SQL Server优化技巧之SQL Server中的"MapReduce"

日常的OLTP环境中,有时会涉及到一些统计方面的SQL语句,这些语句可能消耗巨大,进而影响整体运行环境,这里我为大家介绍如何利用SQL Server中的”类MapReduce”方式,在特定的统计情形中不牺牲响应速度的情形下减少资源消耗.

我们可能经常会利用开窗函数对巨大的数据集进行分组统计排序.比如下面的例子:

脚本环境

/*

This script creates two new tables in AdventureWorks:



dbo.bigProduct

dbo.bigTransactionHistory

*/





USE AdventureWorks

GO



SELECT

    p.ProductID + (a.number * 1000) AS ProductID,

    p.Name + CONVERT(VARCHAR, (a.number * 1000)) AS Name,

    p.ProductNumber + '-' + CONVERT(VARCHAR, (a.number * 1000)) AS ProductNumber,

    p.MakeFlag,

    p.FinishedGoodsFlag,

    p.Color,

    p.SafetyStockLevel,

    p.ReorderPoint,

    p.StandardCost,

    p.ListPrice,

    p.Size,

    p.SizeUnitMeasureCode,

    p.WeightUnitMeasureCode,

    p.Weight,

    p.DaysToManufacture,

    p.ProductLine,

    p.Class,

    p.Style,

    p.ProductSubcategoryID,

    p.ProductModelID,

    p.SellStartDate,

    p.SellEndDate,

    p.DiscontinuedDate

INTO bigProduct

FROM Production.Product AS p

CROSS JOIN master..spt_values AS a

WHERE

    a.type = 'p'

    AND a.number BETWEEN 1 AND 50

GO





ALTER TABLE bigProduct

ALTER COLUMN ProductId INT NOT NULL    

GO



ALTER TABLE bigProduct

ADD CONSTRAINT pk_bigProduct PRIMARY KEY (ProductId)

GO





SELECT 

    ROW_NUMBER() OVER 

    (

        ORDER BY 

            x.TransactionDate,

            (SELECT NEWID())

    ) AS TransactionID,

    p1.ProductID,

    x.TransactionDate,

    x.Quantity,

    CONVERT(MONEY, p1.ListPrice * x.Quantity * RAND(CHECKSUM(NEWID())) * 2) AS ActualCost

INTO bigTransactionHistory

FROM

(

    SELECT

        p.ProductID, 

        p.ListPrice,

        CASE

            WHEN p.productid % 26 = 0 THEN 26

            WHEN p.productid % 25 = 0 THEN 25

            WHEN p.productid % 24 = 0 THEN 24

            WHEN p.productid % 23 = 0 THEN 23

            WHEN p.productid % 22 = 0 THEN 22

            WHEN p.productid % 21 = 0 THEN 21

            WHEN p.productid % 20 = 0 THEN 20

            WHEN p.productid % 19 = 0 THEN 19

            WHEN p.productid % 18 = 0 THEN 18

            WHEN p.productid % 17 = 0 THEN 17

            WHEN p.productid % 16 = 0 THEN 16

            WHEN p.productid % 15 = 0 THEN 15

            WHEN p.productid % 14 = 0 THEN 14

            WHEN p.productid % 13 = 0 THEN 13

            WHEN p.productid % 12 = 0 THEN 12

            WHEN p.productid % 11 = 0 THEN 11

            WHEN p.productid % 10 = 0 THEN 10

            WHEN p.productid % 9 = 0 THEN 9

            WHEN p.productid % 8 = 0 THEN 8

            WHEN p.productid % 7 = 0 THEN 7

            WHEN p.productid % 6 = 0 THEN 6

            WHEN p.productid % 5 = 0 THEN 5

            WHEN p.productid % 4 = 0 THEN 4

            WHEN p.productid % 3 = 0 THEN 3

            WHEN p.productid % 2 = 0 THEN 2

            ELSE 1 

        END AS ProductGroup

    FROM bigproduct p

) AS p1

CROSS APPLY

(

    SELECT

        transactionDate,

        CONVERT(INT, (RAND(CHECKSUM(NEWID())) * 100) + 1) AS Quantity

    FROM

    (

        SELECT 

            DATEADD(dd, number, '20050101') AS transactionDate,

            NTILE(p1.ProductGroup) OVER 

            (

                ORDER BY number

            ) AS groupRange

        FROM master..spt_values

        WHERE 

            type = 'p'

