TiDB 源码阅读系列文章（七）基于规则的优化

作者：毛康力

在 TiDB 里面，SQL 优化的过程可以分为逻辑优化和物理优化两个部分。逻辑优化主要是基于规则的优化，简称 RBO（rule based optimization）。物理优化会为逻辑查询计划中的算子选择某个具体的实现，需要用到一些统计信息，决定哪一种方式代价最低，所以是基于代价的优化 CBO（cost based optimization）。

本篇将主要关注逻辑优化。先介绍 TiDB 中的逻辑算子，然后介绍 TiDB 的逻辑优化规则，包括列裁剪、最大最小消除、投影消除、谓词下推、TopN 下推等等。

逻辑算子介绍

在写具体的优化规则之前，先简单介绍查询计划里面的一些逻辑算子。

DataSource 这个就是数据源，也就是表，select * from t 里面的 t。
Selection 选择，例如 select xxx from t where xx = 5 里面的 where 过滤条件。
Projection 投影， select c from t 里面的取 c 列是投影操作。
Join 连接， select xx from t1, t2 where t1.c = t2.c 就是把 t1 t2 两个表做 Join。

选择，投影，连接（简称 SPJ）是最基本的算子。其中 Join 有内连接，左外右外连接等多种连接方式。

select b from t1, t2 where t1.c = t2.c and t1.a > 5

变成逻辑查询计划之后，t1 t2 对应的 DataSource，负责将数据捞上来。上面接个 Join 算子，将两个表的结果按 t1.c = t2.c连接，再按 t1.a > 5 做一个 Selection 过滤，最后将 b 列投影。下图是未经优化的表示：

TiDB 源码阅读系列文章（七）基于规则的优化

Sort 就是 select xx from xx order by 里面的 order by。
Aggregation，在 select sum(xx) from xx group by yy 中的 group by 操作，按某些列分组。分组之后，可能带一些聚合函数，比如 Max/Min/Sum/Count/Average 等，这个例子里面是一个 sum。
Apply 这个是用来做子查询的。

列裁剪

列裁剪的思想是这样的：对于用不上的列，没有必要读取它们的数据，无谓的浪费 IO 资源。比如说表 t 里面有 a b c d 四列。

select a from t where b > 5

这个查询里面明显只有 a b 两列被用到了，所以 c d 的数据是不需要读取的。在查询计划里面，Selection 算子用到 b 列，下面接一个 DataSource 用到了 a b 两列，剩下 c 和 d 都可以裁剪掉，DataSource 读数据时不需要将它们读进来。

列裁剪的算法实现是自顶向下地把算子过一遍。某个结点需要用到的列，等于它自己需要用到的列，加上它的父亲结点需要用到的列。可以发现，由上往下的结点，需要用到的列将越来越多。代码是在 plan/column_pruning.go 文件里面。

列裁剪主要影响的算子是 Projection，DataSource，Aggregation，因为它们跟列直接相关。Projection 里面会裁掉用不上的列，DataSource 里面也会裁剪掉不需要使用的列。

Aggregation 算子会涉及哪些列？group by 用到的列，以及聚合函数里面引用到的列。比如 select avg(a), sum(b) from t group by c d，这里面 group by 用到的 c 和 d 列，聚合函数用到的 a 和 b 列。所以这个 Aggregation 使用到的就是 a b c d 四列。

Selection 做列裁剪时，要看它父亲要哪些列，然后它自己的条件里面要用到哪些列。Sort 就看 order by 里面用到了哪些列。Join 则要把连接条件中用到的各种列都算进去。具体的代码里面，各个算子都是实现 PruneColumns 接口：

func (p *LogicalPlan) PruneColumns(parentUsedCols []*expression.Column)

通过列裁剪这一步操作之后，查询计划里面各个算子，只会记录下它实际需要用到的那些列。

最大最小消除

最大最小消除，会对 Min/Max 语句进行改写。

select min(id) from t

我们用另一种写法，可以做到类似的效果：

select id from t order by id desc limit 1

这个写法有什么好处呢？前一个语句，生成的执行计划，是一个 TableScan 上面接一个 Aggregation，也就是说这是一个全表扫描的操作。后一个语句，生成执行计划是 TableScan + Sort + Limit。

在某些情况，比如 id 是主键或者是存在索引，数据本身有序， Sort 就可以消除，最终变成 TableScan 或者 IndexLookUp 接一个 Limit，这样子就不需要全表扫了，只需要读到第一条数据就得到结果！全表扫操作跟只查一条数据，性能上可是天壤之别。

最大最小消除，做的事情就是由 SQL 优化器“自动”地做这个变换。

select max(id) from t

生成的查询树会被转换成下面这种：

select max(id) from (select id from t order by id desc limit 1 where id is not null) t

这个变换复杂一些是要处理 NULL 的情况。经过这步变换之后，还会执行其它变换。所以中间生成的额外的算子，可能在其它变换里面被继续修改掉。

min 也是类似的语句替换。相应的代码是在 max_min_eliminate.go 文件里面。实现是一个纯粹的 AST 结构的修改。

投影消除

投影消除可以把不必要的 Projection 算子消除掉。那么，什么情况下，投影算子是可消除的呢？

首先，如果 Projection 算子要投影的列，跟它的孩子结点的输出列，是一模一样的，那么投影步骤就是一个无用操作，可以消除。比如 select a,b from t 在表 t 里面就正好就是 a b 两列，那就没必要 TableScan 上面再做一次 Projection。

