一、执行计划
1. SQL执行计划概述
SQL执行计划是一个节点树，显示MogDB执行一条SQL语句时执行的详细步骤。每一个步骤为一个数据库运算符。
使用EXPLAIN命令可以查看优化器为每个查询生成的具体执行计划。EXPLAIN给每个执行节点都输出一行，显示基本的节点类型和优化器为执行这个节点预计的开销值。如图1所示。
SQL执行计划示例
最底层节点是表扫描节点，它扫描表并返回原始数据行。不同的表访问模式有不同的扫描节点类型: 顺序扫描、索引扫描等。最底层节点的扫描对象也可能是非表行数据（不是直接从表中读取的数据），如VALUES子句和返回行集的函数，它们有自己的扫描节点类型。
如果查询需要连接、聚集、排序、或者对原始行做其它操作，那么就会在扫描节点之上添加其它节点。 并且这些操作通常都有多种方法，因此在这些位置也有可能出现不同的执行节点类型。
第一行（最上层节点）是执行计划总执行开销的预计。这个数值就是优化器试图最小化的数值。
2. 执行计划显示信息
除了设置不同的执行计划显示格式外，还可以通过不同的EXPLAIN用法，显示不同详细程度的执行计划信息。常见有如下几种:
EXPLAIN statement：只生成执行计划，不实际执行。其中statement代表SQL语句。
EXPLAIN ANALYZE statement：生成执行计划，进行执行，并显示执行的概要信息。显示中加入了实际的运行时间统计，包括在每个规划节点内部花掉的总时间（以毫秒计）和它实际返回的行数。
EXPLAIN PERFORMANCE statement：生成执行计划，进行执行，并显示执行期间的全部信息。
为了测量运行时在执行计划中每个节点的开销，EXPLAIN ANALYZE或EXPLAIN PERFORMANCE会在当前查询执行上增加性能分析的开销。在一个查询上运行EXPLAIN ANALYZE或EXPLAIN PERFORMANCE有时会比普通查询明显的花费更多的时间。超支的数量依赖于查询的本质和使用的平台。
因此，当定位SQL运行慢问题时，如果SQL长时间运行未结束，建议通过EXPLAIN命令查看执行计划，进行初步定位。如果SQL可以运行出来，则推荐使用EXPLAIN ANALYZE或EXPLAIN PERFORMANCE查看执行计划及其实际的运行信息，以便更精准地定位问题原因。
EXPLAIN PERFORMANCE轻量化执行方式与EXPLAIN PERFORMANCE保持一致，在原来的基础上减少了性能分析的时间，执行时间与SQL执行时间的差异显著减少
3. 详解
如SQL执行计划概述节中所说，EXPLAIN会显示执行计划，但并不会实际执行SQL语句。EXPLAIN ANALYZE和EXPLAIN PERFORMANCE两者都会实际执行SQL语句并返回执行信息。在这一节将详细解释执行计划及执行信息。
4. 执行计划
以如下SQL语句为例:
```sql SELECT * FROM t1, t2 WHERE t1.c1 = t2.c2; ```
执行EXPLAIN的输出为:
执行计划层级解读（纵向）:
第一层: Seq Scan on t2
表扫描算子，用Seq Scan的方式扫描表t2。这一层的作用是把表t2的数据从buffer或者磁盘上读上来输送给上层节点参与计算。
第二层: Hash
Hash算子，作用是把下层计算输送上来的算子计算hash值，为后续hash join操作做数据准备。
第三层: Seq Scan on t1
表扫描算子，用Seq Scan的方式扫描表t1。这一层的作用是把表t1的数据从buffer或者磁盘上读上来输送给上层节点参与hash join计算。
第四层: Hash Join
join算子，主要作用是将t1表和t2表的数据通过hash join的方式连接，并输出结果数据。
执行计划中的关键字说明:
表访问方式
Seq Scan
全表顺序扫描。
Index Scan
优化器决定使用两步的规划: 最底层的规划节点访问一个索引，找出匹配索引条件的行的位置，然后上层规划节点真实地从表中抓取出那些行。独立地抓取数据行比顺序地读取它们的开销高很多，但是因为并非所有表的页面都被访问了，这么做实际上仍然比一次顺序扫描开销要少。使用两层规划的原因是，上层规划节点在读取索引标识出来的行位置之前，会先将它们按照物理位置排序，这样可以最小化独立抓取的开销。
如果在WHERE里面使用的好几个字段上都有索引，那么优化器可能会使用索引的AND或OR的组合。但是这么做要求访问两个索引，因此与只使用一个索引，而把另外一个条件只当作过滤器相比，这个方法未必是更优。
索引扫描可以分为以下几类，他们之间的差异在于索引的排序机制。
Bitmap Index Scan
使用位图索引抓取数据页。
Index Scan using index_name
使用简单索引搜索，该方式表的数据行是以索引顺序抓取的，这样就令读取它们的开销更大，但是这里的行少得可怜，因此对行位置的额外排序并不值得。最常见的就是看到这种规划类型只抓取一行，以及那些要求ORDER BY条件匹配索引顺序的查询。因为那时候没有多余的排序步骤是必要的以满足ORDER BY。
表连接方式
Nested Loop
嵌套循环，适用于被连接的数据子集较小的查询。在嵌套循环中，外表驱动内表，外表返回的每一行都要在内表中检索找到它匹配的行，因此整个查询返回的结果集不能太大（不能大于10000），要把返回子集较小的表作为外表，而且在内表的连接字段上建议要有索引。
(Sonic) Hash Join
