ： Q2
1 、计算自然连接 需要读取的总块数和花费的时间为仍为 2100 块和 105 秒 自然连接后生成的元组数为 104 个，设每块能装 10 个元组，则计 算完自然连接后将这些块从内存写到中间文件时间均为 104/10/20=50 秒。 2 、选择操作 需要将连接后的结果从中间文件读入内存，需要的时间同样为 50 秒。 3 、投影操作：时间可以忽略 因此，忽略内存代价，执行 Q1 的总时间约为 105+2*50 = 205 秒
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
12
4.2.4 关系代数等价变换规则
各种关系查询语言都可以等价地转换为关系代 数表达式，因此关系代数表达式的优化是查询 优化的基本课题 研究关系代数表达式的优化最后从其等价变换 规则开始
F F
2 ）连接、笛卡尔积的结合 ( E1 × E2 ) × E3 ≡ E1 × ( E2 × E3 ) ( E1 E2 ) E3 ≡ E1 ( E2 E3 ) ( E1 E2 ) E3 ≡ E1 ( E2 E3 )
F1 F2 F1 F2
3 ）投影的串接
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
13
常用的关系代数等价变换规则
1 ）连接、笛卡尔积的交换
E1 × E2 ≡ E2 × E1 E1 E2 ≡ E2 E1 E1 E2 ≡ E2 E1
Π
A1, A 2 ,..., An
(Π
B1, B 2 ,..., Bm
( E )) ≡ Π
A1, A 2 ,..., An
( E ),
其中A1,..., An是B1,..., Bm的子集
4 ）选择的串接
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
2
4.1.1 RDBMS 的定义
一个系统可以定义为 RDBMS ，当且仅当它： (1) 支持关系数据库 ( 关系数据结构 ) ：表 (2) 支持选择、投影和 ( 自然 ) 连接运算，且对这 些运算不必要求任何物理存储路径
Q1 = Π Q2 = Π Q3 = Π
Sname
(σ Student .Sno =
SC . Sno ∧ SC .Cno = ' 2 '
( Student × SC ))或
Sname Sname
(σ SC .Cno = ' 2 ' ( Student SC ))或 ( Student σ SC .Cno = ' 2 ' ( SC ))
May 12, 2010
5
4.2 RDBMS 的查询优化
说明
查询处理是 RDBMS 的核心，而查询优化技术是查询处 理的关键技术
查询优化的目标
选择有效的策略，求得给定表达式的值
SQL 、关系代 数等表达式
查询优化的优点
使得用户在表达查询时不必过多考虑查询效率问题 RDBMS 将通过优化器 (Optimizer) 自动进行查询优化
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
May 12, 2010
10
代价分析 3 ： Q3
1 、选择运算 先对 SC 表作选择运算，只需读一遍 SC 表，存取 100 块 花费时间为 100/20 ＝ 5 秒。因为满足条件的元祖仅 50 个，不必使用中间文件。 2 、自然连接 读取 Student 表，把读入的 Student 元组和内存中的 SC 元组作连接。也只需读一遍 Student 表共 100 块花费时 间为 5 秒 3 、投影运算：时间可以忽略 因此 ，同 忽样的查询通过不 略内存代价，执行 Q1 的总时间约为 5+ 5 = 10 秒 可 见， 同的执行过程， 其效率 相差很 大， 因此有必要进行查询优化。
σ
F1
(σ
F2
( E )) ≡ σ
F 1∧ F 2
(E)
May 12, 2010 14
常用的关系代数等价变换规则 ( 续 )
5 ）选择与投影的交换 6 ）选择与笛卡尔积的交换
如果F中涉及的属性都是E1中的属性， 则σ F ( E1 × E2 ) ≡ σ F ( E1 ) × E 2 如果F = F1 ∧ F 2, 且F1只涉及E1中的属性，F 2只涉及E 2中的属性， 则σ F ( E1 × E2 ) ≡ σ 则σ F ( E1 × E2 ) ≡ σ
F1
σ F (Π
A1, A 2 ,..., An
( E )) ≡ Π
A1, A 2 ,..., An
(σ F ( E ))
( E1 ) × σ (σ
F1
F2
( E 2)
如果F1只涉及E1中的属性, F 2涉及E1和E 2两者的属性，
F2
( E1 ) × E 2)
7 ）选择与并的交换 设E = E1 ∪ E2 , E1 , E2有相同的属性名，
常用的关系代数等价变换规则 ( 续 )
9 ）投影与笛卡尔积的交换
设两个关系E1和E 2, 且A1,..., An是E1的属性，B1,..., Bm是E2的属性， 则Π
A1, A 2 ,..., An , B1, B 2 ,..., Bm
( E1 × E2 )) ≡ Π
A1, A 2 ,..., An
Ｓ Ｉ
用阴影表示支持程度
电子与信息工程系
The Department of Electronics & Information Engineering
Ｍ
May 12, 2010
4
4.1.2 RDBMS 的分类
表式关系：
仅支持关系数据结构
Ｓ
Ｍ Ｉ
最小 RDBMS ：
仅支持关系数据结构和三种关系操作 ，如 FoxBASE, FoxPro
假设：学生 - 课程数据库中有 1000 个学生记录， 10000 个选 课记录，其中选修 2 号课程的选课记录为 50 个 SQL ：SELECT Student.Sname FROM Student, SC WHERE Student.Sno = SC.Sno AND o = ‘2’; 关系代数：
( E1 ) × Π
B1, B 2 ,..., Bm
( E2 )
10 ）投影与并的交换
设E1和E2有相同的属性名，则 Π