一、SQL ：一種熟悉又陌生的編程語言
這裏有幾個關鍵詞；“熟悉”、“陌生”、“編程語言”。
說它“熟悉”，是因爲它是DBA和廣大開發人員，操作數據庫的主要手段，幾乎每天都在使用。說它“陌生”，是很多人只是簡單的使用它，至於它是怎麼工作的？如何才能讓它更高效的工作？卻從來沒有考慮過。
這裏把SQL歸結爲一種“編程語言”，可能跟很多人對它的認知不同。讓我們看看它的簡單定義（以下內容摘自百度百科）
結構化查詢語言(Structured Query Language)，簡稱SQL，是一種特殊目的的編程語言，是一種數據庫查詢和程序設計語言，用於存取數據以及查詢、更新和管理關係數據庫系統。結構化查詢語言是高級的非過程化編程語言，允許用戶在高層數據結構上工作。它不要求用戶指定對數據的存放方法，也不需要用戶瞭解具體的數據存放方式，所以具有完全不同底層結構的不同數據庫系統, 可以使用相同的結構化查詢語言作爲數據輸入與管理的接口。結構化查詢語言語句可以嵌套，這使它具有極大的靈活性和強大的功能。
總結一句話，SQL是一種非過程化的的編程語言，可通過它去訪問關係型數據庫系統。
二、你真的瞭解“SQL”嗎？
下面我會通過一個小例子，看看大家是否真正瞭解SQL。
這是一個很簡單的示例，是關於SQL語句執行順序的。這裏將一個普通的SELECT語句，拆分爲三個子句。那麼在實際的執行過程中，是按照什麼順序處理的呢？這裏有A-F六個選項，大家可以思考選擇一下…
最終的答案是D，即按照先執行FROM子句，然後WHERE子句，最後是SELECT部分。
針對上面的示例，讓我們真實構造一個場景，通過查看執行計劃看看是否按照我們選擇的順序執行的。關於執行計劃的判讀，我後面會專門談到。這裏我先解釋一下整個執行過程。
- 第一步，是按照全表掃描的方式訪問了對象表(EMP)。對應於語句中的FROM部分。
- 第二步，是對提取出的結果集進行了過濾(filter部分)，即將滿足條件的記錄篩選出來。對應於語句中的WHERE部分。
- 第三步，是對滿足條件的記錄進行字段投射，即將需要顯示的字段提取出來。對應於語句中的SELECT部分。
這是一個詳細的SQL各部分執行順序的說明。
通過對執行順序的理解，可以爲我們未來的優化工作帶來很大幫助。一個很淺顯的認識就是，優化動作越靠前越好。
三、SQL現在是否仍然重要？
這裏引入了一個新的問題，在現有階段SQL語言是否還重要？
之所以引入這一話題，是因爲隨着NOSQL、NEWSQL、BIGDATA等技術逐步成熟推廣，“SQL語言在現階段已經變得不那麼重要”成爲一些人的觀點。那實際情況又是如何呢？
讓我們先來看一張經典的圖。圖中描述了傳統SMP架構的關係型數據庫、MPP架構的NEWSQL、MPP架構的NoSQL不同方案的適用場景對比。
從上面的“數據價值密度、實時性”來看，傳統關係型數據庫適合於價值密度更高、實時性要求更高的場景（這也就不難理解類似賬戶、金額類信息都是保存在傳統關係型數據庫中）；MPP架構的NewSQL次之，MPP架構的NoSQL更適合於低價值、實時性要求不高的場景。
從下面的“數據規模”來看，傳統關係型數據庫適合保存的大小限制在TB級別，而後兩者可在更大尺度上(PB、EB)級保存數據。
從下面的“典型場景”來看，傳統關係型數據庫適合於OLTP在線交易系統；MPP架構的NewSQL適合於OLAP在線分析系統；而NoSQL的使用場景較多(利於KV型需求、數據挖掘等均可以考慮)。
最後從“數據特徵”來看，前兩者適合於保存結構化數據，後者更適合於半結構化、乃至非結構化數據的保存。
歸納一下，不同技術有其各自特點，不存在誰代替誰的問題。傳統關係型數據庫有其自身鮮明特點，在某些場合依然是不二選擇。而作爲其主要交互語言，SQL必然長期存在發展下去。
我們再來對比一下傳統數據庫與大數據技術。從數據量、增長型、多樣化、價值等維度對比兩種技術，各自有其適用場景。
對於大數據領域而言，各種技術層出不窮。但對於廣大使用者來說，往往會存在一定的使用門檻，因此現在的一種趨勢就是在大數據領域也引入“類SQL”，以類似SQL的方式訪問數據。這對於廣大使用者來說，無疑大大降低了使用門檻。