哈希连接，适用于数据量大的表的连接方式。优化器使用两个表中较小的表，利用连接键在内存中建立hash表，然后扫描较大的表并探测散列，找到与散列匹配的行。Sonic和非Sonic的Hash Join的区别在于所使用hash表结构不同，不影响执行的结果集。
Merge Join
归并连接，通常情况下执行性能差于哈希连接。如果源数据已经被排序过，在执行融合连接时，并不需要再排序，此时融合连接的性能优于哈希连接。
运算符
sort
对结果集进行排序。
filter
EXPLAIN输出显示WHERE子句当作一个"filter"条件附属于顺序扫描计划节点。这意味着规划节点为它扫描的每一行检查该条件，并且只输出符合条件的行。预计的输出行数降低了，因为有WHERE子句。不过，扫描仍将必须访问所有 10000 行，因此开销没有降低；实际上它还增加了一些（确切的说，通过10000 * cpu_operator_cost）以反映检查WHERE条件的额外CPU时间。
LIMIT
LIMIT限定了执行结果的输出记录数。如果增加了LIMIT，那么不是所有的行都会被检索到。
执行信息
```sql select sum(t2.c1) from t1,t2 where t1.c1=t2.c2 group by t1.c2; ```
执行EXPLAIN PERFORMANCE输出为:
二、 SMP并行执行
1. 特性简介
MogDB的SMP并行技术是一种利用计算机多核CPU架构来实现多线程并行计算，以充分利用CPU资源来提高查询性能的技术。
2. 特性描述
在复杂查询场景中，单个查询的执行较长，系统并发度低，通过SMP并行执行技术实现算子级的并行，能够有效减少查询执行时间，提升查询性能及资源利用率。SMP并行技术的整体实现思想是对于能够并行的查询算子，将数据分片，启动若干个工作线程分别计算，最后将结果汇总，返回前端。SMP并行执行增加数据交互算子Stream，实现多个工作线程之间的数据交互，确保查询的正确性，完成整体的查询。
SMP特性通过算子并行来提升性能，同时会占用更多的系统资源，包括CPU、内存、I/O等等。本质上SMP是一种以资源换取时间的方式，在合适的场景以及资源充足的情况下，能够起到较好的性能提升效果；但是如果在不合适的场景下，或者资源不足的情况下，反而可能引起性能的劣化。SMP特性适用于分析类查询场景，这类场景的特点是单个查询时间较长，业务并发度低。通过SMP并行技术能够降低查询时延，提高系统吞吐性能。然而在事务类大并发业务场景下，由于单个查询本身的时延很短，使用多线程并行技术反而会增加查询时延，降低系统吞吐性能。
3. 适用场景
支持并行的算子：计划中存在以下算子支持并行。
Scan：支持行存普通表和行存分区表顺序扫描 、列存普通表和列存分区表顺序扫描。
Join：HashJoin、NestLoop
Agg：HashAgg、SortAgg、PlainAgg、WindowAgg（只支持partition by，不支持order by）
Stream：Local Redistribute、Local Broadcast
其他：Result、Subqueryscan、Unique、Material、Setop、Append、VectoRow。
SMP特有算子：为了实现并行，新增了并行线程间的数据交换Stream算子供SMP特性使用。这些新增的算子可以看做Stream算子的子类。
Local Gather：实现实例内部并行线程的数据汇总。
Local Redistribute：在实例内部各线程之间，按照分布键进行数据重分布。
Local Broadcast：将数据广播到实例内部的每个线程。
Local RoundRobin：在实例内部各线程之间实现数据轮询分发。
示例说明，以TPCH Q1的并行计划为例。
在这个计划中，实现了Scan以及HashAgg算子的并行，并新增了Local Gather数据交换算子。其中3号算子为Local Gather算子，上面标有的“dop: 1/4”表明该算子的发送端线程的并行度为4，而接受端线程的并行度为1，即下层的4号HashAggregate算子按照4并行度执行，而上层的1~2号算子按照串行执行，3号算子实现了实例内并行线程的数据汇总。
通过计划Stream算子上表明的dop信息即可看出各个算子的并行情况。
4. 非适用场景
索引扫描不支持并行执行。
MergeJoin不支持并行执行。
WindowAgg order by不支持并行执行。
cursor不支持并行执行。
存储过程和函数内的查询不支持并行执行。
不支持子查询subplan和initplan的并行，以及包含子查询的算子的并行。
查询语句中带有median操作的查询不支持并行执行。
带全局临时表的查询不支持并行执行。
物化视图的更新不支持并行执行。
5. 资源对SMP性能的影响
SMP架构是一种利用富余资源来换取时间的方案，计划并行之后必定会引起资源消耗的增加，包括CPU、内存、I/O等资源的消耗都会出现明显的增长，而且随着并行度的增大，资源消耗也随之增大。当上述资源成为瓶颈的情况下，SMP无法提升性能，反而可能导致集群整体性能的劣化。下面对各种资源对SMP性能的影响情况分别进行说明。
CPU资源
在一般客户场景中，系统CPU利用率不高的情况下，利用SMP并行架构能够更充分地利用系统CPU资源，提升系统性能。但当数据库服务器的CPU核数较少，CPU利用率已经比较高的情况下，如果打开SMP并行，不仅性能提升不明显，反而可能因为多线程间的资源竞争而导致性能劣化。
内存资源
