對(duì)ODB2系統(tǒng)性能優(yōu)化的探討
以下文章主要是介紹對(duì)ODB2系統(tǒng)性能優(yōu)化的深入研究，我們大家都知道DB2數(shù)據(jù)庫是一種高性能的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其主要是應(yīng)用于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)中。評(píng)價(jià)DB2系統(tǒng)性能優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)有：吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、并行能力等。
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫
1. 熟悉業(yè)務(wù)系統(tǒng)
對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的熟悉程度對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能有很大影響，一個(gè)對(duì)業(yè)務(wù)不熟悉的設(shè)計(jì)人員，盡管有豐富的數(shù)據(jù)庫知識(shí)，也很難設(shè)計(jì)出性能最佳的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。
2. 規(guī)范化與非規(guī)范化
數(shù)據(jù)庫被規(guī)范化后，減少了數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)量變小，數(shù)據(jù)行變窄。這樣DB2的每一頁可以包括更多行，那么每一區(qū)里的數(shù)據(jù)量更多，從而加速表的掃描，改進(jìn)了單個(gè)表的查詢性能。但是，當(dāng)查詢涉及多個(gè)表的時(shí)候，需要用很多連接操作把信息從各個(gè)表中組合在一起，導(dǎo)致更高的CPU和I/O花銷。
那么，有很多時(shí)候需要在規(guī)范化和非規(guī)范化之間保持平衡，用適當(dāng)?shù)娜哂嘈畔頊p少系統(tǒng)開銷，用空間代價(jià)來換取時(shí)間代價(jià)。有訂單信息表OrderDetail，它里面記錄了投遞員信息，收款員信息，物品信息，價(jià)格策略，客戶信息…..這些信息分別在投遞員信息表、收款員信息表、物品信息表、價(jià)格策略表、客戶信息表中存放。
如果按照規(guī)范化的要求，OrderDetail查詢時(shí)就必須要與這么多個(gè)表進(jìn)行連接或者嵌套查詢。如果OrderDetail表中的數(shù)據(jù)量是在百萬級(jí)的，那么一次查詢所需要的時(shí)間可能會(huì)達(dá)到好幾個(gè)小時(shí)。事實(shí)上，只要在設(shè)計(jì)時(shí)保證數(shù)據(jù)的邏輯有效性，很多信息都可以直接冗余在OrderDetail表中，這些冗余的數(shù)據(jù)能夠極大的提高查詢的效率，從而減少CPU和I/O操作。
3. 數(shù)據(jù)條帶化
如果一個(gè)表的記錄條數(shù)超過一定的規(guī)模，那么最基本的查詢操作也會(huì)受到影響，需要將該表根據(jù)日期水平劃分,把最近、最經(jīng)常用的數(shù)據(jù)和歷史的、不經(jīng)常用的數(shù)據(jù)劃分開來，或是根據(jù)地理位置、部門等等進(jìn)行劃分。還有一種劃分方式――垂直劃分，即把一個(gè)屬性列很多的表分割成好幾個(gè)小表，比如把經(jīng)常用到的屬性放在一個(gè)表里，不經(jīng)常用到的屬性放在另一個(gè)表里，這樣可以加快表的掃描，提高效率。
4. 選擇數(shù)據(jù)類型
對(duì)每一屬性選擇什么樣的數(shù)據(jù)類型很大程度上依據(jù)表的要求，但是在不違背表要求的前提下，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)類型可以提高系統(tǒng)性能。比如有text列存放一本書的信息，用BLOB而不是character(1024)，BLOB存放的是指針或者文件參照變量，真正的文本信息可以放在數(shù)據(jù)庫之外，從而減少數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)空間，使得程序運(yùn)行的速度提高。DB2提供了UDT(User Defined Datatypes)功能，用戶可以根據(jù)自己的需要定義自己的數(shù)據(jù)類型。
5. 選擇索引
索引是數(shù)據(jù)庫中重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的根本目的就是為了提高查詢效率。現(xiàn)在大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品都采用IBM最先提出的ISAM索引結(jié)構(gòu)。使用索引可以快速、直接、有序的存取數(shù)據(jù)。索引的建立雖然加快了查詢，另一方面卻將低了數(shù)據(jù)更新的速度，因?yàn)樾聰?shù)據(jù)不僅要增加到表中，也要增加到索引中。另外，索引還需要額外的磁盤空間和維護(hù)開銷。因此，要合理使用索引：
