DB第9章 关系查询处理和查询优化
第09章 关系查询处理和查询优化
连接操作的实现
student sc
200215121 200215122 200215123
200215121 1 92 200215121 2 85 200215121 3 88 200215122 2 90
200215124 . . .
200215122 3 80
. . .
排序-合并连接方法示意图
=
5秒
• Q3: 10秒
• Q4: <10秒
二、优化的一般策略
1、选择、投影运算应尽可能先做 好处：减少下一步运算的数据量 2、把选择和投影运算同时进行 好处：减少扫描关系的次数 SN SD=‘CS’ ）） （ （S 表S S# S1 S2 S3 S4 SN SD SA A CS 20 B CS 21 C MA 19 D CI 22
对这一查询，可以考虑下面几种实现方式： 1、先求S和SC的笛卡尔积，然后从中选出两学号字段值相等、
课程号为C2的元组： Q1 = SN （ S.S#=SC.S# SC.C#=‘C2’ （SSC））
2、先做S和SC的自然连接，然后从中选出课程号为C2的元组： Q2 = （ （S SN SC.C#=‘C2’ SC））
3、先从SC中选出课程号为C2的元组，然后将该结果与S 连接： Q3 = （S SN （SC）） SC.C#=‘C2’
系统假设:
– 元组数：student 1000个, SC 10000个，其中有关2号
课程的50个 – 内存数：5个内存块用于装student, 1个内存块用于装 SC – 块大小：一个内存块可装10个student元组(或10个 student与SC笛卡尔积元组)，或100个SC元组 – 读写速度: 20块/秒 (读写速度一样) – 连接方法：基于数据块的嵌套循环法 – 连接后的元组装满一块后就写到中间文件上
第九章 关系查询处理和查询优化
精品课件！
精品课件！
关系系统的查询优化:
优化:
Sname Sname
Sname Sname
c
c’
c’’
Sname
c
p
SP P S
p
...
索引连接(在SC 的连接列Sno上 建立索引):
95004… 95002... 95003... 95001… ...
...
关系系统的查询优化:
把投影运算和选择运算同时进行 sno (cno=‘2’(SC)) 把投影和其前或后的双目运算结合起来 Cname(Course SC)
把某些选择同在它前面要执行的笛卡尔积 结合起来成为一个连接运算 Students.Sno=SC.Sno and Cno=‘2’(StudentsSC) 找出公共子表达式
Students 95004… 95002... 95003... 95001… ...
...
95003 1 … 95003 2 … 95004 2 ... 95004 3 ... 95001 1 … ...
关系系统的查询优化:
排序合并连接(连 接的关系分别排 序): Students 95001… 95002... 95003... 95004… ... Students SC 95001 1 … 95003 1 … 95003 2 … 95004 2 ... 95004 3 ... ... SC索引 95001 95003 95003 95004 95004 ... SC 95003 1 … 95003 2 … 95004 2 ... 95004 3 ... 95001 1 … ...