然后，投影算子下面的孩子结点，又是另一个投影算子，那么孩子结点的投影操作就没有意义，可以消除。比如 Projection(A) -> Projection(A,B,C) 只需要保留 Projection(A) 就够了。

类似的，在投影消除规则里面，Aggregation 跟 Projection 操作很类似。因为从 Aggregation 结点出来的都是具体的列，所以 Aggregation(A) -> Projection(A,B,C) 中，这个 Projection 也可以消除。

代码是在 eliminate_projection.go 里面。

func eliminate(p Plan, canEliminate bool) {
          对 p 的每个孩子，递归地调用 eliminate
          如果 p 是 Project 
              如果 canEliminate 为真 消除 p
              如果 p 的孩子的输出列，跟 p 的输出列相同，消除 p
    }

注意 canEliminate 参数，它是代表是否处于一个可被消除的“上下文”里面。比如 Projection(A) -> Projection(A, B, C) 或者 Aggregation -> Projection 递归调用到孩子结点 Projection 时，该 Projection 就处理一个 canEliminate 的上下文。

简单解释就是，一个 Projection 结点是否可消除：

一方面由它父结点告诉它，它是否是一个冗余的 Projection 操作。
另一方面由它自己和孩子结点的输入列做比较，输出相同则可消除。

谓词下推

谓词下推是非常重要的一个优化。比如

select * from t1, t2 where t1.a > 3 and t2.b > 5

假设 t1 和 t2 都是 100 条数据。如果把 t1 和 t2 两个表做笛卡尔集了再过滤，我们要处理 10000 条数据，而如果能先做过滤条件，那么数据量就会大量减少。谓词下推会尽量把过滤条件，推到靠近叶子节点，从而减少数据访问，节省计算开销。这就是谓词下推的作用。

谓词下推的接口函数类似是这样子的：

func (p *baseLogicalPlan) PredicatePushDown(predicates []expression.Expression) ([]expression.Expression, LogicalPlan)

PredicatePushDown 函数处理当前的查询计划 p，参数 predicates 表示要添加的过滤条件。函数返回值是无法下推的条件，以及生成的新 plan。

这个函数会把能推的条件尽量往下推，推不下去的条件，做到一个 Selection 算子里面，然后连接在节点 p 上面，形成新的 plan。比如说现在有条件 a > 3 AND b = 5 AND c < d，其中 a > 3 和 b = 5 都推下去了，那剩下就接一个 c < d 的 Selection。

我们看一下 Join 算子是如何做谓词下推的。代码是在 plan/predicate_push_down.go 文件。

首先会做一个简化，将左外连接和右外连接转化为内连接。

什么情况下外连接可以转内连接？左向外连接的结果集包括左表的所有行，而不仅仅是连接列所匹配的行。如果左表的某行在右表中没有匹配的行，则在结果集右边补 NULL。做谓词下推时，如果我们知道接下来的的谓词条件一定会把包含 NULL 的行全部都过滤掉，那么做外连接就没意义了，可以直接改写成内连接。

什么情况会过滤掉 NULL 呢？比如，某个谓词的表达式用 NULL 计算后会得到 false；或者谓词里面用 OR 条件连接，其中一个会过滤 NULL；又或者用 AND 条件连接，其中每个都是过滤 NULL 的。术语里面 OR 条件连接叫做析取范式 DNF (disjunctive normal form)。对应的还有合取范式 CNF (conjunctive normal form)。TiDB 的代码里面用到这种缩写。

接下来，把所有条件全收集起来，然后区分哪些是 Join 的等值条件，哪些是 Join 需要用到的条件，哪些全部来自于左孩子，哪些全部来自于右孩子。

区分之后，对于内连接，可以把左条件，和右条件，分别向左右孩子下推。等值条件和其它条件保留在当前的 Join 算子中，剩下的返回。

谓词下推不能推过 MaxOneRow 和 Limit 节点。因为先 Limit N 行，然后再做 Selection 操作，跟先做 Selection 操作，再 Limit N 行得到的结果是不一样的。比如数据是 1 到 100，先 Limit 10 再 Select 大于 5，得到的是 5 到 10，而先做 Selection 再做 Limit 得到的是 5 到 15。MaxOneRow 也是同理，跟 Limit 1 效果一样。

DataSource 算子很简单，会直接把过滤条件加入到 CopTask 里面。最后会被通过 coprocessor 推给 TiKV 去做。

构建节点属性

在 build_key_info.go 文件里面，会构建 unique key 和 MaxOneRow 属性。这一步不是在做优化，但它是在构建优化过程需要用到的一些信息。

build_key_info 是在收集关于唯一索引的信息。我们知道某些列是主键或者唯一索引列，这种情况该列不会在多个相同的值。只有叶子节点知道这个信息。build_key_info 就是要将这个信息，从叶子节点，传递到 LogicalPlan 树上的所有节点，让每个节点都知道这些属性。对于 DataSource，对于主键列，和唯一索引列，都是 unique key。注意处理 NULL，需要列是带有 NotNull 标记的，以及考虑联合索引。对于 Projection，它的孩子中的唯一索引列信息，跟它的投影表达式的列取交集。比如 a b c 列都是唯一索引，投影其中的 b 列，输入的 b 列仍然具有值唯一的属性。

如果一个节点输出肯定只有一行，这个节点会设置一个 MaxOneRow 属性。哪些情况节点输出只有一行呢？