分布式查询优化：策略与算法解析

### 分布式查询优化：策略与算法解析 在分布式系统中，查询优化是提升系统性能的关键环节。本文将深入探讨分布式查询优化的多种方法，包括动态查询优化、静态方法以及基于半连接的方法，并结合具体示例进行详细解析。 #### 1. 动态查询优化 动态查询优化旨在通过有限的搜索空间来选择最优的查询执行策略。其核心思想是在每一步做出优化决策时，不考虑该决策对全局优化的影响，但具备纠正局部错误决策的能力。 ##### 1.1 关系选择与处理站点确定 选择使通信量最小的关系 `Rp` 通常是最大的关系。假设站点按查询所需有用数据量递减排列，即： \[ \sum_{i=1}^{n} size(R_{j}^{i}) > \sum_{i=1}^{n} size(R_{j+1}^{i}) \] 处理站点数量 `k` 的选择规则如下： ```plaintext if ∑i̸=p(size(Ri)−size(R1i)) > size(R1p) then k = 1 else k 是满足 ∑i̸=p(size(Ri)−size(Rji)) ≤ size(Rjp) 的最大 j ``` 该规则仅当站点接收的数据量小于其非处理站点时需额外发送的数据量时，才选择该站点作为处理站点。 ##### 1.2 示例分析 考虑查询 `PROJ ⋈ ASG`，其中 `PROJ` 和 `ASG` 是分片的。假设分片分配和大小如下（单位：千字节）： | 站点 | PROJ | ASG | | ---- | ---- | ---- | | 1 | 1000 | | | 2 | 1000 | | | 3 | 1000 | 2000 | | 4 | 1000 | | 在点对点网络中，最佳策略是将每个 `PROJ` 分片发送到站点 3，需传输 3000 千字节；而将 `ASG` 发送到站点 1、2 和 4 则需传输 6000 千字节。在广播网络中，最佳策略是将 `ASG` 一次性发送到站点 1、2 和 4，仅需传输 2000 千字节，且由于可以并行执行连接操作，响应时间更短。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(站点1: PROJ 1000):::process --> C(站点3: PROJ 1000, ASG 2000):::process B(站点2: PROJ 1000):::process --> C D(站点4: PROJ 1000):::process --> C ``` #### 2. 静态方法 静态方法以 `R*` 算法为例，它是对之前技术的重大扩展，通过对所有替代策略进行穷举搜索，选择成本最低的策略。 ##### 2.1 算法概述 查询编译是一个分布式任务，由主站点协调。主站点的优化器做出所有站点间的决策，如执行站点和分片的选择以及数据传输方法；学徒站点做出剩余的本地决策并生成本地访问计划。优化器的目标函数是包括本地处理和通信成本的总时间函数。 ##### 2.2 算法步骤 算法的输入是表示为关系代数树的局部查询、关系的位置及其统计信息。具体步骤由 `Static*-QOA` 过程描述： ```plaintext Algorithm 8.5: Static*-QOA Input: QT: query tree Output: strat: minimum cost strategy begin for each relation Ri ∈ QT do for each access path APij to Ri do compute cost(APij) best APi ← APij with minimum cost for each order (Ri1, Ri2, ···, Rin) with i = 1, ···, n! do build strategy (...((best APi1 ⋈ Ri2) ⋈ Ri3) ⋈ ... ⋈ Rin) ; compute the cost of strategy strat ← strategy with minimum cost ; for each site k storing a relation involved in QT do LSk ← local strategy (strategy, k) ; send (LSk, site k) {each local strategy is optimized at site k} end ``` ##### 2.3 连接策略与成本计算 优化器需要选择连接顺序、连接算法（嵌套循环或合并连接）、每个分片的访问路径、连接结果的站点以及站点间的数据传输方法。对于外部关系 `R` 和内部关系 `S` 在属性 `A` 上的连接，有四种连接策略： | 策略 | 描述 | 总成本公式 | | ---- | ---- | ---- | | 策略 1 | 将整个外部关系发送到内部关系的站点 | `Total cost = LT(retrieve card(R) tuples from R) + CT(size(R)) + LT(retrieve s tuples from S) * card(R)` | | 策略 2 | 将整个内部关系发送到外部关系的站点 | `Total cost = LT(retrieve card(S) tuples from S) + CT(size(S)) + LT(store card(S) tuples in T) + LT(retrieve card(R) tuples from R) + LT(retr