23页
关系系统的查询优化:
分布式数据库系统(重点解析,经典试题及答案)
第9章分布式数据库系统9.1 基本内容分析9.1.1 本章重要概念（1）分布计算的三种形式：处理分布，数据分布，功能分布。
（2）C/S系统，工作模式，技术特征，体系结构，两层、三层、多层C/S结构。
（3）DDBS的定义、特点、优点、缺点和分类；分布式数据存储的两种形式（分片和分配）。
（4）DDB的体系结构：六层模式，分布透明性的三个层次，DDBS 的组成，DDBMS的功能和组成。
（5）分布式查询处理的查询代价，基于半联接的优化策略，基于联接的优化策略。
（6）分布式数据库的并发控制和恢复中出现的问题，以及处理机制。
9.1.2 本章的重点篇幅（1）两层、三层、多层C/S结构。
（教材P365-367）（2）分布式数据存储：分片和分配。
（教材P375-377）（3）DDB的体系结构。
（教材P378的图9.10，P381的图9.12）（4）基于半联接的执行示意图。
（教材P389的图9.17）9.2 教材中习题9的解答9.1 名词解释·集中计算：单点数据和单点处理的方式称为集中计算。
·分布计算：随着计算机网络技术的发展，突破集中计算框架，DBMS的运行环境逐渐从单机扩展到网络，对数据的处理从集中式走向分布式、从封闭式走向开放式。
这种计算环境称为分布计算。
·处理分布：指系统中处理是分布的，数据是集中的这种情况。
·数据分布：指系统中数据是分布的，但逻辑上是一个整体这种情况。
·功能分布：将计算机功能分布在不同计算机上执行，譬如把DBMS 功能放在服务器上执行，把应用处理功能放在客户机上执行。
·服务器位置透明性：指C/S系统向客户提供服务器位置透明性服务，用户不必知道服务器的位置，就可以请求服务器的服务。
·集中式DBS：所有工作都由一台计算机完成，这种DBS称为集中式DBS。
·DDBS：是物理上分散逻辑上集中的DBS，每一场地既能完成局部应用又能完成全局应用，这种系统称为DDBS。
DB判断题
3. 1NF消除主属性对码的部分和传递函数依赖规范为2NF。
4. 多值依赖的毛病在于数据冗余太大。
5. 函数依赖具有传递性。
6. R的键码的真子集有可能函数决定R的所有其他属性。
7. 键码都是超键码。
3. SQL语言的一体化特点是主要是与非关系模型的数据语言相比较而言的。
4. 数据库中只存放视图的定义。
5. 可以用关键字“AS”给某个属性命别名。
6. “=NULL”表示一个值是空值。
7. 在SQL语句中，ORDER BY表示对输出结果要进行排序。
8. EXISTS的含义与存在量词相同。
第四章 判断题
1. 支持关系数据结构、选择、投影和（自然）连接运算，且对这些运算不必要求定义任何物理存取路径的关系系统称为最小关系系统。
2. 数据库系统不仅包括数据库本身,还要包括相应的硬件,软件和关系完备的系统。
3. 关系数据库管理系统中的查询处理程序自动实现查询优化。
4. 查询优化主要是物理方法的优化，而逻辑方法优化与否影响不大。
第一章 判断题
1. 描述事物的符号记录称为数据。
2. 数据库是长期存储在计算机内的有组织,可共享的数据集合。
3. 数据库系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。
4. 数据库系统不仅包括数据库本身,还要包括相应的硬件,软件和相关的计算机系统。
5. 在人工管理阶段，数据是无结构的。
6. 需求分析可以独立于数据库管理系统。
7. 逻辑设计可以独立于数据库管理系统。
8. 物理设计可以独立于数据库管理系统。
关系查询处理和查询优化
第九章关系查询处理和查询优化内容概述通过实例讲解关系数据库查询优化的重要性和可能性。
讲解RDBMS的查询处理步骤，即查询分析、查询检查、查询优化和查询执行；查询优化的基本概念，查询优化包括代数优化和物理优化；代数优化是指关系代数表达式的优化；物理优化则是指存取路径和底层操作算法的选择，所以先讲解实现查询操作的主要算法，主要是选择操作和连接操作的主要算法思想，然后讲解关系代数表达式等价变换规则，关系代数表达式的优化，物理优化方法（基于启发式规则的存取路径选择优化，操作算法的执行代价估算方法，基于代价的优化方法）。
本章目标本章并不要求学生掌握RDBMS查询处理和查询优化的内部实现技术，因此没有详细讲解技术细节。
本章的目的是希望学生了解RDBMS查询处理的基本步骤，查询优化的概念、基本方法和技术，为数据库应用开发中利用查询优化技术提高查询效率和系统性能打下基础。
重点和难点重点：了解关系数据库查询优化的重要性。
掌握查询处理各个步骤的主要功能。
能够把SQL语句转换成查询树，对查询树进行代数优化，转换成优化的查询树。