在經(jīng)常進(jìn)行連接，但是沒有指定為外鍵的屬性列上建立索引。
在頻繁進(jìn)行排序或分組(即進(jìn)行g(shù)roup by或order by操作)的列上建立索引。按索引來排序或分組，可以提高效率。
在條件表達(dá)式中經(jīng)常用到的不同值較多的列上建立檢索，在不同值少的列上不要建立索引。
如果待排序的列有多個(gè)，可以在這些列上建立復(fù)合索引(compound index)，即索引由多個(gè)字段復(fù)合而成。
查詢優(yōu)化
現(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品在系統(tǒng)查詢DB2系統(tǒng)性能優(yōu)化方面已經(jīng)做得越來越好，但由于用戶提交的SQL語句是系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，很難設(shè)想一個(gè)原本糟糕的查詢計(jì)劃經(jīng)過系統(tǒng)的優(yōu)化之后會(huì)變得高效，因此用戶所寫語句的優(yōu)劣至關(guān)重要。下面重點(diǎn)說明改善用戶查詢計(jì)劃的解決方案。
1.排序
在很多時(shí)候，應(yīng)當(dāng)簡化或避免對(duì)大型表進(jìn)行重復(fù)的排序。當(dāng)能夠利用索引自動(dòng)以適當(dāng)?shù)拇涡虍a(chǎn)生輸出時(shí)，可以避免排序的步驟，當(dāng)以下的情況發(fā)生時(shí)，排序就不能省略：
索引中不包括一個(gè)或幾個(gè)待排序的列;
group by或order by子句中列的次序與索引的次序不一樣;
排序的列來自不同的表。
為了避免不必要的排序，就要正確地增建索引，合理地合并數(shù)據(jù)庫表，盡管有時(shí)可能影響表的規(guī)范化，但相對(duì)于效率的提高是值得的。如果排序不可避免，那么應(yīng)當(dāng)試圖簡化它，如縮小排序列的范圍等。
2.主鍵
主鍵用整型會(huì)極大的提高查詢效率，而字符型的比較開銷要比整型的比較開銷大很多，用字符型數(shù)據(jù)作主鍵會(huì)使數(shù)據(jù)插入、更新與查詢的效率降低。數(shù)據(jù)量小的時(shí)候這點(diǎn)降低可能不會(huì)被注意，可是當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，小的改進(jìn)也能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
3.嵌套查詢
在SQL語言中，一個(gè)查詢塊可以作為另一個(gè)查詢塊中謂詞的一個(gè)操作數(shù)。因此，SQL查詢可以層層嵌套。例如在一個(gè)大型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，有訂單表Order、訂單信息表OrderDetail，如果需要兩表關(guān)聯(lián)查詢：
- SELECT CreateUser
- FROM Order
- WHERE OrderNo IN
- ( SELECT OrderNo
- FROM OrderDetail
- WHERE Price=0.5)
在這個(gè)查詢中，找出報(bào)紙單價(jià)為0.5元的收訂員名單。下層查詢返回一組值給上層查詢，然后由上層查詢塊再根據(jù)下層塊提供的值繼續(xù)查詢。在這種嵌套查詢中，對(duì)上層查詢的每一個(gè)值OrderNo，下層查詢都要對(duì)表OrderDetail進(jìn)行全部掃描，執(zhí)行效率顯然不會(huì)高。在該查詢中，有2層嵌套，如果每層都查詢1000行，那么這個(gè)查詢就要查詢100萬行數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)開銷中，對(duì)表Order的掃描占82%，對(duì)表OrderDetail的搜索占16%。如果我們用連接來代替，即：
- SELECT CreateUser
- FROM Order,OrderDetail
- WHERE Order.OrderNo=OrderDetail.OrderNo AND Praice=0.5
那么對(duì)表Order的掃描占74%，對(duì)表OrderDetail的搜索占14%。
而且，一個(gè)列的標(biāo)簽同時(shí)在主查詢和where子句中的查詢中出現(xiàn)，那么很可能當(dāng)主查詢中的列值改變之后，子查詢必須重新查詢一次。查詢嵌套層次越多，效率越低，因此應(yīng)當(dāng)盡量避免子查詢。如果子查詢不可避免，那么要在子查詢中過濾掉盡可能多的行。
4.通配符
