PostgreSQL 多维空间几何对象 相交、包含 高效率检索实践 - cube

本文涉及的产品
云数据库 RDS MySQL,集群系列 2核4GB
推荐场景:
搭建个人博客
RDS MySQL Serverless 基础系列,0.5-2RCU 50GB
云原生数据库 PolarDB 分布式版,标准版 2核8GB
简介: 标签PostgreSQL , cube , 空间 , 几何 , 相交 , 包含背景多维空间对象的几何运算,高效率检索实践。例如我们在数据库中存储了多维几何对象,可以使用lower, upper的数组来表达,例如3维度对象:CUBE [ xmin1 ymin1 zmin1 , xmax1 ymax1 zmax1 ] 在介绍CUBE类型前,我们可以使用6个字段(xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax)来表达一个立方体。

标签

PostgreSQL , cube , 空间 , 几何 , 相交 , 包含


背景

多维空间对象的几何运算,高效率检索实践。

例如我们在数据库中存储了多维几何对象,可以使用lower, upper的数组来表达,例如3维度对象:

CUBE  
[  
xmin1  
ymin1  
zmin1  
,  
xmax1  
ymax1  
zmax1  
]  

在介绍CUBE类型前,我们可以使用6个字段(xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax)来表达一个立方体。

包含和相交查询

在介绍CUBE类型前,我们如果使用6个字段来表达立方体,那么相交,包含分别如何标示呢?

包含:

(xmin1 <= xmin2 and xmax1 >= xmax2)  
and  
(ymin1 <= ymin2 and ymax1 >= ymax2)  
and  
(zmin1 <= zmin2 and zmax1 >= zmax2)  

相交:

每个坐标都相交,注意任意坐标相交的方位有

-----  
   -----    
  
或  
  
   -----    
------  
  
或  
  
--------  
  ---   
  
或  
  
---  
   ---  
  
或  
  
---  
---  
  
或  
  
   ---  
---  

每条边都有相交即CUBE相交,表达如下

((xmin1 >= xmin2 and xmin1 <= xmax2) or (xmax1 >= xmin2 and xmax1 <= xmax2) or (xmin1 <= xmin2 and xmax1 >= xmax2))  
and  
((ymin1 >= ymin2 and ymin1 <= ymax2) or (ymax1 >= ymin2 and ymax1 <= ymax2) or (ymin1 <= ymin2 and ymax1 >= ymax2))  
and  
((zmin1 >= zmin2 and zmin1 <= zmax2) or (zmax1 >= zmin2 and zmax1 <= zmax2) or (zmin1 <= zmin2 and zmax1 >= zmax2))  

使用6个字段的空间计算性能

1、创建测试表

create table test1 (  
  id int primary key,   
  x_min int,   
  y_min int,   
  z_min int,  
  x_max int,  
  y_max int,  
  z_max int  
);  

2、写入100万记录

insert into test1 select id, x, y, z, x+1+(random()*100)::int, y+1+(random()*100)::int, z+1+(random()*100)::int   
from (select id, (random()*1000)::int x, (random()*1000)::int y, (random()*1000)::int z from generate_series(1,1000000) t(id)) t ;  

记录如下

postgres=# select * from test1 limit 10;  
 id | x_min | y_min | z_min | x_max | y_max | z_max   
----+-------+-------+-------+-------+-------+-------  
  1 |    37 |   367 |   948 |    93 |   372 |   989  
  2 |   994 |   543 |   596 |  1031 |   613 |   617  
  3 |   399 |   616 |   897 |   444 |   624 |   959  
  4 |   911 |   624 |    67 |  1007 |   705 |    84  
  5 |   286 |   560 |   882 |   334 |   632 |   936  
  6 |   370 |   748 |   897 |   403 |   779 |   992  
  7 |   723 |   292 |   484 |   756 |   358 |   503  
  8 |   514 |    48 |   792 |   556 |    98 |   879  
  9 |    17 |   400 |   485 |    26 |   435 |   514  
 10 |   240 |   631 |   841 |   253 |   642 |   897  
(10 rows)  