解答一些疑問：
NoSQL、NewSQL已經超越了傳統數據庫，SQL沒有了用武之地！
各種技術有着各自適合的不同場景，不能一概而論。SQL語言作爲關係型數據庫的主要訪問方式，依然有其用武之地。
以後都是雲時代了，誰還用關係型數據庫！
對於價值密度高，嚴格一致性的場景，仍然適合採用關係型數據庫作爲解決方案。
我編程都是用OR Mapping工具，從不需要寫SQL！
的確，引入OR Mapping工具大大提高了生產效率，但是它的副作用也很明顯，那就是對語句的運行效率失去了控制。很多低效的語句，往往是通過工具直接生成的。這也是爲什麼有的Mapping工具還提供了原始的SQL接口，用來保證關鍵語句的執行效率。
大數據時代，我們都用Hadoop、Spark了，不用寫SQL啦！
無論是使用Hadoop、Spark都是可以通過編寫程序完成數據分析的，但其生產效率往往很低。這也是爲什麼產生了Hive 、Spark SQL等“類SQL”的解決方案來提高生產效率。
數據庫處理能力很強，不用太在意SQL性能！
的確，隨着多核CPU、大內存、閃存等硬件技術的發展，數據庫的處理能力較以前有了很大的增強。但是SQL的性能依然很重要。後面我們可以看到，一個簡單SQL語句就可以輕易地搞垮一個數據庫。
SQL優化，找DBA就行了，我就不用學了!
SQL優化是DBA的職責範疇，但對於開發人員來講，更應該對自己的代碼負責。如果能在開發階段就注重SQL質量，會避免很多低級問題。
我只是個運維DBA，SQL優化我不行！
DBA的發展可分爲“運維DBA->開發DBA->數據架構師…”。如果只能完成數據庫的運維類工作，無疑是技能的欠缺，也是對各人未來發展不利。況且，隨着Paas雲的逐步推廣，對於數據庫的運維需求越來越少，對於優化、設計、架構的要求越來越多。因此，SQL優化是每個DBA必須掌握的技能。
現在優化有工具了，很簡單的！
的確現在有些工具可以爲我們減少些優化分析工作，會自動給出一些優化建議。但是，作爲DBA來講，不僅要知其然，還要知其所以然。況且，數據庫優化器本身就是一個非常複雜的組件，很難做到完全無誤的優化，這就需要人工的介入，分析。
優化不就是加索引嘛，這有啥！
的確，加索引是一個非常常用的優化手段，但其不是唯一的。且很多情況下，加了索引可能導致性能更差。後面，會有一個案例說明。
四、SQL仍然很重要！
我們通過一個示例，說明一下理解SQL運行原理仍然很重要。
這是我在生產環境碰到的一個真實案例。Oracle數據庫環境，兩個表做關聯。執行計劃觸目驚心，優化器評估返回的數據量爲3505T條記錄，計劃返回量127P字節，總成本9890G，返回時間999:59:59。
從執行計劃中可見，兩表關聯使用了笛卡爾積的關聯方式。我們知道笛卡爾連接是指在兩表連接沒有任何連接條件的情況。一般情況下應儘量避免笛卡爾積，除非某些特殊場合。否則再強大的數據庫，也無法處理。這是一個典型的多表關聯缺乏連接條件，導致笛卡爾積，引發性能問題的案例。
從案例本身來講，並沒有什麼特別之處，不過是開發人員疏忽，導致了一條質量很差的SQL。但從更深層次來講，這個案例可以給我們帶來如下啓示：
- 開發人員的一個疏忽，造成了嚴重的後果，原來數據庫竟是如此的脆弱。需要對數據庫保持一種"敬畏"之心。
- 電腦不是人腦，它不知道你的需求是什麼，只能用寫好的邏輯進行處理。
- 不要去責怪開發人員，誰都會犯錯誤，關鍵是如何從制度上保證不再發生類似的問題。
五、SQL優化法則
下面我們來看看常見的優化法則。這裏所說的優化法則，其實是指可以從那些角度去考慮SQL優化的問題。可以有很多種方式去看待它。下面列舉一二。
這裏來自阿里-葉正盛的一篇博客裏的一張圖，相信很多人都看過。這裏提出了經典的漏斗優化法則，高度是指我們投入的資源，寬度是指可能實現的收益。從圖中可見，“減少數據訪問”是投入資源最少，而收益較多的方式；“增加硬件資源”是相對投入資源最多，而收益較少的一種方式。受時間所限，這裏不展開說明了。
