PostgreSQL 数据离散性 与 索引扫描性能(btree and bitmap index scan)

本文涉及的产品
RDS MySQL Serverless 基础系列,0.5-2RCU 50GB
云数据库 RDS MySQL,集群系列 2核4GB
推荐场景:
搭建个人博客
云数据库 RDS SQL Server,基础系列 2核4GB
简介:

标签

PostgreSQL , 数据离散性 , 扫描性能 , 重复扫 , bitmap index scan , 排序扫描


背景

PostgreSQL中数据的扫描方法很多,常见的有:

1、全表顺序扫描(seqscan)

2、索引+回表扫描(index scan)

3、索引扫描(index only scan)

4、bitmap扫描(bitmap index + block sorted heap scan)

那么对于同一张表,返回同样的记录数,不同的索引,效率有什么差别呢?

回答是和数据的存储线性相关性有关。(PostgreSQL的bitmap scan就是用来解这个问题的)

例子

1、构造一份数据,1000万记录,其中一个字段存储线性相关(时序),另一个字段乱序。

postgres=# create table corr_test(c1 int, c2 int);  
CREATE TABLE  
postgres=# insert into corr_test select generate_series(1,10000000) , random()*10000000;  
INSERT 0 10000000  

2、创建索引

postgres=# create index idx_corr_test_1 on corr_test (c1);  
CREATE INDEX  
postgres=# create index idx_corr_test_2 on corr_test (c2);  
CREATE INDEX  

3、记录如下

postgres=# select count (distinct c1), count(distinct c2) from corr_test ;  
-[ RECORD 1 ]---  
count | 10000000  
count | 6321273  

4、查看两个字段的存储线性相关性(correlation)

《PostgreSQL 计算 任意类型 字段之间的线性相关性》

《PostgreSQL 统计信息之 - 逻辑与物理存储的线性相关性》

《索引顺序扫描引发的堆扫描IO放大背后的统计学原理与解决办法 - PostgreSQL index scan enlarge heap page scans when index and column correlation small.》

postgres=# analyze corr_test ;  
ANALYZE  
postgres=# select * from pg_stats where tablename='corr_test';  
-[ RECORD 1 ]----------+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
schemaname             | public  
tablename              | corr_test  
attname                | c1  
inherited              | f  
null_frac              | 0  
avg_width              | 4  
n_distinct             | -1  
most_common_vals       |   
most_common_freqs      |   
histogram_bounds       | {264,92701,193390,294012,388058,485346,593684,685077,789274,894145,997995,1089782,1200355,1283219,1378625,1483703,1579768,1686405,1784210,1881611,1986283,2081148,2174498,2283021,2374024,2488115,2595505,2692236,2786642,2885331,2986908,3084688,3189282,3286800,3391763,3498828,3590785,3680583,3783899,3899023,3986142,4086260,4182787,4279303,4376024,4474895,4557993,4658238,4769987,4860761,4952944,5060715,5167068,5268284,5368289,5478782,5576872,5682785,5777336,5882893,5979896,6092909,6192493,6283722,6386922,6481272,6590049,6684505,6784638,6877767,6977433,7073017,7169473,7267987,7374703,7467565,7572386,7674582,7770014,7866422,7977399,8086125,8193108,8289676,8391245,8493604,8600614,8697894,8800583,8899375,9003507,9112105,9205179,9296198,9397346,9498380,9594476,9690568,9788951,9895128,9999848}  
correlation            | 1   # 线性相关  
most_common_elems      |   
most_common_elem_freqs |   
elem_count_histogram   |   
-[ RECORD 2 ]----------+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
schemaname             | public  
tablename              | corr_test  
attname                | c2  
inherited              | f  
null_frac              | 0  
avg_width              | 4  
n_distinct             | -0.51138  
most_common_vals       | {426318,766194,855444,1149657,1200975,1220163,1365550,2088174,2140281,2763150,3056426,3112825,3121883,3155120,3215926,3301333,3560657,4426775,4594877,4777035,5252068,5677480,5854408,6189177,6218589,6244509,6302874,6739846,6791877,7114618,7339405,7868148,8246024,8401824,8581341,8804281,9126954,9441793,9478704,9596435,9695680,9878570,9971294}  
most_common_freqs      | {6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05,6.66667e-05}  
histogram_bounds       | {271,106225,201567,294497,392824,494367,588776,678500,770927,868980,969487,1070023,1163902,1263888,1370143,1469104,1560941,1663822,1774042,1878441,1968698,2062914,2165452,2269587,2379207,2488012,2588110,2687086,2794150,2901621,3008186,3110180,3209342,3310782,3405087,3496885,3595592,3703924,3809056,3912808,4005481,4106138,4198143,4299460,4389301,4488847,4586914,4678114,4783071,4874577,4967846,5068838,5157910,5258764,5360550,5461419,5549937,5652323,5748370,5850884,5956837,6062955,6164560,6260734,6359909,6464077,6563959,6656376,6757534,6846335,6939362,7033698,7137829,7252307,7356135,7453579,7553301,7656348,7766475,7860057,7960997,8067532,8176088,8278098,8378888,8473638,8589748,8697667,8797619,8894596,8999418,9101559,9200533,9305406,9394744,9497708,9598103,9699825,9803509,9901242,9999667}  
correlation            | 0.00410469  # 线性不相关  
most_common_elems      |   
most_common_elem_freqs |   
elem_count_histogram   |   

