【云和恩墨大讲堂】从执行计划洞察ORACLE优化器的“小聪明”
黄浩 惠普
十年一剑，十年磨砺。3年通信行业，写就近3万条SQL；5年制造行业，遨游在ETL的浪潮；2年性能优化，厚积薄发自成一家
主题介绍：
Oracle执行计划的另类解读：调皮的执行计划 | 诚实的执行计划 | 朴实的执行计划
说到执行计划，oracle的拥趸们自然而然会兴奋起来。在ORACLE的世界里，执行计划有着其特殊的地位，如果我们将SQL性能优化看成一个生物，那某种程度上，执行计划就是DNA。在某搜索网站中，“oracle 执行计划”关键字的搜索结果与“oracle”关键字的搜索结果占比为1.7%。足可见执行计划在ORACLE中举足轻重的地位：
而当我们输入“oracle执行计划”时，推荐关键字排第一的就是“ORACLE执行计划怎么看”
一个标准的执行计划大致可以分为三个部分：访问方式（表访问、索引访问等）、连接方式（NESTED LOOP、HASH JOIN等）及访问顺序（驱动表等）
我们对上述SQL稍加改动，再看执行计划：
什么情况？DEPT表不见了，执行计划居然“残缺”了：
1、这是ORACLE的BUG吗？
2、少了一张表，结果正确吗？
3、ORACLE优化器如此大胆，其背后是谁在给他撑腰？
4、ORACLE凭什么擅作主张？
为了回答上述问题，我们就进入今天的第一个主题：残缺的执行计划。
残缺的执行计划
在展开之前，我们先做数据准备，分别创建两张表EMP及DEPT，脚本如下：
CREATE TABLE DEPT(
DEPTNO NUMBER(2),
DNAME VARCHAR2(14),
LOC VARCHAR2(13));
CREATE TABLE EMP(
EMPNO NUMBER(4)CONSTRAINT PK_EMP PRIMARYKEY,
ENAME VARCHAR2(10),
JOB VARCHAR2(9),
MGR NUMBER(4),
HIREDATE DATE,
SAL NUMBER(7,2),
COMM NUMBER(7,2),
DEPTNO NUMBER(2) );
现在我们有如下一条语句：
SELECT COUNT(1)
FROM EMP E
LEFTJOIN DEPT D
ON E.DEPTNO = D.DEPTNO
这条语句非常简单，就是获取EMP表与DEPT表内关联后的数据量。在看具体的执行计划之前，我们解读下在常规情况下，DB是如何处理这样的数据的
1、分别读取emp表和DEPT表的数据；
2、对EMP中的DEPTNO与DEPT表中的DEPTNO进行内关联；
3、对内关联后的数据进行汇总计算；
4、返回汇总计算结果。
也就是说会存在EMP与DEPT表的内关联，因为SQL就是这样写的。那我们看下该语句的执行计划，如下：
ORACLE优化器果真是按照我们的预想制定了执行计划。
1唯一性字段对执行计划的影响
由于在模型分析时，我们发现DEPT表的DEPTNO字段是唯一的。于是我们需要通过如下语句为该字段创建主键：
ALTERTABLE DEPT ADDCONSTRAINT PK_DEPT PRIMARYKEY(DEPTNO);
我们再回过头来看执行计划，会发生变化吗？
如果此时的你还不能看出问题，那么我们就对比下DEPT表的主键创建先后执行计划的变化：
俗话说：不比不知道，一比吓一跳。DEPT莫名其妙的被ORACLE优化器弄“丢”了。这不禁让人怀疑：这样的裁剪是否是不负责任的？也就是说，裁剪后的结果是否会因为裁剪而发生变化？在深入了解到LEFT JOIN的原理及模型结构后，你就会明白为何ORACLE优化器在DEPT表创建了基于DEPTNO字段的主键后，会做这样的裁剪。
支持ORACLE做如此大胆裁剪的理由是：
1、 LEFTJOIN在没有where条件过滤的时候，是不会减少结果数据量的；
2、 如果被关联的字段是被关联表的主键（或者唯一性字段），那么是不会使结果数据量增多的。