查询并行后会导致内存使用量的增长，但每个算子使用内存上限仍受到work_mem等参数的限制。假设work_mem为4GB，并行度为2，那么每个并行线程所分到的内存上限为2GB。在work_mem较小或者系统内存不充裕的情况下，使用SMP并行后，可能出现数据下盘，导致查询性能劣化的问题。
I/O资源
要实现并行扫描必定会增加I/O的资源消耗，因此只有在I/O资源充足的情况下，并行扫描才能够提高扫描性能。
6. 其他因素对SMP性能的影响
除了资源因素外，还有一些因素也会对SMP并行性能造成影响。例如分区表中分区数据不均，以及系统并发度等因素。
数据倾斜对SMP性能的影响
当数据中存在严重数据倾斜时，并行效果较差。例如某表join列上某个值的数据量远大于其他值，开启并行后，根据join列的值对该表数据做hash重分布，使得某个并行线程的数据量远多于其他线程，造成长尾问题，导致并行后效果差。
系统并发度对SMP性能的影响
SMP特性会增加资源的使用，而在高并发场景下资源剩余较少。所以，如果在高并发场景下，开启SMP并行，会导致各查询之间严重的资源竞争问题。一旦出现了资源竞争的现象，无论是CPU、I/O、内存，都会导致整体性能的下降。因此在高并发场景下，开启SMP往往不能达到性能提升的效果，甚至可能引起性能劣化。
7. SMP 使用建议
使用限制
想要利用SMP提升查询性能需要满足以下条件：
系统的CPU、内存、I/O和网络带宽等资源充足。SMP架构是一种利用富余资源来换取时间的方案，计划并行之后必定会引起资源消耗的增加，当上述资源成为瓶颈的情况下，SMP无法提升性能，反而可能导致性能的劣化。在出现资源瓶颈的情况下，建议关闭SMP。
配置步骤
观察当前系统负载情况，如果系统资源充足（资源利用率小于50%），执行步骤2；否则退出。
设置query_dop=1（默认值），利用explain打出执行计划，观察计划是否符合SMP适用场景与限制小节中的适用场景。如果符合，进入步骤3。
设置query_dop=value，不考虑资源情况和计划特征，强制选取dop为1或value。
在符合条件的查询语句执行前设置合适的query_dop值，在语句执行结束后关闭query_dop。举例如下。
```sql MogDB=SET query_dop = 4; MogDB=SELECT COUNT(*) FROM t1 GROUP BY a; ...... MogDB=SET query_dop = 1; Copy ```
说明:
资源许可的情况下，并行度越高，性能提升效果越好。
SMP并行度支持会话级设置，推荐客户在执行符合要求的查询前，打开smp，执行结束后，关闭smp。以免在业务峰值时，对业务造成冲击。
5. query_dop
参数说明: 用户自定义的查询并行度。
该参数属于USERSET类型参数，请参考表GUC参数分类中对应设置方法进行设置。
取值范围: 整型，1~64。打开固定SMP功能，系统会使用固定并行度。
说明: 在开启并行查询后，请保证系统CPU、内存、网络等资源充足，以达到最佳效果。
默认值: 1
三、测试
1. 构建测试数据
```sql [omm@node1 ~]$ gsql -d postgres -p26000 -r gsql ((openGauss 3.1.0 build 2c0ccaf9) compiled at 2022-09-25 19:32:58 commit 0 last mr ) Non-SSL connection (SSL connection is recommended when requiring high-security) Type "help" for help. openGauss=create table test (id int,en varchar(200)); CREATE TABLE Time: 9.511 ms openGauss=insert into test values(generate_series(1,10000000),md5(random()::text)); INSERT 0 10000000 Time: 25792.555 ms openGauss=\d+ List of relations Schema | Name | Type | Owner | Size | Storage | Description --------+------+-------+-------+--------+----------------------------------+------------- public | test | table | omm | 657 MB | {orientation=row,compression=no} | (1 row) ```
2. CPU为16c时