掌握物理优化的基本方法。
难点：能运用本章学习的查询优化知识，对于比较复杂的查询，尤其是涉及连接和嵌套的查询，写出适合RDBMS自动优化的SQL语句。
对于RDBMS不能优化的查询需要重写查询语句，进行手工调整以优化性能。
不要把优化的任务全部放在RDBMS上。
实验内容实验9 查询优化通过本章实验，了解你安装使用的RDBMS的查询优化方法和查询计划表示，能够利用它分析查询语句的实际执行方案和查询代价，进而通过建立索引或者修改SQL语句来降低查询代价，达到优化系统性能的目标。
具体实验内容：1. 对单表查询例如以下的查询(可以自己给出查询语句)select * from student where age>20；2. 连接查询，普通的两表连接查询或多表连接查询3. 嵌套查询，自己写几个带有子查询的例子，主要考虑带有IN和EXISTS谓词的子查询，包括相关子查询和不相关子查询。
Removed_数据库第8-11章习题
Removed_数据库第8-11章习题第8章数据库编程⼀、选择题1、修改存储过程使⽤的语句是（）。
A. ALTER PROCEDUREB. DROP PROCEDUREC. INSERT PROCEDUED. DELETE PROCEDUE2、创建存储过程的语句是（）。
A. ALTER PROCEDUREB. DROP PROCEDUREC. CREATE PROCEDUED. INSERT PROCEDUE3、下⾯（）组命令，将变量count值赋值为1。
A．DECLARE @countSELECT @count=1B．DIM count=1C．DECLARE count SELECT count=1D．DIM @count SELECT @count=14、在SQL Server 中删除存储过程⽤（）。
A．ROLLBACK B. DROP PROC C．DELALLOCATE D. DELETE PROC10．在SQL Server 编程中，可使⽤（）将多个语句捆绑。
A．｛｝ B. BEGIN-END C．( ) D. [ ]⼆、填空题1、在T-SQL编程语句中，WHILE结构可以根据条件多次重复执⾏⼀条语句或⼀个语句块，还可以使⽤（）和 CONTINUE 关键字在循环内部控制 WHILE 循环中语句的执⾏。
2、存储过程是存放在（）上的预先定义并编译好的T-SQL语句。
3、游标是系统为⽤户开设的⼀个（），存放SQL语句的执⾏结果第9章关系查询处理和查询优化课后作业：P275，2题答案：12、事务的原⼦性是指。
A．事务中包括的所有操作要么都做，要么都不做B．事务⼀旦提交，对数据库的改变是永久的C．⼀个事务内部的操作及使⽤的数据对并发的其他事务是隔离的D．事务必须是使数据库从⼀个⼀致性状态变到另⼀个⼀致性状态3、事务的⼀致性是指。
A．事务中包括的所有操作要么都做，要么都不做B．事务⼀旦提交，对数据为的改变是永久的C．⼀个事务内部的操作及使⽤的数据对并发的其他事务是隔离的D．事务必须是使数据库从⼀个⼀致性状态变到另⼀个⼀致性状态4、事务的隔离性是指。
DB简答题
4. 请从函数依赖的角度给出关系键码的定义。
答：如果一个或多个属性的集合{A1,A2,…，An}满足如下条件，则称该集合为关系R的键码：
(1). 这些属性函数决定该关系的所有其他属性；
(2). {A1,A2,…，An}的任何真子集都不能函数决定R的所有其他属性。
答：数据库设计既是一项涉及多学科的综合性技术又是一项庞大的工程项目。其主要特点有：
(1). 数据库建设是硬件、软件和干件的结合。
(2). 从软件设计的技术角度看，数据库设计应该和应用系统设计相结合，也就是说，整个设计过程中要把结构设计和行为设计密切结合起来。
3. 什么是数据库的逻辑设计?试述其设计步骤。
第六章 简答题
1. 试述数据库设计过程。
答：数据库设计的六个阶段为：
(1). 需求分析
(2). 概念结构设计
(3). 逻辑结构设计
(4). 数据库物理设计
(5). 数据库实施
(6). 数据库运行和维护。
设计一个完整的数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复。
2. 试述数据库设计特点。
4. 数据字典的内容和作用是什么?
答：数据字典是系统中各类数据描述的集合。数据字典的内容通常包括：
(1) 数据项；
4. 在嵌入式SQL中如何区分SQL语句和宿主语言语句?
答：在嵌入式SQL中，为了能够区分SQL语句与宿主语言语句，所有SQL语句都必须加前缀EXEC SQL。SQL语句的结束标志则随宿主语言的不同而不同。
5. 嵌入式SQL如何解决数据库工作单元与源程序工作单元之间的通信?