3、包含查询

select * from test1 where   
(x_min <= 37 and x_max >= 93)  
and  
(y_min <= 367 and y_max >= 372)  
and  
(z_min <= 948 and z_max >= 989);  
  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test1 where   
(x_min <= 37 and x_max >= 93)  
and  
(y_min <= 367 and y_max >= 372)  
and  
(z_min <= 948 and z_max >= 989);  
                                                                         QUERY PLAN                                                                            
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Seq Scan on public.test1  (cost=0.00..13220.05 rows=539 width=28) (actual time=0.024..79.397 rows=15 loops=1)  
   Output: id, x_min, y_min, z_min, x_max, y_max, z_max  
   Filter: ((test1.x_min <= 37) AND (test1.x_max >= 93) AND (test1.y_min <= 367) AND (test1.y_max >= 372) AND (test1.z_min <= 948) AND (test1.z_max >= 989))  
   Rows Removed by Filter: 999985  
   Buffers: shared hit=1835  
 Planning Time: 0.103 ms  
 Execution Time: 79.421 ms  
(7 rows)  
  
Time: 79.947 ms  
  
  
   id   | x_min | y_min | z_min | x_max | y_max | z_max   
--------+-------+-------+-------+-------+-------+-------  
      1 |    37 |   367 |   948 |    93 |   372 |   989  
 104882 |    17 |   327 |   924 |   111 |   389 |  1012  
 178185 |    31 |   315 |   897 |   104 |   380 |   990  
 228661 |     9 |   363 |   934 |   101 |   394 |  1001  
 275030 |    21 |   334 |   912 |   102 |   379 |  1012  
 405290 |    10 |   356 |   911 |   102 |   435 |   996  
 586417 |    35 |   362 |   930 |   128 |   454 |  1016  
 594367 |    23 |   312 |   943 |   112 |   395 |  1017  
 622753 |    11 |   365 |   916 |    93 |   427 |   995  
 645719 |    32 |   309 |   918 |    94 |   377 |  1015  
 757900 |    34 |   339 |   905 |    98 |   430 |   998  
 784203 |    36 |   344 |   945 |    95 |   390 |  1035  
 824046 |    23 |   367 |   946 |   115 |   423 |  1021  
 878257 |    37 |   339 |   948 |   123 |   398 |  1033  
 914020 |    26 |   358 |   918 |   109 |   379 |  1019  
(15 rows)  
  
Time: 80.269 ms  

4、相交查询

select * from test1 where   
((x_min >= 37 and x_min <= 93) or (x_max >= 37 and x_max <= 93) or (x_min <= 37 and x_max >= 93))  
and  
((y_min >= 367 and y_min <= 372) or (y_max >= 367 and y_max <= 372) or (y_min <= 367 and y_max >= 372))  
and  
((z_min >= 948 and z_min <= 989) or (z_max >= 948 and z_max <= 989) or (z_min <= 948 and z_max >= 989))  
;  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test1 where   
((x_min >= 37 and x_min <= 93) or (x_max >= 37 and x_max <= 93) or (x_min <= 37 and x_max >= 93))  
and  
((y_min >= 367 and y_min <= 372) or (y_max >= 367 and y_max <= 372) or (y_min <= 367 and y_max >= 372))  
and  
((z_min >= 948 and z_min <= 989) or (z_max >= 948 and z_max <= 989) or (z_min <= 948 and z_max >= 989))  
;  
                       QUERY PLAN                                                                                                                          
 Seq Scan on public.test1  (cost=0.00..39229.87 rows=4364 width=28) (actual time=0.026..119.539 rows=483 loops=1)  
   Output: id, x_min, y_min, z_min, x_max, y_max, z_max  
   Filter: ((((test1.x_min >= 37) AND (test1.x_min <= 93)) OR ((test1.x_max >= 37) AND (test1.x_max <= 93)) OR ((test1.x_min <= 37) AND (test1.x_max >= 93))) AND (((test1.y_min >= 367) AND (test1.y_min <= 372)) OR ((test1.y_max >= 367) AND (test1.y_max <= 372)) OR ((test1.y_min <= 367) AND (test1.y_max >= 372))) AND (((test1.z_min >= 948) AND (test1.z_min <= 989)) OR ((test1.z_max >= 948) AND (test1.z_max <= 989)) OR ((test1.z_min <= 948) AND (test1.z_max >= 989))))  
   Rows Removed by Filter: 999517  
   Buffers: shared hit=1835  
 Planning Time: 0.135 ms  
 Execution Time: 119.621 ms  
(7 rows)  
  
Time: 120.283 ms  

cube 类型

cube的多维体表达方法如下

It does not matter which order the opposite corners of a cube are entered in.

The cube functions automatically swap values if needed to create a uniform “lower left — upper right” internal representation.

When the corners coincide, cube stores only one corner along with an “is point” flag to avoid wasting space.

