本文译自《Query Planning》
概述
SQL最好的特性就是它是一种描述性语言，而不是过程式语言。不光是SQLite，在所有的SQL实现中它都是这样。当你编写SQL时，你告诉系统你想要得到的结果，而不是如何去计算它。决定“如何计算结果”这件事由数据库引擎中的查询计划器来完成。
对于每一条给定的SQL语句，可能有成百上千种不同的算法可以实现它。尽管每种算法都能得出正确结果，但有些算法比其他的运行的更快。查询计划器是一个AI，它尽量为每条SQL语句找出最快最高效的算法。
大多数情况下，SQLite的查询计划器工作的很好。然而，查询计划器需要与索引配合，这些索引通常必须由程序员指定。查询计划器在个别时候也会得出次优解，这时程序员可能希望提供额外的提示来指导查询计划器的工作。
这篇文档提供了关于SQLite查询计划器和查询引擎工作原理的背景知识。程序员可以使用这些信息创建出更有效的索引，或在必要时向查询计划器发出提示。
更多的信息请参考 SQLite query planner和next generation query planner等文档。
1. 搜索
1.1 不加索引的表
SQLite中绝大多数表都包含一个unique列，如 rowid 或INTEGER PRIMARY KEY，有一类表是例外，那就是无ROWID的表。逻辑上讲，各个行按rowid的升序存储。本文以FruitsForSale这个表为例，这个表记录了各种水果的名称，产地和市价。表的schema如下：
CREATE TABLE FruitsForSale(
Fruit TEXT,
State TEXT,
Price REAL
);
我们向表中插入一些数据（纯属虚构），这张表的逻辑存储结构如图1：
在这个例子中，rowid不是连续的，但是是有序的。SQLite通常从1开始创建rowid，并每次自增1。但如果行被删除了，rowid之间可能出现空隙。应用层可以选择控制rowid的分配，所以新的行不一定会被添加到最底部。不过无论如何，rowid是唯一的，并保持升序。
假如你想要查询peach的价格，那么SQL语句如下所示：
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE fruit='Peach';
为了满足这个查询，SQLite读取表中的每一行，检查fruit列是否为Peach，如果是则输出对应的price。这个过程如图2所示。
这个算法被称为全表扫描，因为必须遍历表才能找到感兴趣的行。对于只有7行的表来说，全表扫描可以接受，但如果表包含7百万行的话，全表扫描为了找出几字节的数就要读取几M字节。因此，我们要尽力避免全表扫描。
1.2 按rowid查找
一种避免全表扫描的技术是按rowid查找（或者按 INTEGER PRIMARY KEY查找，它们等价）。为了查找peach的价格，我们查询rowid为4的行：
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE rowid=4;
因为信息按照rowid顺序存储在表中，SQLite可以用二分法找出正确的行。对于N行的表，可以用O（logN）的时间查出所需要的行，而全表扫描需要O（N）的时间。如果表包含一千万条数据，按rowid查找快了大约一百万倍。
1.3 按索引查找
按rowid查找的问题就是，我们想查的是peach的价格，谁知道peach的rowid是不是4呢？
为了让最初的查询更有效率，我们可以为fruit列增加索引：
CREATE INDEX Idx1 ON fruitsforsale(fruit);
索引是与原fruitsforsale表相似的另一张表，但是被索引内容（这个例子中是fruit列）被放在rowid前边，并且所有的行按被索引列排序。图4给出了Idx1的逻辑视图。
fruit列是用来给元素排序的主键，而rowid是在fruit相同时给元素排序的次级键。注意，因为rowid是唯一的，因此rowid和fruit组成的复合键也是唯一的。
新的索引可以被用作实现一个更快的查找peach价格的算法。
一开始，先对Idx1索引进行fruit=‘Peach’的二分查询，SQLite能在Idex1上进行二分查询，是因为Idex1是按照fruit列排序的。在Idx1查找到fruit=‘Peach’的行之后，数据库引擎可以提取出rowid。然后数据库引擎根据rowid，对原表再进行一次二分查找。最后根据原表的行，可以得到Peach对应的price。这个过程如图5所示：
使用上边的方法，SQLite必须使用两次二分查找来查出peach的价格。然而对于一个数据量大的表来说，这仍比全表扫描快很多。
1.4 多行结果
前一个查询中，fruit=‘Peach’这个约束只有一行满足。但是当结果为多行时，也可以使用相同的技术。假设我们现在查找Oranges的价格