這是我總結的一個優化法則，簡稱爲“DoDo”法則。
第一條，“Do Less or not do!”翻譯過來，就是儘量讓數據庫少做工作、甚至不做工作。
怎麼樣來理解少做工作呢？比如創建索引往往可以提高訪問效率，其原理就是將原來的表掃描轉換爲索引掃描，通過一個有序的結構，只需要少量的IO訪問就可以得到相應的數據，因此效率才比較高。這就可以歸納爲少做工作。
怎麼樣來理解不做工作呢？比如在系統設計中常見的緩存設計，很多是將原來需要訪問數據庫的情況，改爲訪問緩存即可。這樣既提高了訪問效率，又減少了數據庫的壓力。從數據庫角度來說，這就是典型的不做工作。
第二條，“If must do,do it fast!”翻譯過來，如果數據庫必須做這件事件，那麼請儘快做完它。
怎麼樣來理解這句話呢？比如數據庫裏常見的並行操作，就是通過引入多進程來加速原來的執行過程。加速處理過程，可以少佔用相關資源，提高系統整體吞吐量。
六、SQL 執行過程
SQL的執行過程比較複雜，不同數據庫有一定差異。下面介紹以兩種主流的數據庫（Oracle、MySQL）介紹一下。
- 用戶提交了一條SQL語句
- 數據庫按照SQL語句的字面值計算出一個HASH值
- 根據HASH值，判斷一下在數據庫緩衝區中是否存在此SQL的執行計劃。
- 如果不存在，則需要生成一個執行計劃(硬解析過程)，然後將結果存入緩衝區。
- 如果存在的話，判斷是否爲相同SQL（同樣HASH值的語句，可能字符不相同；即使完全相同，也可能代表不同的語句。這塊不展開說了）
- 確認是同一條SQL語句，則從緩衝區中取出執行計劃。
- 將執行計劃，交給執行器執行。
- 結果返回給客戶端。
- 客戶提交一條語句
- 現在查詢緩存查看是否存在對應的緩存數據，如有則直接返回(一般有的可能性極小，因此一般建議關閉查詢緩存)。
- 交給解析器處理，解析器會將提交的語句生成一個解析樹。
- 預處理器會處理解析樹，形成新的解析樹。這一階段存在一些SQL改寫的過程。
- 改寫後的解析樹提交給查詢優化器。查詢優化器生成執行計劃。
- 執行計劃交由執行引擎調用存儲引擎接口，完成執行過程。這裏要注意，MySQL的Server層和Engine層是分離的。
- 最終的結果有執行引擎返回給客戶端，如果開啓查詢緩存的話，則會緩存。
七、SQL優化器
在上面的執行過程描述中，多次提高了優化器。它也是數據庫中最核心的組件。下面我們來介紹一下優化器。
上面是我對優化器的一些認識。優化器是數據庫的精華所在，值得DBA去認真研究。但是遺憾的是，數據庫對這方面的開放程度並不夠。（相對來說，Oracle還是做的不錯的）
這裏我們看到的MySQL的優化器的工作過程，大致經歷瞭如下處理：
- 詞法分析、語法分析、語義檢查
- 預處理階段(查詢改寫等)
- 查詢優化階段(可詳細劃分爲邏輯優化、物理優化兩部分)
- 查詢優化器優化依據，來自於代價估算器估算結果(它會調用統計信息作爲計算依據)
- 交由執行器執行
此圖是DBAplus社羣MySQL原創專家李海翔對比不同數據庫優化器技術所總結的。從這裏可以看出：
- 不同數據庫的實現層次不同，有些支持、有些不支持
- 即使支持，其實現原理也差異很大
- 這只是列出了一小部分優化技術
- 以上對比，也可以解釋不同數據庫對同樣語句的行爲不同。下面會有一個示例說明
八、SQL 執行計劃
看懂執行計劃是DBA優化的前提之一，它爲我們開啓一扇通往數據庫內部的窗口。但是很遺憾，從沒有一本書叫做“如何看懂執行計劃”，這裏的情況非常複雜，很多是需要DBA常年積累而成。
這是Oracle執行計劃簡單的示例，說明了執行計劃的大致內容。
九、案例分享
前面講了很多理論內容，下面通過幾個案例說明一下。方便大家對前面內容的理解。
案例1：數據庫對比
第一個例子，是一個優化器行爲的對比案例。示例對比了三種數據庫（四種版本）對於同樣語句的行爲。通過這個例子，大家可以瞭解，不同數據庫（乃至不同版本）優化器的行爲不同。對於數據庫選型、數據庫升級等工作，要做到充分的評估測試，也正是出於此目的。
