作者 | 董旭陽TonyDong
出品 | CSDN 博客
執行計劃（execution plan，也叫查詢計劃或者解釋計劃）是數據庫執行 SQL 語句的具體步驟，例如通過索引還是全表掃描訪問表中的數據，連接查詢的實現方式和連接的順序等。如果 SQL 語句性能不夠理想，我們首先應該查看它的執行計劃。本文主要介紹如何在各種數據庫中獲取和理解執行計劃，并給出進一步深入分析的參考文檔。
現在許多管理和開發工具都提供了查看圖形化執行計劃的功能，例如 MySQL Workbench、Oracle SQL Developer、SQL Server Management Studio、DBeaver 等；不過我們不打算使用這類工具，而是介紹利用數據庫提供的命令查看執行計劃。
我們先給出在各種數據庫中查看執行計劃的一個簡單匯總：
本文使用的示例表和數據可以點擊鏈接《SQL 入門教程》示例數據庫（https://tonydong.blog.csdn.net/article/details/86518676）。
MySQL 執行計劃
MySQL 中獲取執行計劃的方法很簡單，就是在 SQL 語句的前面加上EXPLAIN關鍵字：
EXPLAIN
SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
FROM employees e
JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
WHERE e.salary > 15000;
執行該語句將會返回一個表格形式的執行計劃，包含了 12 列信息：
id|select_type|table|partitions|type |possible_keys |key |key_len|ref |rows|filtered|Extra |
--|-----------|-----|----------|------|-----------------|-------|-------|--------------------|----|--------|-----------|
1|SIMPLE |e | |ALL |emp_department_ix| | | | 107| 33.33|Using where|
1|SIMPLE |d | |eq_ref|PRIMARY |PRIMARY|4 |hrdb.e.department_id| 1| 100| |
MySQL 中的EXPLAIN支持 SELECT、DELETE、INSERT、REPLACE 以及 UPDATE 語句。
接下來，我們要做的就是理解執行計劃中這些字段的含義。下表列出了 MySQL 執行計劃中的各個字段的作用：
對于上面的示例，只有一個 SELECT 子句，id 都為 1；首先對 employees 表執行全表掃描（type = ALL），處理了 107 行數據，使用 WHERE 條件過濾后預計剩下 33.33% 的數據（估計不準確）；然后針對這些數據，依次使用 departments 表的主鍵（key = PRIMARY）查找一行匹配的數據（type = eq_ref、rows = 1）。
使用 MySQL 8.0 新增的 ANALYZE 選項可以顯示實際執行時間等額外的信息：
id|select_type|table|partitions|type |possible_keys |key |key_len|ref |rows|filtered|Extra |
--|-----------|-----|----------|------|-----------------|-------|-------|--------------------|----|--------|-----------|
1|SIMPLE |e | |ALL |emp_department_ix| | | | 107| 33.33|Using where|
1|SIMPLE |d | |eq_ref|PRIMARY |PRIMARY|4 |hrdb.e.department_id| 1| 100| |
其中，Nested loop inner join 表示使用嵌套循環連接的方式連接兩個表，employees 為驅動表。cost 表示估算的代價，rows 表示估計返回的行數；actual time 顯示了返回第一行和所有數據行花費的實際時間，后面的 rows 表示迭代器返回的行數，loops 表示迭代器循環的次數。
關于 MySQL EXPLAIN 命令的使用和參數，可以參考 MySQL 官方文檔 EXPLAIN 語句（https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/explain.html）。
關于 MySQL 執行計劃的輸出信息，可以參考 MySQL 官方文檔理解查詢執行計劃（https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/execution-plan-information.html）。
Oracle 執行計劃
Oracle 中提供了多種查看執行計劃的方法，本文使用以下方式：
- 使用EXPLAIN PLAN FOR命令生成并保存執行計劃；
- 顯示保存的執行計劃。
首先，生成執行計劃：
EXPLAIN PLAN FOR
SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
FROM employees e
JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
WHERE e.salary > 15000;
EXPLAIN PLAN FOR命令不會運行 SQL 語句，因此創建的執行計劃不一定與執行該語句時的實際計劃相同。
該命令會將生成的執行計劃保存到全局的臨時表 PLAN_TABLE 中，然后使用系統包 DBMS_XPLAN 中的存儲過程格式化顯示該表中的執行計劃。以下語句可以查看當前會話中的最后一個執行計劃：
SELECT * FROM TABLE(DBMS_XPLAN.display);