query_dop=1 ```sql openGauss=\timing Timing is on. openGauss=set query_dop=1; SET Time: 0.322 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 1603.324 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 673.562 ms ``` query_dop=4 ```sql openGauss=set query_dop=4; SET Time: 0.306 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 210.510 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 217.283 ms ``` query_dop=8 ```sql openGauss=set query_dop=8; SET Time: 0.258 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 165.018 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 157.060 ms ``` query_dop=16 ```sql openGauss=set query_dop=16; SET Time: 0.274 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 173.323 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 163.022 ms ``` 3. CPU为8c query_dop=1 ```sql openGauss=set query_dop=1; SET Time: 0.242 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 3426.668 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 990.474 ms ``` query_dop=4 ```sql openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 349.525 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 381.206 ms ``` query_dop=8 ```sql openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 283.316 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 277.508 ms ``` query_dop=16 ```sql openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 189.836 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 188.878 ms ```
4. CPU为4c
query_dop=1 ```sql openGauss=\timing Timing is on. openGauss=set query_dop=1; SET Time: 0.314 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 3119.898 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 972.142 ms ``` query_dop=4 ```sql openGauss=set query_dop=4; SET Time: 0.267 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 380.970 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 337.972 ms ``` query_dop=8 ```sql openGauss=set query_dop=8; SET Time: 0.297 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 258.877 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 266.643 ms ``` query_dop=16 ```sql openGauss=set query_dop=16; SET Time: 0.306 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 224.949 ms openGauss=select * from test where id=999; id | en -----+---------------------------------- 999 | 4b9d69053e3de0ed30e1b9e3283f7270 (1 row) Time: 216.097 ms ```
汇总
| 并行度 | 16c SQL执行时间 | 8c SQL 执行时间 | 4c SQL执行时间 |
| query_dop=1 | 660 ms | 990 ms | 972 ms |
| query_dop=4 | 215 ms |
349 ms |
380 ms |
query_dop=8 |
165 ms |
277 ms |
258 ms |
query_dop=16 |
166 ms |
188 ms |
224 ms |
query_dop=32 |
200 ms |
243 ms |
305 ms |
query_dop=64 |
325 ms |
387 ms |
440 ms |
