淺談SQL Server中的三種物理串連操作

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在SQL Server中，我們所常見的表與表之間的Inner Join,Outer Join都會被執行引擎根據所選的列，資料上是否有索引，所選資料的選擇性轉化為Loop Join,Merge Join,Hash Join這三種物理串連中的一種。理解這三種物理串連是理解在表串連時解決效能問題的基礎，下面我來對這三種串連的原理，適用情境進行描述。

嵌套迴圈串連(Nested Loop Join)

迴圈嵌套串連是最基本的串連,正如其名所示那樣，需要進行迴圈嵌套，嵌套迴圈是三種方式中唯一支援不等式串連的方式，這種串連方式的過程可以簡單的用展示:

圖1.迴圈嵌套串連的第一步 

圖2.迴圈嵌套串連的第二步 

由上面兩個圖不難看出，迴圈嵌套串連尋找內部迴圈表的次數等於外部迴圈的行數，當外部迴圈沒有更多的行時，迴圈嵌套結束。另外，還可以看出，這種串連方式需要內部迴圈的表有序（也就是有索引），並且外部迴圈表的行數要小於內部迴圈的行數，否則查詢分析器就更傾向於Hash Join(會在本文後面講到)。

通過嵌套迴圈串連也可以看出，隨著資料量的增長這種方式對效能的消耗將呈現出指數層級的增長，所以資料量到一定程度時，查詢分析器往往就會採用這種方式。

下面我們通過例子來看一下迴圈嵌套串連,利用微軟的AdventureWorks資料庫:

圖3.一個簡單的嵌套迴圈串連 

圖3中ProductID是有索引的，並且在迴圈的外部表格中（Product表）符合ProductID=870的行有4688條，因此，對應的SalesOrderDetail表需要尋找4688次。讓我們在上面的查詢中再考慮另外一個例子,4所示。

圖4.額外的列帶來的額外的書籤尋找 

由圖4中可以看出，由於多選擇了一個UnitPrice列，導致了串連的索引無法覆蓋所求查詢，必須通過書籤尋找來進行，這也是為什麼我們要養成只Select需要的列的好習慣，為瞭解決上面的問題，我們既可以用覆蓋索引，也可以減少所需的列來避免書籤尋找。另外，上面符合ProductID的行僅僅只有5條，所以查詢分析器會選擇書籤尋找，假如我們將合格行進行增大，查詢分析器會傾向於表掃描（通常來說達到表中行數的1%以上往往就會進行table scan而不是書籤尋找，但這並不絕對），5所示。

圖5.查詢分析器選擇了表掃描 

可以看出，查詢分析器此時選擇了表掃描來進行串連，這種方式效率要低下很多，因此好的覆蓋索引和Select *都是需要注意的地方。另外，上面情況即使涉及到表掃描，依然是比較理想的情況，更糟糕的情況是使用多個不等式作為串連時，查詢分析器即使知道每一個列的統計分布，但卻不知道幾個條件的聯合分布，從而產生錯誤的執行計畫,6所示。

圖6.由於無法預估聯合分布，導致的偏差 

由圖6中，我們可以看出，估計的行數和實際的行數存在巨大的偏差，從而應該使用表掃描但查詢分析器選擇了書籤尋找，這種情況對效能的影響將會比表掃描更加巨大。具體大到什麼程度呢？我們可以通過強製表掃描和查詢分析器的預設計划進行比對，7所示。

圖7.強製表掃描效能反而更好 

合并串連(Merge Join)

談到合并串連，我突然想起在西雅圖參加SQL Pass峰會晚上酒吧排隊點酒，由於我和另外一哥們站錯了位置，貌似我們兩個在插隊一樣，我趕緊說:I’m sorry,i thought here is end of line。對方無不幽默的說:”It’s OK,In SQL Server,We called it merge join”。

由上面的小故事不難看出，Merge Join其實上就是將兩個有序隊列進行串連，需要兩端都已經有序，所以不必像Loop Join那樣不斷的尋找迴圈內部的表。其次，Merge Join需要表串連條件中至少有一個等號查詢分析器才會去選擇Merge Join。

Merge Join的過程我們可以簡單用下面圖進行描述:

圖8.Merge Join第一步 

Merge Join首先從兩個輸入集合中各取第一行，如果匹配，則返回匹配行。加入兩行不匹配，則有較小值的輸入集合+1，9所示。

圖9.更小值的輸入集合向下進1 

用C#代碼錶示Merge Join的話如代碼1所示。

C# 

public class MergeJoin{    // Assume that left and right are already sorted    public static Relation Sort(Relation left, Relation right)    {        Relation output = new Relation();        while (!left.IsPastEnd() && !right.IsPastEnd())        {            if (left.Key == right.Key)            {                output.Add(left.Key);                left.Advance();                right.Advance();            }            else if (left.Key < right.Key)                left.Advance();            else //(left.Key > right.Key)                right.Advance();        }        return output;    }}

 

代碼1.Merge Join的C#代碼錶示

因此，通常來說Merge Join如果輸入兩端有序，則Merge Join效率會非常高，但是如果需要使用顯式Sort來保證有序實現Merge Join的話，那麼Hash Join將會是效率更高的選擇。但是也有一種例外，那就是查詢中存在order by,group by,distinct等可能導致查詢分析器不得不進行顯式排序，那麼對於查詢分析器來說，反正都已經進行顯式Sort了,何不一石二鳥的直接利用Sort後的結果進行成本更小的MERGE JOIN？在這種情況下，Merge Join將會是更好的選擇。

另外，我們可以由Merge Join的原理看出，當串連條件為不等式(但不包括!=)，比如說> < >=等方式時，Merge Join有著更好的效率。

下面我們來看一個簡單的Merge Join,這個Merge Join是由叢集索引和非叢集索引來保證Merge Join的兩端有序，10所示。

圖10.由叢集索引和非叢集索引保證輸入兩端有序

當然，當Order By,Group By時查詢分析器不得不用顯式Sort,從而可以一箭雙鵰時，也會選擇Merge Join而不是Hash Join,11所示。

圖11.一箭雙鵰的Merge Join

雜湊匹配(Hash Join)

雜湊匹配串連相對前面兩種方式更加複雜一些，但是雜湊匹配對於大量資料，並且無序的情況下效能均好於Merge Join和Loop Join。對於串連列沒有排序的情況下(也就是沒有索引)，查詢分析器會傾向於使用Hash Join。

雜湊匹配分為兩個階段,分別為產生和探測階段，首先是產生階段，第一階段產生階段具體的過程可以12所示。

圖12.雜湊匹配的第一階段

圖12中，將輸入源中的每一個條目經過散列函數的計算都放到不同的Hash Bucket中，其中Hash Function的選擇和Hash Bucket的數量都是黑盒，微軟並沒有公布具體的演算法，但我相信已經是非常好的演算法了。另外在Hash Bucket之內的條目是無序的。通常來講，查詢最佳化工具都會使用串連兩端中比較小的哪個輸入集來作為第一階段的輸入源。

接下來是探測階段，對於另一個輸入集合，同樣針對每一行進行散列函數，確定其所應在的Hash Bucket,在針對這行和對應Hash Bucket中的每一行進行匹配，如果匹配則返回對應的行。

通過瞭解雜湊匹配的原理不難看出，雜湊匹配涉及到散列函數，所以對CPU的消耗會非常高，此外，在Hash Bucket中的行是無序的，所以輸出結果也是無序的。圖13是一個典型的雜湊匹配，其中查詢分析器使用了表資料量比較小的Product表作為產生，而使用資料量大的SalesOrderDetail表作為探測。

圖13.一個典型的雜湊匹配串連

上面的情況都是記憶體可以容納下產生階段所需的記憶體，如果記憶體吃緊，則還會涉及到Grace雜湊匹配和遞迴雜湊匹配，這就可能會用到TempDB從而吃掉大量的IO。這裡就不細說了,有興趣的同學可以移步:http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/aa178403(v=SQL.80).aspx。

總結

下面我們通過一個表格簡單總結這幾種串連方式的消耗和使用情境:

	嵌套迴圈串連	合并串連	雜湊串連
適用情境	外層迴圈小，記憶體迴圈條件列有序	輸入兩端都有序	資料量大，且沒有索引
CPU	低	低（如果沒有顯式排序）	高
記憶體	低	低（如果沒有顯式排序）	高
IO	可能高可能低	低	可能高可能低

理解SQL Server這幾種物理串連方式對於效能調優來說必不可少，很多時候當篩選條件多表串連多時，查詢分析器就可能不是那麼智能了，因此理解這幾種串連方式對於定位問題變得尤為重要。此外，我們也可以通過從業務角度減少查詢範圍來減少低下效能串連的可能性。

 

原文連結:

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dn144699.aspx

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