PLAN_TABLE_OUTPUT |
--------------------------------------------------------------------------------------------|
Plan hash value: 1343509718 |
|
--------------------------------------------------------------------------------------------|
| Id | Operation | Name | Rows | Bytes | Cost (%CPU)| Time ||
--------------------------------------------------------------------------------------------|
| 0 | SELECT STATEMENT | | 44 | 1672 | 6 (17)| 00:00:01 ||
| 1 | MERGE JOIN | | 44 | 1672 | 6 (17)| 00:00:01 ||
| 2 | TABLE ACCESS BY INDEX ROWID| DEPARTMENTS | 27 | 432 | 2 (0)| 00:00:01 ||
| 3 | INDEX FULL SCAN | DEPT_ID_PK | 27 | | 1 (0)| 00:00:01 ||
|* 4 | SORT JOIN | | 44 | 968 | 4 (25)| 00:00:01 ||
|* 5 | TABLE ACCESS FULL | EMPLOYEES | 44 | 968 | 3 (0)| 00:00:01 ||
--------------------------------------------------------------------------------------------|
|
Predicate Information (identified by operation id): |
--------------------------------------------------- |
|
4 - access("E"."DEPARTMENT_ID"="D"."DEPARTMENT_ID") |
filter("E"."DEPARTMENT_ID"="D"."DEPARTMENT_ID") |
5 - filter("E"."SALARY">15000) |
Oracle 中的EXPLAIN PLAN FOR支持 SELECT、UPDATE、INSERT 以及 DELETE 語句。
接下來，我們同樣需要理解執行計劃中各種信息的含義：
- Plan hash value 是該語句的哈希值。SQL 語句和執行計劃會存儲在庫緩存中，哈希值相同的語句可以重用已有的執行計劃，也就是軟解析；
- Id 是一個序號，但不代表執行的順序。執行的順序按照縮進來判斷，縮進越多的越先執行，同樣縮進的從上至下執行。Id 前面的星號表示使用了謂詞判斷，參考下面的 Predicate Information；
- Operation 表示當前的操作，也就是如何訪問表的數據、如何實現表的連接、如何進行排序操作等；
- Name 顯示了訪問的表名、索引名或者子查詢等，前提是當前操作涉及到了這些對象；
- Rows 是 Oracle 估計的當前操作返回的行數，也叫基數（Cardinality）；
- Bytes 是 Oracle 估計的當前操作涉及的數據量
- Cost (%CPU) 是 Oracle 計算執行該操作所需的代價；
- Time 是 Oracle 估計執行該操作所需的時間；
- Predicate Information 顯示與 Id 相關的謂詞信息。access 是訪問條件，影響到數據的訪問方式（掃描表還是通過索引）；filter 是過濾條件，獲取數據后根據該條件進行過濾。
在上面的示例中，Id 的執行順序依次為 3 -> 2 -> 5 -> 4- >1。首先，Id = 3 掃描主鍵索引 DEPT_ID_PK，Id = 2 按主鍵 ROWID 訪問表 DEPARTMENTS，結果已經排序；其次，Id = 5 全表掃描訪問 EMPLOYEES 并且利用 filter 過濾數據，Id = 4 基于部門編號進行排序和過濾；最后 Id = 1 執行合并連接。顯然，此處 Oracle 選擇了排序合并連接的方式實現兩個表的連接。
關于 Oracle 執行計劃和 SQL 調優，可以參考 Oracle 官方文檔《SQL Tuning Guide》（https://docs.oracle.com/en/database/oracle/oracle-database/19/tgsql/）。
SQL Server 執行計劃
SQL Server Management Studio 提供了查看圖形化執行計劃的簡單方法，這里我們介紹一種通過命令查看的方法：
SET STATISTICS PROFILE ON
以上命令可以打開 SQL Server 語句的分析功能，打開之后執行的語句會額外返回相應的執行計劃：
SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
FROM employees e
JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
WHERE e.salary > 15000;
first_name|last_name|salary |department_name|
----------|---------|--------|---------------|
Steven |King |24000.00|Executive |
Neena |Kochhar |17000.00|Executive |
Lex |De Haan |17000.00|Executive |
