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提升資料庫 (SQL)效能

引用自 http://blog.xuite.net/j2ee/code/15120677-調校+SQL+以徹底改善應用程式效能

單純引用 給自己看

有些程式員在撰寫前端的應用程式時,會透過各種 OOP 語言將存取資料庫的 SQL 陳述式串接起來,卻忽略了 SQL 語法的效能問題。版工曾聽過某半導體大廠的新進程式員,所兜出來的一段 PL/SQL 跑了好幾分鐘還跑不完;想當然爾,即使他前端的 AJAX 用得再漂亮,程式效能頂多也只是差強人意而已。以下是版工整理出的一些簡單心得,讓長年鑽究 ASP.NET / JSP / AJAX 等前端應用程式,卻無暇研究 SQL 語法的程式員,避免踩到一些 SQL 的效能地雷。

1、資料庫設計與規劃

• Primary Key 欄位的長度儘量小,能用 small integer 就不要用 integer。例如員工資料表,若能用員工編號當主鍵,就不要用身分證字號。

• 一般欄位亦同。若該資料表要存放的資料不會超過 3 萬筆,用 small integer 即可,不必用 integer。

• 文字資料欄位若長度固定,如:身分證字號,就不要用 varchar 或 nvarchar,應該用 char 或 nchar。

• 文字資料欄位若長度不固定,如:地址,則應該用 varchar 或 nvarchar。除了可節省儲存空間外,存取磁碟時也會較有效率。

• 設計欄位時,若其值可有可無,最好也給一個預設值,並設成「不允許 NULL」(一般欄位預設為「允許 NULL」)。因為 SQL Server 在存放和查詢有 NULL 的資料表時,會花費額外的運算動作 [2]。

• 若一個資料表的欄位過多,應垂直切割成兩個以上的資料表,並用同名的 Primary Key 一對多連結起來,如:Northwind 的 Orders、Order Details 資料表。以避免在存取資料時,以叢集索引掃描時會載入過多的資料,或修改資料時造成互相鎖定或鎖定過久。

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2、適當地建立索引

• 記得自行幫 Foreign Key 欄位建立索引,即使是很少被 JOIN 的資料表亦然。

• 替常被查詢或排序的欄位建立索引,如:常被當作 WHERE 子句條件的欄位。

• 用來建立索引的欄位,長度不宜過長,不要用超過 20 個位元組的欄位,如:地址。

• 不要替內容重複性高的欄位建立索引,如:性別;反之,若重複性低的欄位則適合建立索引,如:姓名。

• 不要替使用率低的欄位建立索引。

• 不宜替過多欄位建立索引,否則反而會影響到新增、修改、刪除的效能,尤其是以線上交易 (OLTP) 為主的網站資料庫。

• 若資料表存放的資料很少,就不必刻意建立索引。否則可能資料庫沿著索引樹狀結構去搜尋索引中的資料,反而比掃描整個資料表還慢。

• 若查詢時符合條件的資料很多,則透過「非叢集索引」搜尋的效能,可能反而不如整個資料表逐筆掃描。

• 建立「叢集索引」的欄位選擇至為重要,會影響到整個索引結構的效能。要用來建立「叢集索引」的欄位,務必選擇「整數」型別 (鍵值會較小)、唯一、不可為 NULL。

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3、適當地使用索引

• 有些書籍會提到,使用 LIKE、% 做模糊查詢時,即使您已替某個欄位建立索引 (如下方例子的 CustomerID),但以常數字元開頭才會使用到索引,若以萬用字元 (%) 開頭則不會使用索引,如下所示:

USE Northwind;
GO
SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID LIKE ‘D%’;    –使用索引
SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID LIKE ‘%D’;    –不使用索引

執行完成後按 Ctrl+L,可檢閱如下圖的「執行計畫」。


圖 1 可看出「查詢最佳化程式」有使用到索引做搜尋


圖 2 在此的叢集索引掃描,並未直接使用索引,效能上幾乎只等於掃描整個資料表

但經版工反覆測試,這種語法是否會使用到索引,抑或會逐筆掃描,並非絕對的。仍要看所下的查詢關鍵字,以及欄位內儲存的資料內容而定。但對於儲存資料筆數龐大的資料表,最好還是少用 LIKE 做模糊查詢。
• 以下的運算子會造成「負向查詢」,常會讓「查詢最佳化程式」無法有效地使用索引,最好能用其他運算子和語法改寫 (經版工測試,並非有負向運算子,就絕對無法使用索引):
NOT 、 != 、 <> 、 !> 、 !< 、 NOT EXISTS 、 NOT IN 、 NOT LIKE