    ) AS z

    WHERE

        z.groupRange % 2 = 1

) AS x







ALTER TABLE bigTransactionHistory

ALTER COLUMN TransactionID INT NOT NULL

GO





ALTER TABLE bigTransactionHistory

ADD CONSTRAINT pk_bigTransactionHistory PRIMARY KEY (TransactionID)

GO





CREATE NONCLUSTERED INDEX IX_ProductId_TransactionDate

ON bigTransactionHistory

(

    ProductId,

    TransactionDate

)

INCLUDE 

(

    Quantity,

    ActualCost

)

GO

View Code

 

当我们针对bigProduct表的productid分组,并按照bigTransactionHistory的actualcost

及quantity分别排序取结果集语句如下:

code

Declare

@p1 int,

@p2 nvarchar(56),

@p3 smallint,

@p4 int,

@p5 bigint,

@p6 bigint



select 

@p1=p.productid,

@p2=p.productnumber,

@p3=p.reorderpoint,

@p4=th.transactionid,

@p5=rank()over (partition by p.productid

                order by th.actualcost desc),

@p6=rank()over (partition by p.productid

                order by th.quantity desc)

from bigproduct as p

join bigtransactionhistory as th on th.productid=p.productid

where p.productid between 1001 and 3001

执行此语句并输出实际执行计划如图1-1

 

                                                                 图1-1

可以看出我的这条语句由于对大量结果集进行排序,致使消耗了365MB的内存,并且由于分别对actualcost, quantity排序使得在进行第二个排序时内存不足并溢出,排序的操作只能在tempdb中进行.

Sort由于是典型的计算密集型运算符,此查询在我的机器上执行时间为5s

大量的内存被个别查询长时间独占,使得Buffer Pool的稳定性下降,进而可能影响整体吞吐.

这里关于Sort运算的资源消耗我就不细说了,SQL Server的资深从业者邹建曾经发帖问及过关于排序内存消耗的问题,我在跟帖中解答过,有兴趣的朋友可以看看(shanks_gao是我的回答)

 关于SQL Server排序使用内存的讨论

在介绍”类MapReduce”之前,我想先接着上面Sort溢出的现象给大家简单介绍下通过Query hints 来影响优化器的资源分配.

废话不说,直接上菜:

code

Declare

@p1 int,

@p2 nvarchar(56),

@p3 smallint,

@p4 int,

@p5 bigint,

@p6 bigint,

@i int

select @i=3001;



with p as

(

select productid,

ProductNumber=convert(nvarchar(56),ProductNumber),

reorderpoint

from bigproduct as bp

)

select 

@p1=p.productid,

@p2=p.productnumber,

@p3=p.reorderpoint,

@p4=th.transactionid,

@p5=rank()over (partition by p.productid

                order by th.actualcost desc),

@p6=rank()over (partition by p.productid

                order by th.quantity desc)

from bigproduct as p

join bigtransactionhistory as th on th.productid=p.productid

where p.productid between 1001 and @i

option(OPTIMIZE FOR (@i=5001))

通过查询可以看出由于我加了Query Hint,改变了优化器的资源评估标准,使得优化器认为productid本身需要资源从1001 and 3001分配变为了1001 and 5001分配,内存申请由365MB变为了685MB,接近一倍的增长,避免了溢出.并且执行时间也由5S变为了2S.提升了用户体验

如图1-2

                                                      图1-2

 

可以看到溢出与不溢出在查询消耗时间上差别很大,但这样就是好了吗?其实未必,毕竟即便在非溢出的情形中将近700MB的内存近2s内被这个查询占用,这在高并发的OLTP环境中是伤全局的.那更理想的解决方式呢?

在并行执行计划中是多个线程(CPU核)协同工作,这里面的Sort面对大量数据结果集时即便多核同时进行,在复杂的预算面前也是有些力不从心.在分布式的思想中,讲究分而治之,我们只要将大的结果集化为多个小的部分并多核同时进行排序,这样就达到了分而治之的效果.也就是标题说的”MapReduce”

幸好,在SQL Server实现并行运算的运算符”nestloop”与之相似.