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE fruit='Orange'
在这种情况下，SQLite仍然使用一次二分查找来搜索第一个fruit=‘Orange’的行。然后它根据rowid回原表中查找价格。不过与原先不同，数据库引擎读取下一行，并将回原表查询的操作重复一遍。读取索引的下一行的开销远远低于一次二分查找，以至于可以忽略不计，因为下一行往往与刚读取的行在相同的页中。所以我们估计总开销为3次二分查找。如果有K行结果，那么查询的开销为（K+1）*logN。
1.5 多个AND连接的WHERE子句
接下来，假设你不管要查Orange的价格，而且要求Orange的产地是California。SQL语句如下所示：
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE fruit='Orange' AND state='CA'
一种可选方案是先找出所有Orange行，然后再过滤产地不为CA的行，这个过程如图7所示
大多数情况下，这是个很合理的方案。不过数据库引擎必须为Florida的Orange做额外的二分查找，所以可能没有我们期望的那么快，尽管对多数应用来说，这足够快了。
假设我们再为state创建索引：
CREATE INDEX Idx2 ON fruitsforsale(state);
state索引和fruit索引的原理相同，只不过主键变成了state。在我们的例子中，state列的取值比较少，因此索引中每个state对应的行较多。
使用新的Idx2索引，SQLite有了更多选择：查出所有产自CA的水果，然后从其中过滤出Orange。
使用Idx2代替Idx1导致SQLite得出了不同的行集，但是最终结果是相同的。这非常重要，索引不改变查询结果，只是加快查询速度。这里使用Idx1和使用Idx2的查询时间相同，所以Idx2并没有提升性能。
最终两个查询花费了相同的时间，那么SQLite最终会选择哪个索引呢？如果ANALYZE命令在数据库上执行，那么SQLite会获得一个收集索引数据的机会，然后SQLite会知道Idx1通常将查询范围缩小到1行，而Idx2通常将查询范围缩小到2行。所以，如果没有其他条件，SQLite将会选择Idx1，因为它通常会让搜索范围变得更小。
这个选择不是确定的，因为它依赖ANALYZE提供的数据。如果ANALYZE没有运行，那这个选择就是随意的。
1.6 多列索引
为了实现多个AND连接的WHERE子句的最大性能，你十分需要一个多列索引来覆盖每一个AND子句。这种情况下，我们创建在fruit列和state列上创建一个新的索引。
CREATE INDEX Idx3 ON FruitsForSale(fruit, state);
多列索引和单列索引的形式相同，都是rowid跟在被索引列后边。唯一的区别是现在被索引列有两个。最左边的列是用来给整个索引排序的主键。因为rowid确保是唯一的，所以即使所有除rowid的列都相同，也能保证索引行的唯一性。
使用新的多列索引Idx3，SQLite有可能只用两次二分查找就能找出CA的Orange。
因为Idx3包含了所有WHERE子句中要查找的列，所以SQLite可以用一次二分查找搜索出一个rowid，然后回原表再做一次二分查找。这里没有无效的查找，因此效率更高。
注意，这里Idx3包含了Idx1的所有信息，所以在Idx3存在的情况下，我们不再需要Idx1。如果要查找Peach的价格，我们只需要使用Idx3，并忽略它的“state”列。
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE fruit='Peach';
由此可见，数据库设计的一条原则是，schema不应该包含两个这样的索引，其中一个索引是另一个索引的前缀。删除其中列较少的索引，SQLite仍能高效地查找。
1.7 覆盖索引
通过双列索引，查询California Orange的价格变得更快。但是如果创建一个包含price的三列索引，SQLite可以做的更快。
CREATE INDEX Idx4 ON FruitsForSale(fruit, state, price);
新的索引包含了查询所要用到的所有列，WHERE子句中的和要输出的。我们称这种索引为覆盖索引。使用这种索引时，SQLite不需要回原表查询。
SELECT price FROM fruitsforsale WHERE fruit='Orange' AND state='CA';
由此可见，将被输出的列也加入索引，我们可以避免回原表查询的操作，来让二分查找的次数减半。这可以让查询速度获得大概两倍的提升。但是另一方面，这只是一个细微的优化，两倍的提升并不像刚加索引时百万倍的提升那样戏剧性。对大多数查询来说，1ms和2ms的开销没什么差别。