Rows|Executes|StmtText |StmtId|NodeId|Parent|PhysicalOp |LogicalOp |Argument |DefinedValues |EstimateRows|EstimateIO |EstimateCPU|AvgRowSize|TotalSubtreeCost|OutputList |Warnings|Type |Parallel|EstimateExecutions|
----|--------|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|------|------|------|--------------------|--------------------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------|------------|------------|-----------|----------|----------------|----------------------------------------------------------------------|--------|--------|--------|------------------|
3| 1|SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name¶ FROM employees e¶ JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)¶ WHERE e.salary > 15000 | 1| 1| 0| | | | | 2.9719627| | | | 0.007803641| | |SELECT | 0| |
3| 1| |--Nested Loops(Inner Join, OUTER REFERENCES:([e].[department_id])) | 1| 2| 1|Nested Loops |Inner Join |OUTER REFERENCES:([e].[department_id]) | | 2.9719627| 0| 0| 57| 0.007803641|[e].[first_name], [e].[last_name], [e].[salary], [d].[department_name]| |PLAN_ROW| 0| 1|
3| 1| |--Clustered Index Scan(OBJECT:([hrdb].[dbo].[employees].[emp_emp_id_pk] AS [e]), WHERE:([hrdb].[dbo].[employees].[salary] as [e].[salary]>(15000.00))) | 1| 3| 2|Clustered Index Scan|Clustered Index Scan|OBJECT:([hrdb].[dbo].[employees].[emp_emp_id_pk] AS [e]), WHERE:([hrdb].[dbo].[employees].[salary] as [e].[salary]>(15000.00)) |[e].[first_name], [e].[last_name], [e].[salary], [e].[department_id]| 3|0.0038657407| 2.747E-4| 44| 0.004140441|[e].[first_name], [e].[last_name], [e].[salary], [e].[department_id] | |PLAN_ROW| 0| 1|
3| 3| |--Clustered Index Seek(OBJECT:([hrdb].[dbo].[departments].[dept_id_pk] AS [d]), SEEK:([d].[department_id]=[hrdb].[dbo].[employees].[department_id] as [e].[department_id]) ORDERED FORWARD)| 1| 4| 2|Clustered Index Seek|Clustered Index Seek|OBJECT:([hrdb].[dbo].[departments].[dept_id_pk] AS [d]), SEEK:([d].[department_id]=[hrdb].[dbo].[employees].[department_id] as [e].[department_id]) ORDERED FORWARD|[d].[department_name] | 1| 0.003125| 1.581E-4| 26| 0.0035993|[d].[department_name] | |PLAN_ROW| 0| 3|
SQL Server 中的執行計劃支持 SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE 以及 EXECUTE 語句。
SQL Server 執行計劃各個步驟的執行順序按照縮進來判斷，縮進越多的越先執行，同樣縮進的從上至下執行。接下來，我們需要理解執行計劃中各種信息的含義：
- Rows 表示該步驟實際產生的記錄數；
- Executes 表示該步驟實際被執行的次數；
- StmtText 包含了每個步驟的具體描述，也就是如何訪問和過濾表的數據、如何實現表的連接、如何進行排序操作等；
- StmtId，該語句的編號；
- NodeId，當前操作步驟的節點號，不代表執行順序；
- Parent，當前操作步驟的父節點，先執行子節點，再執行父節點；
- PhysicalOp，物理操作，例如連接操作的嵌套循環實現；
- LogicalOp，邏輯操作，例如內連接操作；
- Argument，操作使用的參數；
- DefinedValues，定義的變量值；
- EstimateRows，估計返回的行數；
- EstimateIO，估計的 IO 成本；
- EstimateCPU，估計的 CPU 成本；
- AvgRowSize，平均返回的行大小；