簡單構造了兩張測試表，主要注意的是前一個字段是包含空值的。
第一種情況，是對於IN子查詢的處理。對於Oracle來說，10g、11g行爲相同，這裏就列了一個。
對於這樣的一個例子，不同數據庫已經表現出不同的差異。Oracle和PG的行爲類似，MySQL由於不支持哈希連接，因此採用了其他處理方式。具體的技術細節，這裏不展開說明了。
第二種情況，是對於NOT IN子查詢的處理。這種情況下，Oracle的不同版本、PG和MySQL表現出不同的行爲。從上面例子可以看出，11g的優化器在處理此種情況是更加智能一些。
案例2：解決“ERP匯單慢”問題
這裏我構造了類似的結構，模擬了上線的情況。
示例是一個關聯子查詢，其核心部分是轉化爲一個表關聯，並使用了嵌套循環的一個變體-Filter實現關聯方式。顯然，如果外層表過大或內層探查效率過低，其執行效率可想而知。通常來說，兩表關聯，嵌套循環是最後的一種選擇，如果能使用其他方式（例如HASH JOIN、SORT MERGE）可能會帶來更好的效果。
這裏優化器沒有選擇更優的計劃，是優化器的Bug？還是功能所限？可通過人工手段干預，看看是否能達到意向不到的效果。
引入了一個Hint-unnest，主動實現子查詢的解嵌套。將子查詢部分提前，讓優化器有了更多的選擇。從執行計劃來看，優化器生成了一個內聯視圖，然後跟外部表實現了一個哈希連接，整體效率大大提高。
這個示例說明，優化器的功能還是有所侷限。在某些場合，可以人工干預語句的執行，提升整體執行效率。
案例3：處理“ERP清理數據”問題
下面這個示例，是因爲結構設計不良導致的問題。
在日常的優化中，我們往往遵循着“語句級、對象級、架構級、業務級”的順序考慮優化策略。但在項目需求、設計階段，是按照反向的順序進行。後者的影響力要遠遠大於前者。一個糟糕的對象結構設計，可能會帶來一系列SQL的問題。示例中，就是這樣的一個問題。
這是某公司後臺的ERP系統，系統已經上線運行了10多年。隨着時間的推移，累積的數據量越來越大。公司計劃針對部分大表進行數據清理。在DBA對某個大表進行清理中，出現了問題。這個表本身有數百G，按照指定的清理規則只需要根據主鍵字段範圍(>=)選擇出一定比例(不超過10%)的數據進行清理即可。但在實際使用中發現，該SQL的是全表掃描，執行時間大大超出預期時間。DBA嘗試使用強制指定索引方式清理數據，依然無效。
這套ERP系統歷史很久遠，相關信息已經找不到了。只能從純數據庫的角度進行分析，這是一個普通表（非分區表）按照主鍵字段的範圍查詢一批記錄進行清理。按照正常理解，執行索引範圍掃描應該是效率較高的一種處理方式，但實際情況確實全表掃描。進一步分析發現，該表的主鍵是沒有業務含義的，僅僅是自增長的數據，其來源是一個序列。但奇怪的是，這個主鍵字段的類型是變長文本類型，而不是通常的數字類型。現在已經無從考證，當初定義該字段類型的依據，但實驗表明正是這個字段的類型“異常”，導致了錯誤的執行路徑。
下面構造了一個測試環境。
可以很好的復現案例的問題。選擇少範圍數據，文本方式依然走的全表掃描，數字方式走的索引掃描。效率高低，顯而易見。
大家頭腦中可以構想出一棵索引樹結構，對於字符串來說，這個有序的結構該如何存放？是與你預期一樣的嗎？
知道了問題所在，該如何處理呢？修改結構無疑成本太高，不具備可操作性。這裏所採取的策略是“局部有序”。利用修改語句中條件的範圍，由開放區間變爲封閉區間，影響基數的選擇。（關於這部分，大家有興趣可多看看《基於成本的Oracle優化》一書）
如仍然不起作用，可考慮進一步細化分段或乾脆採用“逐條提取+批綁定”的方式解決。
一個小小的數據類型設置不當，會爲我們後面的工作帶來的多大的麻煩。
案例4： “抽絲剝繭”找出問題所在
這裏會描述一次完整的優化過程，看看DBA是如何“抽絲剝繭”，發現問題本質的。
