面试题：深入剖析MariaDB查询优化器的成本模型及调优

Question

详细说明MariaDB查询优化器所使用的成本模型的工作原理，包括如何计算不同操作（如扫描、连接等）的成本。在实际场景中，如果发现查询优化器做出了非最优的执行计划，如何通过调整成本模型相关参数或其他手段来引导优化器生成更优的计划？

Answer 1

MariaDB查询优化器成本模型工作原理

1. 扫描操作成本计算
   • 全表扫描：成本主要与表的行数、块数以及磁盘I/O成本相关。假设表的行数为R，表占用的数据块数为B，从磁盘读取一个数据块的I/O成本为I/O_cost_per_block，则全表扫描成本Cost_full_table_scan = B * I/O_cost_per_block。这里假设每行数据都在一个块内，如果存在行跨块存储等复杂情况，计算会更复杂。
   • 索引扫描：对于索引扫描，成本与索引的层次深度（高度）、索引的选择性（即索引列值的重复程度）等有关。若索引高度为h，通过索引定位到的数据行数为r，从磁盘读取一个索引块的I/O成本为I/O_cost_per_index_block，则索引扫描成本Cost_index_scan = h * I/O_cost_per_index_block + r * I/O_cost_per_data_block（这里假设获取索引后定位数据块的I/O成本为单个数据块读取成本）。选择性越高，即索引列值越不重复，通过索引扫描定位到的数据行数r相对全表行数R越小，成本越低。
2. 连接操作成本计算
   • 嵌套循环连接（Nested - Loop Join）：假设有两个表A和B，表A的行数为RA，表B的行数为RB。如果先扫描表A，对于表A中的每一行，都要去表B中匹配连接条件。假设从磁盘读取表A的成本为Cost_A，读取表B一次的成本为Cost_B，则嵌套循环连接成本Cost_nested_loop_join = Cost_A + RA * Cost_B。若表A和B上有合适的索引，成本会因索引扫描成本变化而改变。
   • 哈希连接（Hash Join）：哈希连接成本计算较为复杂。首先在构建阶段，要对较小的表（假设为表A）构建哈希表，构建哈希表的成本与表A的行数、内存使用等有关。假设构建哈希表的成本为Cost_build_hash_table。然后在探测阶段，对表B进行扫描，与哈希表进行匹配。若表B的行数为RB，扫描表B的成本为Cost_B，则哈希连接成本Cost_hash_join = Cost_build_hash_table + Cost_B。这里假设构建哈希表和扫描表B在内存中完成，如果涉及磁盘I/O，成本会增加。
   • 排序合并连接（Sort - Merge Join）：需要先对两个表按照连接列进行排序，假设表A排序成本为Cost_sort_A，表B排序成本为Cost_sort_B，排序后进行合并的成本与两个表的行数有关，假设合并成本为Cost_merge。则排序合并连接成本Cost_sort_merge_join = Cost_sort_A + Cost_sort_B + Cost_merge。

优化非最优执行计划的方法

1. 调整成本模型相关参数
   • 调整I/O成本参数：可以通过修改与磁盘I/O相关的成本参数，比如I/O_cost_per_block。如果实际环境中磁盘I/O性能较好，可以适当降低该参数值，这样查询优化器在评估扫描操作成本时会倾向于更复杂的扫描方式（如索引扫描），因为相对的I/O成本降低了。在MariaDB配置文件（如my.cnf）中，可以通过相关配置项来调整这些参数，不同版本的配置项可能有所不同，一般会有类似io_block_cost = [new_value]这样的设置。
   • 调整CPU成本参数：对于一些操作，如排序、构建哈希表等，涉及CPU计算成本。可以调整CPU相关成本参数，例如在某些版本中，排序操作的CPU成本系数等参数。如果CPU性能较强，可以适当降低CPU成本相关参数，使得优化器在评估排序合并连接等操作成本时，更倾向于选择此类操作。
2. 其他手段
   • 添加或优化索引：如果查询优化器选择了全表扫描而非索引扫描导致执行计划非最优，可以分析查询条件，在合适的列上添加索引。例如，对于频繁在WHERE子句中使用的列添加索引，这样索引扫描成本降低，优化器可能会选择更优的索引扫描执行计划。也可以对已有的索引进行优化，如删除不必要的索引（减少索引维护成本），或者对复合索引的列顺序进行调整，以提高索引的选择性和查询性能。
   • 使用查询提示（Query Hints）：在SQL查询中，可以使用查询提示来强制优化器按照特定的方式执行查询。例如，使用STRAIGHT_JOIN提示可以指定连接表的顺序，USE INDEX (index_name)提示可以强制优化器使用指定的索引。例如SELECT /*+ USE INDEX (idx_column) */ * FROM table_name WHERE column = 'value';，这样可以引导优化器生成更符合需求的执行计划。
   • 分析表和索引统计信息：确保表和索引的统计信息是最新和准确的。不准确的统计信息可能导致优化器做出错误的成本估算。可以使用ANALYZE TABLE语句来更新表的统计信息，ANALYZE TABLE table_name;，对于索引，可以使用ANALYZE INDEX index_name ON table_name;来更新索引的统计信息，使优化器能基于更准确的信息生成执行计划。