答：数据库工作单元与源程序工作单元之间的通信主要包括：
第九章 关系的查询及优化
9.1关系数据库系统的查询处理
1、查询分析
首先，对查询语句进行扫描、词法分析和语法
分析。从查询语句中识别出语言符号，如SQL 关键字、属性名和关系名等，进行语法检查和 语法分析，即判断查询语句01… 95002… 95003… 95004… ┇ ┇ 95001 1 95001 2 95001 3 95002 2 95002 3 ┇ ┇ 92 85 88 90 80
图9.2 排序－合并连接方法示意图
9.1关系数据库系统的查询处理
重复上述步骤直到Student表扫描完。
9.2 关系数据库系统的查询优化
9.2.1 关系及其查询优化 关系查询优化是影响RDBMS性能的关键因素。 关系系统的查询优化既是RDBMS实现的关键技 术又是关系系统的优点所在。它减轻了用户选
择存取路径的负担。用户只要提出‘干什么’，
不必指出‘怎么干’。 查询优化的优点不仅在于用户不必考虑如何最 好地表达查询以获得较好的效率，而且在于系 统可以比用户程序的‚优化‛做得更好。
和底层操作算法的选择，所以本章讲解了实现查询操 作的主要算法。
本章的目的是便读者初步了解RDBMS查询处理的基 本步骤，查询优化的概念、基本方法和技术，为数据 库应用开发中利用查询优化技术提高查询效率和系统 性能打下基础。
9.1关系数据库系统的查询处理
查询处理的任务是把用户提交给RDBMS的查
询语句转换为高效的执行计划。
组合，使查询执行更高效;
9.1关系数据库系统的查询处理
物理优化则是指存取路径和底层操作算法的选
择。
选择的依据可以是基于规则(rule based)的，也 可以是基于代价(cost based)的，还可以是基于 语义(semantic based)的。 实际RDBMS中的查询优化器都综合运用了这
《数据库原理与应用》教学大纲1
数据库原理与应用?课程教学大纲【说明部份】数据库技术是计算机科学技术中开展最快的领域之一，也是应用最广的技术之一。
数据库技术是计算机科学的重要分支，数据库技术和数据库系统已经成为计算机信息系统的核心技术和重要根底。
数据库原理与应用?是本科计算机专业和信息系统信息管理等相关专业的专业主干课程。
【正文部份】一、课程内容概述本课程系统讲述数据库系统的根底理论、根本技术和根本方法。
内容包括：数据库系统的根本概念、数据模型、关系数据库及其标准语言SQL、数据库平安性和完整性的概念和方法、关系标准化理论、数据库设计方法和步骤，数据库恢复和并发控制等事务管理根底知识，关系查询处理和查询优化等。
二、课程目标通过本课程学习，使学生系统地掌握数据库系统的根本原理和根本技术。
要求在掌握数据库系统根本概念的根底上，能熟练使用SQL语言在某一个数据库管理系统上进展数据库操作；握数据库设计方法和步骤，具有设计数据库模式以及开发数据库应用系统的根本能力。
三、先修课程* 计算机程序设计方法和语言* 数据构造* 离散数学* 操作系统四、教学内容和教学要求〔一〕绪论〔4课时〕内容概述：阐述数据库的根本概念，介绍数据管理技术的进展情况、数据库技术产生和开展的背景，数据模型的根本概念、组成要素和主要的数据模型，概念模型的根本概念及ER方法，数据库系统的3级模式构造以及数据库系统的组成。
本章目标：本章讲解的数据库根本概念和根本知识是学习后续各个章节的根底。
学习本章的目的在于了解根本知识，掌握根本概念，为以后的学习打好扎实的根底。
重点：结实掌握概念模型的根本概念及其主要建模方法ER方法；掌握关系数据模型的相关概念、数据库系统三级模式和两层映像的体系构造、数据库系统的逻辑独立性和物理独立性等；对于如何通过ER方法描述现实世界的概念模型要做到能够举一反三的程度。
难点：本章的难点是需要掌握数据库领域大量的根本概念。
有些概念一开场接触会感到比拟抽象，但不要紧，随着学习的逐渐推进，在后续章节中，这些抽象的概念会逐渐变得清晰具体起来。
王珊《数据库系统概论》章节题库(关系查询处理和查询优化)【圣才出品】