這個案例本身不是爲了說明某種技術，而是展現了DBA在分析處理問題時的一種處理方式。其採用的方法往往是根據自己掌握的知識，分析判斷某種可能性，然後再驗證確認是否是這個原因。在不斷的拋出疑問，不斷的驗證糾錯中，逐步接近問題的本質。
也想通過這個示例，告知廣大開發人員，DBA優化語句的不容易。
這是某數據倉庫系統，有一個作業在某天出現較大延遲。爲了不影響明天的業務系統，必須在今天解決這個問題。經和開發人員的溝通，該業務的SQL語句沒有修改，相關的數據結構也沒有變更相類似的其他業務（SQL語句相似的）也都正常運行，數據庫系統本身也沒有異常。
修改後執行計劃，跟其他類似SQL相同了。整個計劃可概述爲”HASH JOIN” + “FULL TABLE SCAN”。經測試，速度略有提升，但是整個運行時間仍然超過2個小時。
開始了第一次嘗試，開始想到的方法很簡單，既然類似的SQL執行效率沒問題，而這個SQL由於其他SQL執行計劃偏差較大，我可以手工採取固化執行計劃的方法。這裏使用了抽取OUTLINE的方式。經測試，對速度提升不大，不知問題主因。
第二次嘗試，從等待事件角度入手。首先考慮的是和緩存有關的問題。
不要盲目相信別人的話，優化之前先按照故有流程檢驗一遍，做到心中有數。對於此例來說，可以大大加快問題的解決。
Q&A
Q1：ANSI 的SQL標準，會一直推出新版本嗎？ 後續版本是否會加入新的語法和特性呢？
A1：這個問題沒有仔細考慮過，ANSI-SQL的標準一直在變化，不同的數據庫根據自身情況實現了它的子集。從我個人角度來看，未來ANSI-SQL可能會對大數據、數據挖掘方向有所考慮，加入部分新語法或特性。畢竟SQL接口作爲人們最爲熟悉的數據訪問接口，未來在大數據等方向大有可爲。
Q2：優化SQL最終的目的是不是改變SQL執行計劃?
A2：第一目的，是理解現有優化器選擇的行爲，並考慮是否是最佳選擇。第二目的，是在優化器功能有所侷限的情況下，通過人工介入的方式，讓數據庫以更優的方式執行SQL。畢竟人要比電腦更理解數據。
Q3：能不能介紹一下開發中，數據類型的選擇對數據庫的影響？
A3：數據類型在優化層面，主要可從以下角度考慮：
選擇“合適”的類型存儲數據。注意，這裏使用的詞是“合適”，要確保精度、夠用、不浪費的原則。
數據類型在數據庫自身存儲、計算上的特性，不同類型的效率是不同的。
類型間要做到兼容，保證關聯字段的類型一致性。
Q4：能不能介紹下oracle數據遷移的常用方式和利弊？
A4：這個有很多，取決於遷移的需求，比如常用的：
1.備份、恢復；2.邏輯導入、導出(含傳輸表空間等)；3.DATAGUARD；4.LOG SYNC（例如OGG等）；5.程序同步……利弊，主要取決於成本、代價了，每種方案都有自身的適用場景。
Q5：請問必須全表掃描的語句有什麼優化思路？
A5：必須用全表掃描的情況，就適用於分享中的“DoDo”原則第二條，儘量讓其更快的完成。可考慮的策略有：
- DIRECT PATH READ
- 加大MULTI BLOCK READ COUNT
- 啓用PARALLEL
- 更好的IO
Q6：對於group by語句如何優化?
A6：對於分組來說，Oracle 11g以後的版本提供了HASH GROUP BY的實現。HASH是個重內存消耗操作，可從內存使用角度基於優化考慮。
Q7：訪問路徑是會緩存起來的，怎麼判斷回收沒用的緩存中的訪問路徑呢？
A7：一般不需要考慮回收問題，如果非要做可從內存信息中瞭解此執行計劃是否最近被使用，使用DBMS包清除即可。
Q8：oracle發現在雲機上安裝之後，在併發性方面不行，這是爲什麼？
A8：不同雲的實現策略不同。併發性方面，可考慮從vCPU使用、IO等方面着手。這方面經驗不多，抱歉！
Q9：全表掃描想辦法修改爲索引全表掃描是否合適？使用with子句來優化sql，這個手段如何?
A9：將全表掃描修改爲索引全掃描，根本原則是能夠縮小訪問量，即讓數據庫幹更少的活。
WITH子句，定義查詢塊，一個目的是減少多次引用，但也有可能出現不允許執行查詢語句變形的情況，要具體分情況分析。
作者：韓鋒
DBAplus社羣分享
內容來源：宜信技術學院