既然结果集的数据量不增加也不减少，那为何还要多访问一个表，多做一次关联呢？这就是ORACLE的精明之处：简单的就是高效的。
接下来，我们继续上面的实验（当然是基于上面的模型基础，即在DEPT表上创建了基于DEPTNO字段的主键）。这次，我们将LEFT JOIN改成INNER JOIN，看看执行计划是怎么样的：
表结构和约束关系没有发生变化，消失的DEPT又回来了。
神马原因呢？LEFT JOIN是不会有数据过滤的作用的，但是INNER JOIN则有过滤的功用。
为了验证，我们准备如下数据：
INSERTINTO dept(deptno,dname)VALUES(14,'财务');
INSERTINTO dept(deptno,dname)VALUES(31,'行政');
INSERTINTO EMP(EMPNO, ENAME, DEPTNO)VALUES('001','张三',14);
INSERTINTO EMP(EMPNO, ENAME, DEPTNO)VALUES('002','李四',31);
INSERTINTO EMP(EMPNO, ENAME, DEPTNO)VALUES('003','王五',21);
INSERTINTO EMP(EMPNO, ENAME, DEPTNO)VALUES('004','麻六',14);
现在来看看LEFT JOIN和INNER JOIN的不同结果：
也就是说，LEFT JOIN和INNER JOIN还是有差异的，那么在什么情况下才能在执行计划中将DEPT“枪毙”掉呢？
2主外键约束对执行计划的影响
我们对EMP和DEPT创建一个主外键约束（在创建主外键约束前，我需要删除掉empno=’003’的记录）：
ALTERTABLE EMP ADDCONSTRAINT FK_DEPTNO FOREIGNKEY(DEPTNO)REFERENCES DEPT(DEPTNO);
看看效果如何：
这样是不是已经非常明确了DEPT再度消失的原因了？因为创建了主外键，也就是等于说EMP所有的DEPTNO必须要存在DEPT表中，既然有这样的约束，那自然就不需要多此一举的关联DEPT表了。
3字段属性对执行计划的影响
现在我们往EMP表里面再添加一条数据：
INSERTINTO EMP (EMPNO, ENAME, DEPTNO)VALUES('005','赵七',NULL);
再看看INNER JOIN的结果：
结果只有3条数据，明显刚才新增的数据是被过滤掉了，因为他的DEPTNO为null，其null并没有存在于dept表中。
而在执行计划里面，是没有DEPT表的：
也就是说该SQL就应该等价于如下SQL:
SELECT E.EMPNO, E.ENAME
FROM EMP E
我们再看结果：
不对呀，说好的等价呢？难道是执行计划出了问题？还是我们对执行计划的理解错了？也或许是执行计划对我们隐藏了什么？
以上，我们都是在ORACLE的第三方开发工具PL SQL DEVELOPER里面查看的执行计划。现在我们换种方式，在SQL PLUS里面通过explain plan这种最原始的方式来查看执行计划，如下：
原来，在这个执行计划的内容中，明显的多出了“Predicate Information”，而在这部分信息里面，filter是：E.DEPTNO IS NOT NULL。
好吧，我们先把这个谓词放进SQL中，看看效果：
果然，我们发现，增加了这个谓词后，两个SQL又等价了。此时，我们会想：天哪，如果再遇到其他场景，会不会又不等价了？
在关联条件存在主外键关系约束的前提下，如下两个SQL是等价的：
不管你信不信，反正我信了
而此时，我们来看看EMP.DEPTNO的字段属性：
我们发现其Nullable属性为true，即可为null值。而如果我们将该属性值修改为false呢？
DELETEFROM emp WHERE empno ='005';
COMMIT;
ALTERTABLE EMP MODIFY DEPTNO NOTNULL;