第9章关系查询处理和查询优化一、选择题1．关系代数表达式的优化策略中，首先要做的是（）。
A．对文件进行预处理B．尽早执行选择运算C．执行笛卡尔积运算D．投影运算【答案】B2．在关系代数运算中，最费时间和空间的是（）。
A．选择和投影运算B．除法运算C．笛卡尔积和连接运算D．差运算【答案】C【解析】在关系代数运算中，最费时间和空间的是笛卡尔积和连接运算，所以尽可能放在后面做。
3．根据系统所提供的存取路径，选择合理的存取策略，这种优化方式称为（）。
A．物理优化B．代数优化C．规则优化D．代价估算优化【答案】A【解析】物理优化是根据数据字典中的存取路径、数据的存储分布以及聚簇情况等信息来选择低层的存取路径。
4．在关系代数表达式的等价优化中，不正确的叙述是（）。
A．尽可能早地执行连接B．尽可能早地执行选择C．尽可能早地执行投影D．把笛卡尔积和随后的选择合并成连接运算【答案】A【解析】在关系代数表达式中，连接运算的结果常常是一个较大的关系。
如果尽可能早地执行连接，则运算得到的中间结果就会很大。
5．设E是关系代数表达式，F是选取条件表达式，并且只涉及A1，…，A n属性，则有（）。
A．бF（πA1，…，An（E））≡πA1，…，An（бF（E））B．бF（πA1，…，An（E））≡πA1，…，An（E）C．бF（πA1，…，An（E））≡πA1（бF（E））D．πA1，…，An（бF（E））≡πA1，…，An（бF（πA1，…，An，B1，…，Bm（E）））【答案】A6．如果一个系统定义为关系系统，则它必须（）。
A．支持关系数据库B．支持选择、投影和连接运算C．A和B均成立D．A、B都不需要【答案】C7．如果一个系统为关系完备系统，那么它支持（）。
A．关系数据结构B．A与选择、投影和连接C．A与所有的关系代数操作D．C与实体完整性、参照完整性【答案】C二、填空题1．关系系统的查询优化既是关系数据库管理系统实现的关键技术，又是关系系统的优点。
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一个实例（续）Байду номын сангаас
二、 第二种情况
Q2=πSname(σo='2' (Student
1. 计算自然连接
SC))
执行自然连接，读取Student和SC表的策略不变，总的读取 块数仍为2100块花费105 s 自然连接的结果比第一种情况大大减少，为104个 写出这些元组时间为104/10/20=50s，为第一种情况的千分 之一 2. 读取中间文件块，执行选择运算，花费时间也为50s。 3. 把第2步结果投影输出。
对于RDBMS不能优化的查询需要重写查询语句， 进行手工调整以优化性能
3. 把连接结果投影输出 第三种情况总的执行时间≈5+5≈10s
一个实例（续）
假如SC表的Cno字段上有索引
第一步就不必读取所有的SC元组而只需读取Cno=‘2’的那些 元组(50个) 存取的索引块和SC中满足条件的数据块大约总共3～4块
若Student表在Sno上也有索引
第二步也不必读取所有的Student元组 因为满足条件的SC记录仅50个，涉及最多50个Student记录 读取Student表的块数也可大大减少
一个实例（续）
一、第一种情况 Q1=πSname(σStudent.Sno=SC.Sno∧o='2' Student×SC))
1. 计算广义笛卡尔积 把Student和SC的每个元组连接起来的做法：
在内存中尽可能多地装入某个表(如Student表)的若干块，留 出一块存放另一个表(如SC表)的元组。 把SC中的每个元组和Student中每个元组连接，连接后的元 组装满一块后就写到中间文件上 从SC中读入一块和内存中的Student元组连接，直到SC表 处理完。 再读入若干块Student元组，读入一块SC元组 重复上述处理过程，直到把Student表处理完
使得查询代价最小(实际上是较小)
9.2.2 一个实例
[例3] 求选修了2号课程的学生姓名。用SQL表达：
