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SQL基础理论篇（七）：多表关联的连接算法

article 2024/12/24 8:02:02

文章目录

简介
Nested Loops
Merge Join
Hash Join
总结
参考文献

简介

多表之间基础的关联算法一共有三种：

Hash Join
Nested Loops
Merge Join

还有很多基于这三种基础算法的变体，以Nested Loops为例，就有用于in和exist的半连接（Nested Loops Semi）算法，以及用于not in和not exists的反连接（Nested Loops Anti）算法等等。这里就不展开介绍了，有兴趣可以再专门搜搜。

Nested Loops

中文名叫嵌套循环，这种连接方式可以简单的用下图来展示：

在这里插入图片描述

上图来自参考文献2.

如果内表中的连接列有索引的话，内表就可以做index scan（索引扫描），否则的话，内表就只能做tab scan（全表扫描）了。

假设我们有一个外表outer, 一个内表inner，连接列c，嵌套循环实际上就是：

for i in outer:
	for j in inner:
        if i.c = i.c:
            # do something

这就是利用嵌套查询来做连接的全过程。

如果inner表的c列有索引，那内层循环就很快了，直接走index scan即可，如果没有，那就只能tab scan扫描全表了。如果没有索引的话，outer表有多少行记录，inner表就要全表扫描多少次。(所以内层没有索引的话是很恐怖的)

至于外层outer表有没有索引，就无所谓了，反正他总是要做tab scan，取出每一行来跟inner表比较的。

有个小问题，嵌套循环中，如果连接条件使用了不等值连接，那内表还能走索引吗？

不等式!=会导致索引失效，使用函数会导致失效，但范围查询一般不会使索引失效，如<、>=之类的。（注意是一般情况，如果优化器认为通过索引扫描的行记录数超过全表的10%~30%，那么它可能会自动变成全表扫描，放弃走索引）

Merge Join

也称合并连接。

merge join实际上就是把两个有序队列(存在索引，或者无索引但是有序)进行连接，需要两端都要有序，所以不像Nested Join一样不断的循环内部的表。另外，Merge Join需要表连接条件中至少有一个等式，查询分析器才会去选择Merge Join。

merge join的过程可以用下面几个图来解释(同样来自参考文献2)：

在这里插入图片描述

首先从两个表中各选取一行，比较，如果匹配，则返回匹配行；如果不匹配，则有较小值的表+1行，可认为是拥有较小值的表，指针后移一位。

在这里插入图片描述

但是如果当前两表并不是有序表(但存在索引)，你需要显式的sort之后才能merge join的话，那么使用hash join是效率更高的选择。但也并不绝对，如果查询中已经存在了order by、group by、distinct等，那可能会导致查询分析器不得不进行显式排序，既然已经显式sort了，那查询分析器大概率会对sort之后的结果做merge join。

merge join 对不等值连接(除！=、like外)有更好的支持效率。

但是上面的这张图只能说明等式连接下的merge join的执行过程，那不等式连接下的merge join呢？

据说是这样的：

根据谓词条件访问A表，对A表的结果集按照连接列进行排序，形成R1；
根据谓词条件访问B表，对B表的结果集按照连接列进行排序，形成R2；
将R1和R2放入PGA(即SQL内存区)；(这也是传说中的，sort merge join的两表只需要做一次扫描的原因，扫一次就写入内存)
R1中取出第一条记录去R2进行匹配，然后取第二条、第三条，直到匹配完R1中的所有记录。由于R1和R2都在内存中，所以这个匹配过程也是在PGA中进行的。

可以发现，这个过程实际上跟嵌套循环很像，但是有个很显著的特点，merge join中内表是排过序的，这意味着，相比嵌套循环，merge join能高效的处理不等值连接。

通常情况下，sort merge join并不适合OLTP的系统，原因是对于OLTP来讲，排序是极其昂贵的操作。

Hash Join

哈希连接。

哈希连接在针对大量、无序的数据时，性能均要优于Merge Join和Nested Join。对于连接列没有索引的情况，查询分析器会优先使用Hash Join。所以哈希连接是做大数据集连接时的常用方式。Hash Join只支持等值连接。

哈希连接分为两个阶段：生成和探测阶段。

生成阶段，选择其中一个表(一般是量比较小的表)作为输入源，将其每一行都经过散列函数的计算，放入不同的Hash Bucket中。其中用到的Hash Function和Hash Bucket据说是黑盒的。另外，Hash Bucket中的数据无序。

这一阶段可以参照下图：

在这里插入图片描述

探测阶段，对于另一个表，同样针对每一行做散列函数计算，确定其应在的Hash Bucket，然后用这一行跟这个Hash Bucket中的每一行做匹配，匹配成功则返回对应的行。

探测阶段里，用到的表不需要放入内存，只需要把生成阶段里的小表放入内存即可。

由于Hash Join涉及散列函数计算，所以对CPU的消耗会很大，另外其输出的结果也是无序的。如果内存吃紧的话，还会涉及Grace哈希匹配和递归哈希匹配，可能会用到TempDB从而吃掉大量的IO(如果Hash表太大，无法一次构造在内存里，则会分成若干个partition，写入磁盘，所以使用时会多很多的IO)。有兴趣可以自行查找看看。