 

并行Nest loop Join实现方式

在并行循环嵌套中,外表数据Scan,seek多线程(threads)同时进行(Map),而内表的在每个thread上串行执行(Reduce).

优点:可以减少执行过程中各线程数据流的数据交换

显著的减少内存需求.

上述查询我用如下的方式实现:

code

Declare

@p1 int,

@p2 nvarchar(56),

@p3 smallint,

@p4 int,

@p5 bigint,

@p6 bigint



select @p1=p.productid,

@p2=p.productnumber,

@p3=p.reorderpoint,

@p4=ca.transactionid,

@p5=ca.linetotalrank,

@p6=ca.orderqtyrank

from bigproduct as p

cross apply

(

select th.transactionid,

linetotalrank=rank()over(

order by th.actualcost desc),

orderqtyrank=rank() over(

order by th.quantity desc)

from bigtransactionhistory as th

where th.productid=p.productid

) as ca

where p.productid between 1001 and 3001

执行中输出实际执行计划可以看出,此计划中消耗的内存15MB,和上述的执行计划相比有指数级的下降,同时执行时间为不到2s,保证执行时间的同时明显降低了资源消耗,从而避免了实例级的影响.

已经很美好了:)

如图1-3

 

                                                           图1-3

到这里其实我们已经达到了我们想要的效果,但还可以更好吗?我们还需要多了解些.

上面我讲到了并行nest loops的优点,少资源占用,少数据交换.但就像在我以前的博客中说的那样:”任何术都是有缺陷的”,并行中很可能造成数据的倾斜,如上图1-3中蓝线中标注的外表seek,实际是只在一个thread中完成的.优化器为我们加了数据交换,使得外部的数据在多个threads下分布均衡与内表匹配提升效率,但优化器可不会每次都如此”好心”(智能).

其实在并行seek,scan中由于实现方式在05到08的过程变化很大,使得操作更需注意,这里我就先不细说了,在之后的博客或是讲座中我再分享.

我们直接上解决方案:

select bp.productid,

bp.productnumber,

bp.reorderpoint

into #p

from bigproduct as bp

where bp.productid between 1001 and 3001



alter table #p add primary key (productid)



Declare

@p1 int,

@p2 nvarchar(56),

@p3 smallint,

@p4 int,

@p5 bigint,

@p6 bigint



select @p1=p.productid,

@p2=p.productnumber,

@p3=p.reorderpoint,

@p4=ca.transactionid,

@p5=ca.linetotalrank,

@p6=ca.orderqtyrank

from #p as p

cross apply

(

select th.transactionid,

linetotalrank=rank()over(

order by th.actualcost desc),

orderqtyrank=rank() over(

order by th.quantity desc)

from bigtransactionhistory as th

where th.productid=p.productid

) as ca



drop table #p

通过查询时输出执行计划 如图1-4所示

我们可以看到通过将外表数据放入临时表中,使得内存消耗进一步降低,而数据较为平均的分布到多个threads中,你可能看到其中不少threads是没有数据的,其实有时需要我们根据查询管控并行度的.而在执行时间上有可能得到进一步的改善!

 

                                                                                  图1-4

 

说点体外话,不少朋友认为SQL Server是小儿科,没内容,技术含量不高.而且在国内的互联网公司中又显得格格不入.这里我可以告诉大家,SQL Server,乃至关系型数据库的水很深.举个简单的例子在双11当晚,我对我们的一个实例调整了一个大家可能都知道的参数就使得CPU消耗明显下降而访问量继续增加,但调整这个参数的过程远没有动动手那么简单..如果你是相关的从业者,全身心的投入进来吧,其实很好玩.

结语:作为一个DBA,一个IT从业者处理问题时时刻需要我们权衡,权衡的基础就是我们的知识储备及经验,愿我们大家一起努力,一起成长.

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最后奉上我儿子小蓝天的靓照.

小宝贝出生了,压力增加,动力更强了,哪些朋友如果有SQL Server相关的培训或是优化,架构等方面的需求可以联系我.为了小蓝天,为了家要更拼些.