这两个字段的相关性反差非常明显,C1字段的存储完全线性相关,C2字段完全不相干。

如果按索引顺序扫描这张表,使用C1索引,由于存储线性相关,因此在HEAP上的BLOCK扫描也几乎是线性的。

然而C2字段由于存储完全不相关,如果使用C2字段的索引扫描,会导致IO重复扫描,导致放大。

5、强制模拟索引扫描:

postgres=# set enable_seqscan=off;  
SET  
postgres=# set enable_bitmapscan =off;  
SET  
  
线性扫描,扫描71573个数据块  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from corr_test where c1 between 1 and 10000000;  
                                                                       QUERY PLAN                                                                         
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Index Scan using idx_corr_test_1 on public.corr_test  (cost=0.43..274413.40 rows=10000033 width=8) (actual time=0.017..1919.720 rows=10000000 loops=1)  
   Output: c1, c2  
   Index Cond: ((corr_test.c1 >= 1) AND (corr_test.c1 <= 10000000))  
   Buffers: shared hit=71573  
 Planning time: 0.142 ms  
 Execution time: 2771.570 ms  
(6 rows)  
  
  
离散扫描,每个BLOCK几乎都被重复扫描了140次,一个BLOCK刚好存储140条记录,说明这140条记录在顺序上完全离散。  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from corr_test where c2 between 1 and 10000000;  
                                                                    QUERY PLAN                                                                       
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Index Scan using idx_corr_test_2 on public.corr_test  (cost=0.43..36296.14 rows=50000 width=8) (actual time=0.029..6563.525 rows=9999999 loops=1)  
   Output: c1, c2  
   Index Cond: ((corr_test.c2 >= 1) AND (corr_test.c2 <= 10000000))  
   Buffers: shared hit=10027095  
 Planning time: 0.089 ms  
 Execution time: 7421.801 ms  
(6 rows)  