- TotalSubtreeCost，當前節點累計的成本；
- OutputList，當前節點輸出的字段列表；
- Warnings，預估得到的警告信息；
- Type，當前操作步驟的類型；
- Parallel，是否并行執行；
- EstimateExecutions，該步驟預計被執行的次數；
對于上面的語句，節點執行的順序為 3 -> 4 -> 2 -> 1。首先執行第 3 行，通過聚集索引（主鍵）掃描 employees 表加過濾的方式返回了 3 行數據，估計的行數（3.0841121673583984）與此非常接近；然后執行第 4 行，循環使用聚集索引的方式查找 departments 表，循環 3 次每次返回 1 行數據；第 2 行是它們的父節點，表示使用 Nested Loops 方式實現 Inner Join，Argument 列（OUTER REFERENCES:([e].[department_id])）說明驅動表為 employees ；第 1 行代表了整個查詢，不執行實際操作。
最后，可以使用以下命令關閉語句的分析功能：
sqlite> EXPLAIN QUERY PLAN
...> SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
...> FROM employees e
...> JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
...> WHERE e.salary > 15000;
QUERY PLAN
|--SCAN TABLE employees AS e
`--SEARCH TABLE departments AS d USING INTEGER PRIMARY KEY (rowid=?)
關于 SQL Server 執行計劃和 SQL 調優，可以參考 SQL Server 官方文檔執行計劃。
PostgreSQL 執行計劃
PostgreSQL 中獲取執行計劃的方法與 MySQL 類似，也就是在 SQL 語句的前面加上EXPLAIN關鍵字：
sqlite> EXPLAIN
...> SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
...> FROM employees e
...> JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
...> WHERE e.salary > 15000;
addr opcode p1 p2 p3 p4 p5 comment
---- ------------- ---- ---- ---- ------------- -- -------------
0 Init 0 15 0 00 Start at 15
1 OpenRead 0 5 0 11 00 root=5 iDb=0; employees
2 OpenRead 1 2 0 2 00 root=2 iDb=0; departments
3 Rewind 0 14 0 00
4 Column 0 7 1 00 r[1]=employees.salary
5 Le 2 13 1 (BINARY) 53 if r[1]<=r[2] goto 13
6 Column 0 10 3 00 r[3]=employees.department_id
7 SeekRowid 1 13 3 00 intkey=r[3]
8 Column 0 1 4 00 r[4]=employees.first_name
9 Column 0 2 5 00 r[5]=employees.last_name
10 Column 0 7 6 00 r[6]=employees.salary
11 Column 1 1 7 00 r[7]=departments.department_name
12 ResultRow 4 4 0 00 output=r[4..7]
13 Next 0 4 0 01
14 Halt 0 0 0 00
15 Transaction 0 0 8 0 01 usesStmtJournal=0
16 Integer 15000 2 0 00 r[2]=15000
17 Goto 0 1 0 00
PostgreSQL 中的EXPLAIN支持 SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE、VALUES、EXECUTE、DECLARE、CREATE TABLE AS 以及 CREATE MATERIALIZED VIEW AS 語句。
PostgreSQL 執行計劃的順序按照縮進來判斷，縮進越多的越先執行，同樣縮進的從上至下執行。對于以上示例，首先對 employees 表執行全表掃描（Seq Scan），使用 salary > 15000 作為過濾條件；cost 分別顯示了預估的返回第一行的成本（0.00）和返回所有行的成本（3.34）；rows 表示預估返回的行數；width 表示預估返回行的大小（單位 Byte）。然后將掃描結果放入到內存哈希表中，兩個 cost 都等于 3.34，因為是在掃描完所有數據后一次性計算并存入哈希表。接下來掃描 departments 并且根據 department_id 計算哈希值，然后和前面的哈希表進行匹配（d.department_id = e.department_id）。最上面的一行表明數據庫采用的是 Hash Join 實現連接操作。
PostgreSQL 中的EXPLAIN也可以使用 ANALYZE 選項顯示語句的實際運行時間和更多信息：
EXPLAIN ANALYZE
SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
FROM employees e
JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
WHERE e.salary > 15000;
QUERY PLAN |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