1、创建 cube 插件

create extension cube;  

2、创建测试表

create table test2 (  
  id int primary key,  
  cb cube  
);  

3、将数据导入test2 cube表

insert into test2 select id, cube(array[x_min,y_min,z_min], array[x_max,y_max,z_max]) from test1;  

4、给CUBE类型创建gist索引

create index idx_test2_cb on test2 using gist(cb);  

5、包含查询性能

explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test2 where cb @> cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test2 where cb @> cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';  
                                                           QUERY PLAN                                                              
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Index Scan using idx_test2_cb on public.test2  (cost=0.25..20.65 rows=1000 width=60) (actual time=0.154..0.247 rows=15 loops=1)  
   Output: id, cb  
   Index Cond: (test2.cb @> '(37, 367, 948),(93, 372, 989)'::cube)  
   Buffers: shared hit=26  
 Planning Time: 0.196 ms  
 Execution Time: 0.269 ms  
(6 rows)  
  
postgres=# \timing  
Timing is on.  
postgres=# select * from test2 where cb @> cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';  
   id   |               cb                  
--------+---------------------------------  
      1 | (37, 367, 948),(93, 372, 989)  
 228661 | (9, 363, 934),(101, 394, 1001)  
 586417 | (35, 362, 930),(128, 454, 1016)  
 824046 | (23, 367, 946),(115, 423, 1021)  
 914020 | (26, 358, 918),(109, 379, 1019)  
 104882 | (17, 327, 924),(111, 389, 1012)  
 594367 | (23, 312, 943),(112, 395, 1017)  
 645719 | (32, 309, 918),(94, 377, 1015)  
 784203 | (36, 344, 945),(95, 390, 1035)  
 275030 | (21, 334, 912),(102, 379, 1012)  
 757900 | (34, 339, 905),(98, 430, 998)  
 878257 | (37, 339, 948),(123, 398, 1033)  
 405290 | (10, 356, 911),(102, 435, 996)  
 622753 | (11, 365, 916),(93, 427, 995)  
 178185 | (31, 315, 897),(104, 380, 990)  
(15 rows)  
  
Time: 0.685 ms  

6、相交查询性能

select * from test2 where cb && cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';  
  
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test2 where cb && cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';  
                                                            QUERY PLAN                                                              
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Index Scan using idx_test2_cb on public.test2  (cost=0.25..76.66 rows=5000 width=60) (actual time=0.086..0.943 rows=483 loops=1)  
   Output: id, cb  
   Index Cond: (test2.cb && '(37, 367, 948),(93, 372, 989)'::cube)  
   Buffers: shared hit=505  
 Planning Time: 0.085 ms  
 Execution Time: 1.011 ms  
(6 rows)  
  
Time: 1.506 ms  

7、除此以外,CUBE还支持很多的几何计算操作符,也可以做包含点的查询。

https://www.postgresql.org/docs/devel/static/cube.html

postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from test2 where cb @> cube '(37,367,948)';
                                                            QUERY PLAN                                                            
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Index Scan using idx_test2_cb on public.test2  (cost=0.25..20.65 rows=1000 width=60) (actual time=0.153..0.420 rows=107 loops=1)
   Output: id, cb
   Index Cond: (test2.cb @> '(37, 367, 948)'::cube)
   Buffers: shared hit=121
 Planning Time: 0.077 ms
 Execution Time: 0.448 ms
(6 rows)

Time: 0.893 ms

优化

如果SQL请求返回的记录数非常多,建议流式返回,同时建议根据BLOCK设备的随机IO能力设置正确的random_page_cost参数。

《PostgreSQL 10 参数模板 - 珍藏级》

流式返回例子

postgres=# begin;
BEGIN
postgres=# declare cur1 cursor for select * from test2 where cb && cube '[(37,367,948), (93,372,989)]';
DECLARE CURSOR
postgres=# \timing
Timing is on.
postgres=# fetch 10 from cur1;
   id   |               cb               
--------+--------------------------------
  41724 | (65, 363, 939),(87, 425, 980)
 115087 | (72, 362, 977),(97, 454, 1005)
 235266 | (74, 362, 958),(133, 457, 994)
 489571 | (51, 362, 970),(101, 393, 989)
 655616 | (77, 359, 932),(79, 455, 1026)
 786710 | (73, 358, 942),(160, 374, 960)
      1 | (37, 367, 948),(93, 372, 989)
   6441 | (48, 368, 949),(88, 426, 964)
  59620 | (29, 364, 939),(60, 452, 997)
 153554 | (22, 367, 959),(75, 374, 997)
(10 rows)

Time: 0.297 ms
postgres=# end;
COMMIT
Time: 0.138 ms

如果是SSD盘,建议random_page_cost设置为1.1-1.3

alter system set random_page_cost=1.3;
select pg_reload_conf();

