0、概述

经过前面几篇数据库的数据库设计与优化的铺垫之后，一直想着开始进行真正的SQL的优化分析，但是细想下来，还有些工作没有做：其一，数据库管理系统的基本构成全貌，目前仍然缺失的，一直在细节内打转，难免陷入管窥蠡测的困境；其二，对动态的SQL执行大体情况，也是需要进行相应的补充。之后，才能更好地把握数据库的优化。

1、数据库管理系统的构成

首先，从整体上看下一个典型的数据库管理系统的构成：

关于这张图，不用太多地纠结其中的细节，只需要在脑海中有个大概得印象，在后续的不断优化实践中，逐步加深对该结构图的理解，甚至不断自己添加更多的细节，我觉得是更好的提升方式。

这里重点看左侧那一栏，前面几篇关于数据库的文章，主要介绍了索引、缓冲区、存储管理器、外存相关的概念。暂时缺失的部分，从用户/应用的提交到执行引擎执行之间的部分。

2、数据库查询的执行

如图所示，主流的数据关于一条SQL查询语句的执行，一般要经过这些步骤：

• 客户端通过连接器完成客户连接的建立，连接器同时进行客户权限的校验与连接的管理

• 解析器需要将客户端提交的SQL语句进行词法分析与语法分析，构建查询语法树，校验是否SQL语句存在语法上的错误

• 优化器基于查询语法树，结合统计信息、元数据等进行索引的选择，生成逻辑执行计划

• 执行引擎基于逻辑执行计划生成物理执行计划，物理执行计划包括算法的选择，基本算子的转换组合等

需要注意的是，有些地方把解析器和优化器统称为查询编译器，类似于编程语言的编译，然后执行的叙述方法。

此外，对于类似于MySQL的数据库，分为Server层和存储引擎层，Server层中的执行器需要调用存储引擎来进行最终的物理查询计划的执行。

3、物理查询计划的基本算子

需要明确的，在我们当前的语境中，所谓的主流数据库管理系统一般指的是关系型数据库管理系统（RDBMS）。

而RDBMS的设计原理的核心是关系代数，所以在RDBMS中，每一条查询语句，都可以转换为一组基本关系代数运算的排列组合。常见的关系代数运算有：选择、投影、连接、积、交、并、差等。

物理查询计划中，则通过存储管理器的一些基本算子组合实现对应的关系代数运算，继而排列组合，最终构建出与查询SQL语句等价的物理查询计划。

物理查询计划中的基本算子主要有：

基本是与关系代数运算是一一对应的。其中，扫描表是最基础、最核心的算子，其他算子都需要基于该算子进行实现。

4、核心算法

迭代器

由于数据库表的存储通常是在外存中，而且是物理上是以数据块为单位进行连续存储的，所以主要的算子都可以使用迭代器的方式进行算法的实现。

通常意义上，迭代器由3个方法组成：

• Open()：用于启动获得数据元组（即表数据记录）的过程，但并不真正获得元组，主要执行需要获取元组的相关初始化

• GetNext()：返回下一个元组，并且对数据结构做必要的调整，以便进行后续的操作。如果过已经迭代完成，没有更多的元组了，这时可以返回一个特殊值NotFound，确保不会与任何元组混淆

• Close()：执行终结迭代相关的清理工作

两阶段多路归并排序（Two-Phase Multiway Merge-Sort, TPMMS）

虽然，我们在前面反复提到，数据库设计与优化的指导原则是尽量减少IO操作，但是在数据量过大，无法在内存中完成SQL所需的计算工作时，为了确保SQL能够被正确执行，反而需要更多的借助磁盘，不可避免地，自然会增加磁盘IO操作。

其中，TPMMS就是其中，最基础、最核心的算法：

• 阶段1：不断将数据库表中的每个元组子集放入内存缓冲区，利用主存排序算法对它们进行排序，然后将排序后得到的有序子表存储到外存中

• 阶段2：将多个排序好的子表进行归并操作，此时，为每个局部有序的子表各分配一个内存输入缓冲区，将数据按序分步加载到各自的输入缓冲区，从多个输入缓冲区中选择最小的（假设是进行升序排序），加载到输出缓冲区。输出缓冲区中的数据一定是全局有序的，可以立马返回给客户端的数据段。

基于TPMMS的两趟算法的扩展

虽然TPMMS是基于外存的多路归并排序而实现的排序算法，但是借助外存进行的多路归并的策略，可以更广泛地应用于数据库各种基本算子的二趟算法中。

算法分类：

基于能否借助内存只需要从磁盘读取每个数据一次，将相关的查询算子的实现算法分为一趟算法（one-pass）、两趟算法，以及多趟算法。通常两趟算法对大多数场景，已经够用，多趟算法基于二趟算法可以轻易推导出来。

在数据库基本算子的实现算法中，又可以按照具体实现，分为以下三类：

• 基于排序的算法

• 基于散列的算法

• 基于索引的算法

二趟排序中，基于排序的去重、基于排序的分组、基于排序的集合运算等，都类似于TPMMS的实现逻辑。

此外，基于散列的去重、基于散列的分组、基于散列的集合运算等，也类似于TPMMS的实现，只是各个子表不是进行排序，而是基于哈希操作，将数据分为多个子表，每个子表的哈希值相同而已。

关于数据库查询中，最常用的数据库连接操作的具体实现，也是基于一趟算法的嵌套循环、二趟排序、二趟散列等的组合实现，具体实现在这篇文章中就不再展开。

5、参考书籍

1、《数据库系统实现(第2版)》