在SQL語句中，LIKE關(guān)鍵字支持通配符匹配，但這種匹配特別耗費(fèi)時(shí)間。例如：SELECT * FROM Order WHERE CreateUser LIKE ‘M_ _ _’ 。即使在CreateUser字段上建立了索引，在這種情況下也還是采用順序掃描的方式，Order表中有1000條記錄，就需要比較1000次。如果把語句改為SELECT * FROM Order WHERE CreateUser >’M’ AND CreateUser <’N’，在執(zhí)行查詢時(shí)就會(huì)利用索引來查詢，顯然會(huì)大大提高速度。
5.distinct
使用distinct是為了保證在結(jié)果集中不出現(xiàn)重復(fù)值，但是distinct會(huì)產(chǎn)生一張工作表，并進(jìn)行排序來刪除重復(fù)記錄，這會(huì)大大增加查詢和I/O的操作次數(shù)。因此應(yīng)當(dāng)避免使用distinct關(guān)鍵字。
6.負(fù)邏輯
負(fù)邏輯如!=、<>、not in等，都會(huì)導(dǎo)致DB2用表掃描來完成查詢。當(dāng)表較大時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，可以用別的操作來代替。
7.臨時(shí)表
使用臨時(shí)表時(shí)數(shù)據(jù)庫會(huì)在磁盤中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮?nèi)存的訪問速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部存儲(chǔ)器的訪問速度，在復(fù)雜查詢中使用臨時(shí)表時(shí)，中間結(jié)果會(huì)被導(dǎo)入到臨時(shí)表中，這種磁盤操作會(huì)大大降低查詢效率。另外，在分布式系統(tǒng)中，臨時(shí)表的使用還會(huì)帶來多個(gè)查詢進(jìn)程之間的同步問題。所以，在進(jìn)行復(fù)雜查詢時(shí)最好不要使用臨時(shí)表。
8.存儲(chǔ)過程
DB2中的Stored Procedure Builder可以產(chǎn)生存儲(chǔ)過程，運(yùn)行并測(cè)試存儲(chǔ)過程。存儲(chǔ)過程可以包含巨大而復(fù)雜的查詢或SQL操作，經(jīng)過編譯后存儲(chǔ)在DB2數(shù)據(jù)庫中。用戶在多次使用同樣的SQL操作時(shí)，可以先把這些SQL操作做成存儲(chǔ)過程，在需要用到的地方直接引用其名字進(jìn)行調(diào)用。
存儲(chǔ)過程在第一次執(zhí)行時(shí)建立DB2系統(tǒng)性能優(yōu)化的查詢方案，DB2將查詢方案保存在高速緩存里，以后調(diào)用運(yùn)行時(shí)可以直接從高速緩存執(zhí)行，省去了DB2系統(tǒng)性能優(yōu)化和編譯的階段，節(jié)省了執(zhí)行時(shí)間，從而提高效率和系統(tǒng)利用率。
最優(yōu)的查詢方案按照某些標(biāo)準(zhǔn)選擇往往不可行，要根據(jù)實(shí)際的要求和具體情況，通過比較進(jìn)行選擇。DB2提供的Query Patroller可以對(duì)不同的查詢方案的查詢代價(jià)進(jìn)行比較，通過追蹤查詢語句，返回查詢不同階段的系統(tǒng)開銷，從而作出最佳選擇。DB2提供的Performance Monitor也對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能進(jìn)行監(jiān)控，包括I/O時(shí)間、查詢次數(shù)、排序時(shí)間、同步讀寫時(shí)間等等。
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的并發(fā)控制也能影響系統(tǒng)性能。多個(gè)用戶的同時(shí)操作可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性，DB2為了防止同時(shí)修改造成數(shù)據(jù)丟失和訪問未被提交的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的保護(hù)讀，采用Lock機(jī)制來實(shí)現(xiàn)控制。
DB2中可以對(duì)表空間、表、表列和索引加鎖。鎖的粒度越大，鎖越簡單，開銷小，并發(fā)度低; 粒度小，鎖機(jī)制復(fù)雜，開銷大，并發(fā)度高。大型系統(tǒng)在并發(fā)處理中如果遇到所要分配的資源處于鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)把進(jìn)程掛起等待。如果一個(gè)很耗時(shí)的查詢操作工作于一個(gè)經(jīng)常使用的表上，此時(shí)使用表一級(jí)鎖，意味著整個(gè)系統(tǒng)都要等待你的查詢結(jié)束以后才能夠繼續(xù)運(yùn)行。
所以在復(fù)雜查詢中，盡量避免使用表一級(jí)鎖。如果有這一類的需要該怎么辦呢?可以利用視圖來解決這一類問題。視圖避免了對(duì)表的直接操作，同時(shí)有能夠保證數(shù)據(jù)庫的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
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