6、PostgreSQL对于这种数据,会使用位图扫描,位图扫描的原理是从索引中得到HEAP BLOCK ID,然后按HEAP BLOCK ID 排序后顺序扫描。

排序扫描后,按两个字段的索引扫描,扫描的BLOCK就一样多了。不会有重复扫描的现象。

postgres=# set enable_bitmapscan =on;  
SET  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from corr_test where c1 between 1 and 10000000;  
                                                                   QUERY PLAN                                                                      
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Bitmap Heap Scan on public.corr_test  (cost=2844700.77..3038949.27 rows=10000033 width=8) (actual time=440.230..1691.523 rows=10000000 loops=1)  
   Output: c1, c2  
   Recheck Cond: ((corr_test.c1 >= 1) AND (corr_test.c1 <= 10000000))  
   Heap Blocks: exact=44248  
   Buffers: shared hit=71573  
   ->  Bitmap Index Scan on idx_corr_test_1  (cost=0.00..2842200.77 rows=10000033 width=0) (actual time=433.548..433.548 rows=10000000 loops=1)  
         Index Cond: ((corr_test.c1 >= 1) AND (corr_test.c1 <= 10000000))  
         Buffers: shared hit=27325  
 Planning time: 0.144 ms  
 Execution time: 2510.658 ms  
(10 rows)  
  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from corr_test where c2 between 1 and 10000000;  
                                                                   QUERY PLAN                                                                     
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Bitmap Heap Scan on public.corr_test  (cost=2844700.76..3038949.24 rows=10000032 width=8) (actual time=688.150..1939.259 rows=9999998 loops=1)  
   Output: c1, c2  
   Recheck Cond: ((corr_test.c2 >= 1) AND (corr_test.c2 <= 10000000))  
   Heap Blocks: exact=44248  
   Buffers: shared hit=71573  
   ->  Bitmap Index Scan on idx_corr_test_2  (cost=0.00..2842200.75 rows=10000032 width=0) (actual time=681.488..681.488 rows=9999998 loops=1)  
         Index Cond: ((corr_test.c2 >= 1) AND (corr_test.c2 <= 10000000))  
         Buffers: shared hit=27325  
 Planning time: 0.147 ms  
 Execution time: 2758.621 ms  
(10 rows)  

但是大家请注意BITMAP SCAN会引入一个recheck的过程,因为按BLOCK顺序扫描时,只有BLOCK ID,并不知道这个BLOCK里面哪条记录是匹配的。所以必须要recheck。

因此BITMAP SCAN降低了IO放大,但是引入了recheck。

在成本评估时,起作用的两个成本因子:

1、random_page_cost,离散扫描成本,乘以要扫描的块数。

2、cpu_operator_cost,函数或操作符的基本成本,评估的记录数乘以这个值再乘以函数或操作符的基本成本系数(pg_proc.procost)。

小结

PostgreSQL使用索引扫描时,如果索引顺序与数据存储顺序的相关性很差,会导致HEAP BLOCK扫描的放大(由于乱序导致一个BLOCK被多次读取)。

使用bitmap scan,可以消除HEAP BLOCK扫描的放大问题(按BLOCK ID排序后扫描一遍),但是会引入一个问题,需要rechek。

所以仅仅当评估满足条件的记录数与BLOCK内实际含的记录数相比,比例较大时,使用bitmap scan带来的效果非常好,如果比例较小,那么就当operator带来的消耗比扫描IO带来的消耗小时更划算。

(例如评估出来满足条件的有1000条,扫描100个BLOCK每个BLOCK有50条记录,那么实际上比例就是0.2=1000/(100*50))

除了考虑数据存储的离散性,索引页本身的组织也是离散的,详见:

《深入浅出PostgreSQL B-Tree索引结构》

《PostgreSQL 黑科技 - 空间聚集存储, 内窥GIN, GiST, SP-GiST索引》

https://www.postgresql.org/docs/10/static/pageinspect.html

参考

《PostgreSQL pg_stats used to estimate top N freps values and explain rows》

《PostgreSQL 统计信息pg_statistic格式及导入导出dump_stat - 兼容Oracle》

《PostgreSQL pg_stat_ pg_statio_ 统计信息(scan,read,fetch,hit)源码解读》

《PostgreSQL 计算 任意类型 字段之间的线性相关性》

《PostgreSQL 统计信息之 - 逻辑与物理存储的线性相关性》

《索引顺序扫描引发的堆扫描IO放大背后的统计学原理与解决办法 - PostgreSQL index scan enlarge heap page scans when index and column correlation small.》

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