再看执行计划：
我们发现原来的“Predicate Information”不见了，也就没有了E.DEPTNO IS NOT NULL的谓词约束。
4程序员与ORACLE的较量
在上面，我们在极力“宣传”着oracle是多么多么的智能化，而事实上，她的智能程度也是存在局限性的，比如她对SQL语句的取舍绝对的依赖于物理模型结构及约束，而一旦这种物理模型结构及约束不存在，那么ORACLE这位“巧妇”显然也只能“难为无米之炊”了。即便我们在SQL中进行了（唯一性）约束，ORACLE也会选择视而不见，比如如下SQL：
SELECTCOUNT(1)
FROM EMP E
LEFT JOIN (SELECTDISTINCT DEPTNO FROM DEPT) D
ON E.DEPTNO =D.DEPTNO;
按照我们在上面的理解，由于在子查询D中，已经对DEPTNO进行了distinct处理，也就意味着在子查询D中，DEPTNO绝对是唯一性的，即子查询D对整个SQL返回的结果是没有任何影响的，该SQL完全等价于如下SQL：
SELECT COUNT(1) FROM EMP E
而事实上呢，我们看看ORACLE的执行计划：
这一次很让我们意外，ORACLE居然没有识别出子查询D的作用。由此看来，在某些时候，尤其是在错综复杂的业务逻辑面前，oracle往往束手无措，远没有程序员聪明，所以在ORACLE这位巨无霸面前，我们也大可不必妄自菲薄。
5总结
至此，我们可以为第一个主题做出如下总结：
1、ORACLE优化器为达性能之目的，会不择手段的简化Operation；
2、ORACLE优化器的手段之一就是充分利用数据库约束，包括但不局限于：唯一性约束、主外键参照性约束、Nullable约束；
3、在约束条件内，ORACLE会简化SQL，在Operation时不再重复约束；
4、因此，在日常模型设计时，应尽可能的建立约束，最大程度上减少重复约束带来的“非战斗性减员”，从而提升SQL性能
完整的执行计划
在上一节的最后示例中，为了更全面阐述问题，我们“抛弃”了在PL SQL DEVELOPER通过F5得到的执行计划，转而选择了最原始最古老的explain。因为我们发现：
这几列还不足够支撑我们了解ORACLE优化器的意图，或者说还不够让我们拼凑出ORACLE优化器对SQL改写后的全貌。至少我们还需要谓词（Predicate）。所以，一个完整的执行计划除了：访问方式（表访问、索引访问等）、连接方式（NESTED LOOP、HASH JOIN等）及访问顺序外，还应包括谓词（Predicate），通过结合谓词，我们更能还原ORACLE优化器对SQL做了哪些改动？
为了直观期间，我们还是继续在PL SQL DEVELOPER中演示，只是执行计划的正确打开方式是这样的：
那么我们能从谓词中发现什么呢？
我们都知道，在表的统计信息采集及时的场景下，如果某个索引字段存在条件过滤，而执行计划中没有通过索引访问，而是table access full。那么原因无非就是：该过滤条件值的数据量太大（比如超过全表数据量的20%），或者是SQL的写法不当（该字段上应用了函数、表达式等）。
其实，除了上述两种场景外，还有一种场景也会导致table access full。我们先来看一个非常简单的案例，我们在EMP.DEPTNO上创建一个索引，因为经常会遇到查询某个特定部门的员工信息。
CREATEINDEX EMP_I1 ON EMP(DEPTNO);
因为在DEPT表中，DEPTNO的数据类型为NUMBER(2)，在查deptno为14的员工信息时，我们会习惯性的写成：
SELECT*FROM emp WHERE deptno =14;
我们的如意算盘是通过索引EMP_I1来访问EMP表。而事实上，从执行计划看，却是table access full的访问方式：
尽管deptno=14的数据量为0，并且也没有在deptno上有任何的函数或者表达式。那么问题出在哪里呢？