1.8 多个OR连接的WHERE子句
多列索引只在约束条件用AND连接时起作用。所以Idx3和Idx4只在搜索既是Orange，又生长在California的水果时有用。如果我们想要查找Orange，或者生长在California的水果，这两个索引则起不到作用。
SELECT price FROM FruitsForSale WHERE fruit='Orange' OR state='CA';
当处理OR连接的WHERE子句时，SQLite检查每个被OR连接的条件，并且尽力对每个子句都使用索引。然后对各个条件查出的rowid取并集。这个过程如下图所示：
上图显示了SQLite先计算各个组的rowid，然后对它们取并集，最后回原表查询。实际上rowid查找和求并集是交替进行的。SQLite一次使用一个索引来查找rowid，同时将它们标记为已查过，来避免之后出现重复。当然，这只是一个实现细节。上图很好地概述了算法过程，虽然不是完全精确。
为了让上边的取并集技术（OR-by-UNION）奏效，每个被OR连接的WHERE子句必须要有一个索引。即使只有一个子句没被索引，那么为了找出这个子句对应的rowid，SQLite必须进行全表扫描。如果要进行全表扫描，那么之前那些并集，二分查找操作也就么必要了，直接在全表扫描时全都查出来就行了。
我们可以发现，通过取并集实现OR（OR-by-UNION）的技术可以被推广到AND。被AND连接的WHERE子句可以使用多个索引查询rowid，然后取交集。许多数据库引擎就是这么做的。但是这比只是用一个索引的性能提升很小，所以SQLite目前没有实现这种技术。然而，SQLite未来版本可能会支持取交集实现AND（AND-by-INTERSECT）。
2. 排序
除了加快查找，SQLite以及其他的SQL数据库引擎也可以使用索引来完成ORDER BY子句。换句话说，索引除了能加快搜索，也能加快排序。
当没有合适的索引可以用时，一个带ORDER BY的查询必须分步骤进行排序。考虑如下的查询：
SELECT * FROM fruitsforsale ORDER BY fruit;
SQLite先查出所有输出，然后通过sorter对结果进行排序。
如果输出行数为K，排序的复杂度为K*logK。如果K很小，那么排序的时间无关紧要，但如果像上边这样，K等于表的总行数，那么排序花费的时间会远大于全表扫描的时间。此外，整个输出的中间结果被存在临时存储中（可能是硬盘，也可能是内存，取决于许多编译时和运行时的设置），这意味着查询将消耗大量临时存储空间。
2.1 按rowid排序
因为排序操作开销很大，SQLite会努力避免排序。如果SQLite能确定输出结果已经按照指定的方式排序，那么它不会在进行排序操作。所以，比如你希望输出按照rowid的顺序，那么排序操作就不会执行。
SELECT * FROM fruitsforsale ORDER BY rowid;
你也可以要求按rowid的逆序输出，像这样：
SELECT * FROM fruitsforsale ORDER BY rowid DESC;
SQLite仍会忽略排序操作。不过为了逆序输出，SQLite将会从后向前扫描表，而不是像图17那样从前到后。
2.2 按索引排序
当然，将输出按rowid排序通常没什么用。通常我们希望结果能按照其他的某一列排序。
如果ORDER BY制定的列上有索引，那么索引可以用来排序。考虑如下的查询：
SELECT * FROM fruitsforsale ORDER BY fruit;
为了查出按fruit排序的rowid，Idx1索引被从前到后扫描（如果有DESC，那么就是从后到前扫描）。对于每一个rowid，都需要用一次二分查询来查出对应的行。通过这种方式，不需要额外的排序步骤就能使结果按顺序输出。
但这真的节省了时间么？如果我们不使用索引，全表排序的复杂度为NlogN，因为他要为N个数据排序。然而当我们使用Idx1时，我们必须要做N次复杂度为logN的二分查找，所以复杂度仍然是NlogN。
SQLite使用基于开销的查询计划器。当有两个或更多可选方案时，SQLite试图分析各个方案的总开销，然后选择开销最低的方案。开销的计算主要考虑运行时间，它可能根据表的大小和WHERE子句的情况而变化。但通常来讲，索引排序可能会被选择。因为它不需要将结果集存进临时存储中，因而空间开销更小。
2.3 使用覆盖索引排序
如果能使用覆盖索引，那么多次根据rowid回原表查询的操作就能避免，开销会产生戏剧性的降低。
通过一个覆盖索引，SQLite可以直接将索引从头到尾遍历一遍，然后输出结果，这只需要O（N）的开销，也不需要大量的额外存储。