• 避免讓 WHERE 子句中的欄位,去做字串串接或數字運算,否則可能導致「查詢最佳化程式」無法直接使用索引,而改採叢集索引掃描 (經版工測試並非絕對)。

• 資料表中的資料,會依照「叢集索引」欄位的順序存放,因此當您下 BETWEEN、GROUP BY、ORDER BY 時若有包含「叢集索引」欄位,由於資料已在資料表中排序好,因此可提升查詢速度。

• 若使用「複合索引」,要注意索引順序上的第一個欄位,才適合當作過濾條件。

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4、避免在 WHERE 子句中對欄位使用函數

對欄位使用函數,也等於對欄位做運算或串接的動作,一樣可能會讓「查詢最佳化程式」無法有效地使用索引。但真正對效能影響最重大的,是當您的資料表內若有 10 萬筆資料,則在查詢時就需要呼叫函數 10 萬次,這點才是真正的效能殺手。程式員應注意,在系統開發初期可能感覺不出差異,但當系統上線且資料持續累積後,這些語法細節所造成的效能問題就會逐步浮現

SELECT * FROM Orders WHERE DATEPART(yyyy, OrderDate) = 1996 AND DATEPART(mm, OrderDate)=7
可改成
SELECT * FROM Orders WHERE OrderDate BETWEEN ‘19960701’ AND ‘19960731’
SELECT * FROM Orders WHERE SUBSTRING(CustomerID, 1, 1) = ‘D’
可改成
SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID LIKE ‘D%’


注意當您在下 UPDATE、DELETE 陳述式時,若有採用 WHERE 子句,也應符合上述原則。

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5、AND 與 OR 的使用

在 AND 運算中,「只要有一個」條件有用到索引 (如下方的 CustomerID),即可大幅提升查詢速度,如下圖 3 所示:

SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID=’VINET’ AND Freight=32.3800    –使用索引,會出現下圖 3 的畫面
SELECT * FROM Orders WHERE Freight=32.3800    –不使用索引,會出現上圖 2 的畫面



圖 3


但在 OR 運算中,則要「所有的」條件都有可用的索引,才能使用索引來提升查詢速度。因此 OR 運算子的使用必須特別小心

若您將上方 AND 的範例,邏輯運算子改成 OR 的話,如下所示:

SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID=’VINET’ OR Freight=32.3800

由於無法有效地使用索引,也會出現圖 2 的畫面。

在使用 OR 運算子時,只要有一個條件 (欄位) 沒有可用的索引,則其他所有的條件 (欄位) 都有索引也沒用,只能如圖 2 般,把整個資料表或整個叢集索引都掃描過,以逐筆比對是否有符合條件的資料。


據網路上文件的說法 [1],上述的 OR 運算陳述式,我們還可用 UNION 聯集適當地改善,如下:

SELECT * FROM Orders WHERE CustomerID=’VINET’
UNION
SELECT * FROM Orders WHERE Freight=32.3800

此時您再按 Ctrl+L 檢閱「執行計畫」,會發現上半段的查詢會使用索引,但下半段仍用叢集索引掃描,對效能不無小補。

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6、適當地使用子查詢

相較於「子查詢 (Subquery)」,若能用 JOIN 完成的查詢,一般會比較建議使用後者。原因除了 JOIN 的語法較容易理解外,在多數的情況下,JOIN 的效能也會比子查詢較佳;但這並非絕對,也有的情況可能剛好相反。

我們知道子查詢可分為「獨立子查詢」和「關聯子查詢」兩種,前者指子查詢的內容可單獨執行,後者則無法單獨執行,亦即外層查詢的「每一次」查詢動作都需要引用內層查詢的資料,或內層查詢的「每一次」查詢動作都需要參考外層查詢的資料。

以下我們看一個比較極端的例子 [2]。若我們希望所有查詢出來的資料,都能另外給一個自動編號,版工我在之前的文章「用 SQL Server 2005 新增的 ROW_NUMBER 函數撰寫 GridView 分頁」中有介紹過,可用 SQL Server 2005 中新增的 ROW_NUMBER 函數輕易地達成,且 ROW_NUMBER 函數還能再加上「分群 (PARTITION BY)」等功能,而且執行效能極佳。


圖 4 將 Orders 資料表的 830 筆資料都撈出來,並在右側給一組自動編號

現在我們要如上圖 4 般,將 Northwind 中 Orders 資料表的 830 筆資料都撈出來,並自動給一組編號,若用 ROW_NUMBER 函數的寫法如下所示,而且效能極佳,只要 2 ms (毫秒),亦即千分之二秒。

SET STATISTICS TIME ON
SELECT OrderID, ROW_NUMBER() OVER(ORDER BY OrderID) AS 編號
FROM dbo.Orders

但如果是在舊版的 SQL Server 2000 中,我們可能得用以下的「子查詢」寫法:

SET STATISTICS TIME ON
SELECT OrderID,
(SELECT COUNT(*) FROM dbo.Orders AS 內圈
WHERE 內圈.OrderID <= 外圈.OrderID) AS 編號
FROM dbo.Orders AS 外圈
ORDER BY 編號


但這種舊寫法,會像先前所提到的,外層查詢的「每一次」查詢動作都需要引用內層查詢的資料。以上方例子而言,外層查詢的每一筆資料,都要等內層查詢「掃描整個資料表」並作比對和計數,因此 830 筆資料每一筆都要重複掃描整個資料表 830 次,所耗用的時間也因此爆增至 170 ms。

若您用相同的寫法,去查詢 AdventureWorks 資料庫中,有 31,465 筆資料的 Sales.SalesOrderHeader 資料表,用 ROW_NUMBER 函數要 677 ms,還不到 1 秒鐘;但用子查詢的話,居然要高達 225,735 ms,將近快 4 分鐘的時間。

雖然這是較極端的範例,但由此可知子查詢的撰寫,在使用上不可不慎,尤其是「關聯子查詢」。程式員在程式開發初期、資料量還很少時感受不到此種 SQL 語法的重大陷阱;但等到系統上線幾個月或一兩年後,可能就會有反應遲緩的現象。

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7、其他查詢技巧

• DISTINCT、ORDER BY 語法,會讓資料庫做額外的計算。此外聯集的使用,若沒有要剔除重複資料的需求,使用 UNION ALL 會比 UNION 更佳,因為後者會加入類似 DISTINCT 的演算法。

• 在 SQL Server 2005 版本中,存取資料庫物件時,最好明確指定該物件的「結構描述 (Schema)」,也就是使用兩節式名稱。否則若呼叫者的預設 Schema 不是 dbo,則 SQL Server 在執行時,會先尋找該使用者預設 Schema 所搭配的物件,找不到的話才會轉而使用預設的 dbo,會多耗費尋找的時間。例如若要執行一個叫做 dbo.mySP1 的 Stored Procedure,應使用以下的兩節式名稱:

EXEC dbo.mySP1


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8、儘可能用 Stored Procedure 取代前端應用程式直接存取資料表

Stored Procedure 除了經過事先編譯、效能較好以外,亦可節省 SQL 陳述式傳遞的頻寬,也方便商業邏輯的重複使用。再搭配自訂函數和 View 的使用,將來若要修改資料表結構、重新切割或反正規化時亦較方便。

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9、儘可能在資料來源層,就先過濾資料

使用 SELECT 語法時,儘量避免傳回所有的資料至前端而不設定 WHERE 等過濾條件。雖然 ASP.NET 中 SqlDataSource、ObjectDataSource 控制項的 FilterExpression 可再做篩選,GridView 控制項的 SortExpression 可再做排序,但會多消耗掉資料庫的系統資源、Web server 的記憶體和網路頻寬。最好還是在資料庫和資料來源層,就先用 SQL 條件式篩選出所要的資料。

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結論:
本文的觀念,不管是寫 SQL statement、Stored Procedure、自訂函數或 View 皆然。本文只是挑出程式員較容易犯的 SQL 語法效能問題,以期能在短時間瀏覽過本文後,在寫 ADO.NET 程式時能修正以往隨興的 SQL 撰寫習慣。文中提到的幾點,只不過是 SQL 語法效能議題的入門篇。後續有時間的話,版工會再補充在本帖的回應留言,或另開新主題。

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參考文件:

[1] SQL查詢最佳化 (網際烏托邦):
http://www.ithome.com.tw/plog/index.php?op=ViewArticle&articleId=5421&blogId=620
參考書籍:

[2] SQL Server 2005 Performance Tuning 效能調校:
作者:胡百敬、姚巧枚、劉承修
出版社:悅知出版社
http://tlsj.tenlong.com.tw/WebModule/BookSearch/bookSearchViewAction.do?isbn=9789866761225&sid=41966

[3] SQL Server 2005 完全實戰:
作者:章立民
出版社:碁峰出版社

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相關文件:

[4] 臺大醫院資料庫分割疏失,系統幾近停擺 (ITHome):
http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=43597

[5]] 當DataGrid遇見100萬筆資料:
http://blog.sina.com.tw/4907/article.php?pbgid=4907&entryid=3921

[6] ASP.NET 2.0 GridView 範例集 – 「4-8-4、GridView的效能」:
http://blog.csdn.net/Code6421/archive/2007/12/22/1958167.aspx

[7] 有關開啟頁面時,一次載入數千筆資料的效能問題:
http://www.blueshop.com.tw:80/board/show.asp?subcde=BRD200709141021458MV

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