SELECT Student.Sname FROM Student，SC WHERE Student.Sno=SC.Sno AND o=‘2’；
假定学生-课程数据库中有1000个学生记录，10000个 选课记录 其中选修2号课程的选课记录为50个
关系查询优化是影响RDBMS性能的关键因素 由于关系表达式的语义级别很高，使关系系统可以 从关系表达式中分析查询语义，提供了执行查询优 化的可能性
9.2 关系数据库系统的查询优化
9.2.1 查询优化概述（略） 9.2.2 一个实例 查询优化的总目标：
选择有效的策略 求得给定关系表达式的值
一个实例（续）
2. 作选择操作
依次读入连接后的元组，按照选择条件选取满足要求 的记录 假定内存处理时间忽略。读取中间文件花费的时间(同 写中间文件一样)需5×104s 满足条件的元组假设仅50个，均可放在内存
一个实例（续）
3. 作投影操作
把第2步的结果在Sname上作投影输出，得到最终结果 第一种情况下执行查询的总时间 ≈105+2×5×104≈105s 所有内存处理时间均忽略不计
总的存取时间将进一步减少到数秒
一个实例（续）
把代数表达式Q1变换为Q2、 Q3，
即有选择和连接操作时，先做选择操作，这样参加连
接的元组就可以大大减少，这是代数优化
在Q3中
SC表的选择操作算法有全表扫描和索引扫描2种方法， 经过初步估算，索引扫描方法较优 对于Student和SC表的连接，利用Student表上的索引， 采用index join代价也较小，这就是物理优化
本章目的：
RDBMS的查询处理步骤 查询优化的概念 基本方法和技术
查询优化分类 ：
代数优化 物理优化
9.1.1 查询处理步骤
RDBMS查询处理阶段 ：
1. 查询分析
2. 查询检查
3. 查询优化
4. 查询执行
查询处理步骤
9.2 关系数据库系统的查询优化
查询优化在关系数据库系统中有着非常重要的地位
第二种情况总的执行时间≈105+50+50≈205s
一个实例（续）
三、 第三种情况 Q3=πSname(Student σo='2'(SC))
1. 先对SC表作选择运算，只需读一遍SC表，存取100块花费 时间为5s，因为满足条件的元组仅50个，不必使用中间文 件。 2. 读取Student表，把读入的Student元组和内存中的SC元组 作连接。也只需读一遍Student表共100块，花费时间为5s。
一个实例（续）
系统可以用多种等价的关系代数表达式来完成这 一查询
Q1=πSname(σStudent.Sno=SC.Sno∧o='2' (Student×SC)) Q2=πSname(σo='2' (Student Q3=πSname(Student SC)) σo='2'(SC))
数据库原理与应用
第九章 关系查询处理和查询优化
主讲：彭柳芬
第三篇
系统篇
数据库系统中的数据是由DBMS统一管理和控制的， 为了适应数据共享的环境，DBMS必须提供数据保护 能力，以保证数据库中数据的安全可靠和正确有效。 数据保护 安全性 完整性 并发控制 数据库恢复
关系系统及其查询优化（续）
9.5 小 结
查询处理是RDBMS的核心，查询优化技术是查 询处理的关键技术
本章讲解的优化方法
启发式代数优化 基于规则的存取路径优化
基于代价的优化
本章的目的：希望读者掌握查询优化方法的概念 和技术
小
结（续）
比较复杂的查询，尤其是涉及连接和嵌套的查询
不要把优化的任务全部放在RDBMS上 应该找出RDBMS的优化规律，以写出适合RDBMS自 动优化的SQL语句
一个实例（续）
设一个块能装10个Student元组或100个SC元组，在内存 中存放5块Student元组和1块SC元组，则读取总块数为
1000 10000 1000 ＋ 10 5 100 10
=100+20×100=2100块
其中，读Student表100块。读SC表20遍，每遍100块。若 每秒读写20块，则总计要花105s 连接后的元组数为103×104=107。设每块能装10个元组， 则写出这些块要用106/20=5×104s