Hash Join (cost=3.38..4.84 rows=3 width=29) (actual time=0.347..0.382 rows=3 loops=1) |
Hash Cond: (d.department_id = e.department_id) |
-> Seq Scan on departments d (cost=0.00..1.27 rows=27 width=15) (actual time=0.020..0.037 rows=27 loops=1) |
-> Hash (cost=3.34..3.34 rows=3 width=22) (actual time=0.291..0.292 rows=3 loops=1) |
Buckets: 1024 Batches: 1 Memory Usage: 9kB |
-> Seq Scan on employees e (cost=0.00..3.34 rows=3 width=22) (actual time=0.034..0.280 rows=3 loops=1)|
Filter: (salary > '15000'::numeric) |
Rows Removed by Filter: 104 |
Planning Time: 1.053 ms |
Execution Time: 0.553 ms
EXPLAIN ANALYZE通過執行語句獲得了更多的信息。其中，actual time 是每次迭代實際花費的平均時間（ms），也分為啟動時間和完成時間；loops 表示迭代次數；Hash 操作還會顯示桶數（Buckets）、分批數量（Batches）以及占用的內存（Memory Usage），Batches 大于 1 意味著需要使用到磁盤的臨時存儲；Planning Time 是生成執行計劃的時間；Execution Time 是執行語句的實際時間，不包括 Planning Time。
關于 PostgreSQL 的執行計劃和性能優化，可以參考 PostgreSQL 官方文檔性能提示（https://www.postgresql.org/docs/12/performance-tips.html）。
SQLite 執行計劃
SQLite 也提供了EXPLAIN QUERY PLAN命令，用于獲取 SQL 語句的執行計劃：
sqlite> EXPLAIN QUERY PLAN
...> SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
...> FROM employees e
...> JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
...> WHERE e.salary > 15000;
QUERY PLAN
|--SCAN TABLE employees AS e
`--SEARCH TABLE departments AS d USING INTEGER PRIMARY KEY (rowid=?)
SQLite 中的EXPLAIN QUERY PLAN支持 SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE 等語句。
SQLite 執行計劃同樣按照縮進來顯示，縮進越多的越先執行，同樣縮進的從上至下執行。以上示例先掃描 employees 表，然后針對該結果依次通過主鍵查找 departments 中的數據。SQLite 只支持一種連接實現，也就是 nested loops join。
另外，SQLite 中的簡單EXPLAIN也可以用于顯示執行該語句的虛擬機指令序列：
sqlite> EXPLAIN
...> SELECT e.first_name,e.last_name,e.salary,d.department_name
...> FROM employees e
...> JOIN departments d ON (e.department_id = d.department_id)
...> WHERE e.salary > 15000;
addr opcode p1 p2 p3 p4 p5 comment
---- ------------- ---- ---- ---- ------------- -- -------------
0 Init 0 15 0 00 Start at 15
1 OpenRead 0 5 0 11 00 root=5 iDb=0; employees
2 OpenRead 1 2 0 2 00 root=2 iDb=0; departments
3 Rewind 0 14 0 00
4 Column 0 7 1 00 r[1]=employees.salary
5 Le 2 13 1 (BINARY) 53 if r[1]<=r[2] goto 13
6 Column 0 10 3 00 r[3]=employees.department_id
7 SeekRowid 1 13 3 00 intkey=r[3]
8 Column 0 1 4 00 r[4]=employees.first_name
9 Column 0 2 5 00 r[5]=employees.last_name
10 Column 0 7 6 00 r[6]=employees.salary
11 Column 1 1 7 00 r[7]=departments.department_name
12 ResultRow 4 4 0 00 output=r[4..7]
13 Next 0 4 0 01
14 Halt 0 0 0 00
15 Transaction 0 0 8 0 01 usesStmtJournal=0
16 Integer 15000 2 0 00 r[2]=15000
17 Goto 0 1 0 00
關于 SQLite 的執行計劃和優化器相關信息，可以參考 SQLite 官方文檔解釋查詢計劃。
版權聲明：本文為CSDN博主「董旭陽TonyDong」的原創文章。