小结

使用cube插件,我们在对多维几何空间对象进行查询时,可以使用GIST索引,性能非常棒。

在100万空间对象的情况下,性能提升了100倍。

PS, test1表(分字段表达)即使使用BTREE索引,效果也不好,因为多字段的范围检索,初级索引是要全扫描的,以前有一个智能DNS的例子类似,使用GIST提升了20多倍性能。

《PostgreSQL 黑科技 range 类型及 gist index 20x+ speedup than Mysql index combine query》

使用CUBE插件,我们还可以用来计算多维对象的向量相似性,按向量相似性排序。参考末尾连接。

参考

《PostgreSQL 相似人群圈选,人群扩选,向量相似 使用实践》

《PostgreSQL 黑科技 range 类型及 gist index 20x+ speedup than Mysql index combine query》

《通过空间思想理解GiST索引的构造》

https://www.postgresql.org/docs/devel/static/cube.html

相关实践学习
使用PolarDB和ECS搭建门户网站
本场景主要介绍基于PolarDB和ECS实现搭建门户网站。
阿里云数据库产品家族及特性
阿里云智能数据库产品团队一直致力于不断健全产品体系,提升产品性能,打磨产品功能,从而帮助客户实现更加极致的弹性能力、具备更强的扩展能力、并利用云设施进一步降低企业成本。以云原生+分布式为核心技术抓手,打造以自研的在线事务型(OLTP)数据库Polar DB和在线分析型(OLAP)数据库Analytic DB为代表的新一代企业级云原生数据库产品体系, 结合NoSQL数据库、数据库生态工具、云原生智能化数据库管控平台,为阿里巴巴经济体以及各个行业的企业客户和开发者提供从公共云到混合云再到私有云的完整解决方案,提供基于云基础设施进行数据从处理、到存储、再到计算与分析的一体化解决方案。本节课带你了解阿里云数据库产品家族及特性。
目录
相关文章
|
3月前
|
SQL 关系型数据库 数据库
手把手教你管理PostgreSQL数据库及其对象
手把手教你管理PostgreSQL数据库及其对象
57 0
|
6月前
|
分布式计算 关系型数据库 大数据
MaxCompute产品使用合集之怎么才可以将 PostgreSQL 中的 geometry 空间类型字段同步到 MaxCompute 或另一个 PostgreSQL 数据库
MaxCompute作为一款全面的大数据处理平台,广泛应用于各类大数据分析、数据挖掘、BI及机器学习场景。掌握其核心功能、熟练操作流程、遵循最佳实践,可以帮助用户高效、安全地管理和利用海量数据。以下是一个关于MaxCompute产品使用的合集,涵盖了其核心功能、应用场景、操作流程以及最佳实践等内容。
|
安全 关系型数据库 数据库
创建 PostgreSQL 表空间时没有指定空间的总大小
创建 PostgreSQL 表空间时没有指定空间的总大小
134 1
|
安全 关系型数据库 数据库
PostgreSQL技术大讲堂 - Part 8:PG对象权限管理
PostgreSQL技术大讲堂 - 对象权限管理
271 1
PostgreSQL技术大讲堂 - Part 8:PG对象权限管理
|
关系型数据库 定位技术 数据库
PostgreSQL技术大讲堂 - 第17讲:Vacuum空间管理工具
PostgreSQL从小白到专家,技术大讲堂 - 第17讲:Vacuum空间管理工具
191 0
|
SQL 关系型数据库 MySQL
Flink同步RDS数据到Elasticsearch实践
Flink同步RDS数据到Elasticsearch实践
|
关系型数据库 PostgreSQL
《PostgreSQL在阿里云的实践与发展》电子版下载地址
《PostgreSQL在阿里云的实践与发展》电子书
103 0
《PostgreSQL在阿里云的实践与发展》电子版下载地址
|
关系型数据库 PostgreSQL
|
关系型数据库 数据库 RDS
《袋鼠云基于阿里云RDS的数据库架构实践》电子版地址
袋鼠云基于阿里云RDS的数据库架构实践
109 0
《袋鼠云基于阿里云RDS的数据库架构实践》电子版地址
|
搜索推荐 关系型数据库 数据库
《阿里云RDS PostgreSQL实践课 2 实时用户画像数据库实践》电子版地址
阿里云RDS PostgreSQL实践课 2 实时用户画像数据库实践
134 0
《阿里云RDS PostgreSQL实践课 2 实时用户画像数据库实践》电子版地址

相关产品

  • 云原生数据库 PolarDB
  • 云数据库 RDS PostgreSQL 版