我再来看看谓词：
很明显，在实际的执行过程中，DEPTNO是被TO_NUMBER函数包了一层，自然就走不了索引。那么是什么让ORACLE如此“昏庸”，以致“无事生非”的添加一个函数呢？
我们再看看EMP.DEPTNO的数据类型：
原来，EMP.DEPTNO的数据类型并没有同DEPT.DEPTNO保持一致，被设计成了VARCHAR2。因此要想走索引，就有三种办法：将DEPTNO的数据类型修改为NUMBER(2)、创建TO_NUMBER(DEPTNO)的函数索引、将过滤条件有之前的DEPTNO=14修改成DEPTNO=’14’。
我们就看下第三种方案的执行计划：
这才是我们想要的执行计划，却不是我们想要的表模型。这三种方案孰优孰劣不在本次分享主题范围内，如有机会，再行讨论。
没错，这就是隐式强行转换的风险，而所有的字段隐式转换在执行计划中都会被“曝光”
隐式转换都是“无意为之”，有两种场景：其一是对过滤字段的数据类型“想当然”的认为；其二是对过滤值类型的错误判断。刚才的案例属于第一种，那么第二种又是怎么回事呢？
以下是一个真实的案例：
系统中存在一个日志表，数据量非常大，我们对日志表按照日志时间（log_date）做了分区。在页面，要求强制按照log_date过滤，以命中分区而提高效率。但是分区+强制过滤并没有收到预期的性能效果，但是将同样的查询条件直接在DB中执行却非常快。通过对比执行计划发现，通过页面调用执行时，并没有命中分区，而在访问谓词中，log_date字段过滤时，多出了函数INTERNAL_FUNCTION。也就是将log_date字段隐式强制转换成了timestamp。而导致这种问题的原因是JAVA数据类型与ORACLE数据类型之间的转换出现了问题。最后通过JAVA传STRING到ORACLE，然后在SQL中将变量值TO_DATE成DATE类型解决。
我们也可以简单模拟下。比如我们在EMP中创建基于HIREDATE的索引：
CREATEINDEX EMP_I2 ON EMP(HIREDATE);
我们现在要查找今年以来入职的员工信息，SQL如下：
SELECT*FROM EMP WHERE HIREDATE >SYSDATE
其执行计划如下：
而如果我们将date’2016-01-01’转换成timestamp，则执行计划如下：
在这个案例中，如果不查看谓词，就很难找到性能的根源。
朴实的执行计划
我们继续执行计划中的“谓词”，看看还能给我们哪些意外之喜？
在上个章节中，我们注意到，在查询今年入职的员工信息是，我们用了DATE’2016-01-01’。这种写法很少见诸于正式书籍中，因为这是非标准写法。那么将VARCHAR2转换成DATE的标准写法是什么呢？
执行计划会告诉你：
原来DATE’2016-01-01’被转换成了TO_DATE(‘2016-01-01’, ‘SYYYY-MM-DDHH24:MI:SS’)，这样是为什么DATE只能支持YYYY-MM-DD格式的字符串的原因：
可见，ORACLE优化器会将SQL中一些非标准的写法转换成标准的朴实的写法。有的时候，最朴实的写法，最容易让人理解。
比如，当你拿到如下SQL时：
SELECT ENAME, SAL
FROM EMP
WHERE SAL >SOME(SELECT SAL FROM EMP WHERE DEPTNO =10);
你会不会很懵菜？会不会去查资料，研究SOME的作用和用法？或许大半天后，你仍然被SOME\ANY\ALL弄得云山雾罩的。
现在，我们试着从执行计划去探究>SOME的含义。
我们将子查询替换成具体的LIST(100,200,300)，发现在执行计划中，谓词变成了SAL > 100，意思就是大于最小值。换言之，原来的SQL就是要查询大于DEPTNO=10部门最低工资的员工信息。
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