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梧桐数据库（WuTongDB）：向量化查询优化器的一些实现细节

article 2024/11/14 23:22:04

为了更深入探讨向量化查询优化器的实现细节，尤其是在高性能数据库系统中的应用，我们可以进一步分析以下几个核心方面：

向量化的查询计划优化。
批处理与内存管理优化。
特定操作符的向量化执行（如 JOIN 和 GROUP BY 操作的向量化）。
SIMD 使用的低级优化技巧。
现代数据库的向量化设计案例。

1. 向量化查询计划优化

1.1 查询计划生成与代价模型

向量化查询优化器不仅仅是将查询语句逐字翻译为操作符执行，还会生成最优的查询计划。这种计划生成器会基于代价模型（Cost Model）评估不同操作的开销，并为每个查询生成最优的向量化执行路径。

代价模型细节：向量化执行代价模型不仅考虑传统的 IO 开销和 CPU 周期，还会具体评估批处理的大小、缓存命中率、SIMD 指令集是否能够充分利用，以及数据压缩带来的潜在影响。
执行顺序优化：现代查询优化器会优先考虑过滤条件、投影操作等“轻量级”的操作，确保这些操作能够尽可能早地完成，以减少后续操作所需处理的数据量。

例如，过滤下推（Predicate Pushdown） 是一个典型的优化策略，优化器会尽可能早地将过滤操作下推到最接近数据源的地方。这样可以减少需要批量处理的数据量，优化整体执行效率。

1.2 向量化查询计划调度

在向量化查询计划生成后，系统会将查询分解为一系列批处理任务，这些任务会被调度器按照批次执行。调度器会优化任务调度以最大化缓存命中率并最小化上下文切换的开销。

动态批处理大小调整也是查询调度的重要部分。批次太小会导致函数调用过于频繁，CPU 不能充分利用；批次太大则会占用过多内存，甚至导致缓存未命中。调度器会根据硬件特性（如 CPU 缓存大小、可用内存等）动态调整批次大小。

2. 批处理与内存管理优化

批处理是向量化查询优化器的核心。批量操作的好处在于，它能极大地减少函数调用的频率，并将大量的行处理转化为少量的批量处理。

2.1 内存对齐与预取

内存对齐 是向量化执行性能的关键。为了充分利用 SIMD 指令集，向量化的批次数据通常会按照 4 字节或 8 字节对齐存储。这不仅能确保数据在内存中的连续性，还可以让 SIMD 寄存器一次性加载多个数据单元。

SIMD-friendly 数据布局：数据库会将列的数据进行对齐和分块，确保每一列的数据能够高效加载到 SIMD 寄存器。例如，在处理浮点型数据时，所有列的数据会按 32 位或 64 位对齐。

硬件预取机制 也是提高批处理效率的重要方式。由于向量化执行通常是线性访问数据，CPU 的硬件预取机制会提前将下一批数据从内存中加载到缓存，这能有效减少数据访问的延迟。

2.2 缓存局部性优化

为了提高数据访问的速度，向量化查询执行器非常重视缓存局部性。列式存储在这方面具有天然优势，因为同一列的数据是连续存储的，批量处理时能充分利用 CPU 缓存。

缓存块优化：在批量处理时，向量化执行器会将数据分成缓存块大小的批次进行操作，确保每个批次的数据能完全放入 CPU 的 L1 或 L2 缓存，从而最小化缓存未命中。

通过优化内存布局和缓存局部性，向量化执行可以显著减少缓存未命中的次数，从而提升性能。

3. 特定操作符的向量化执行

3.1 向量化的 JOIN 操作

JOIN 操作在数据库中是非常常见的，但也是性能消耗大户。向量化查询优化器可以通过多种技术来优化 JOIN 操作。

哈希 JOIN：向量化执行器会使用 SIMD 加速哈希表的构建和探查。在构建哈希表时，多个键可以同时被哈希到不同的桶中，然后通过 SIMD 并行查找是否匹配。

具体实现中，SIMD 指令集允许在构建哈希表时，一次性对多个键进行哈希计算，并将它们分配到哈希表的不同位置。
Nested Loop JOIN：尽管哈希 JOIN 在大多数情况下效率更高，但在某些情况下（如小数据集）使用嵌套循环 JOIN 也可能更加合适。向量化查询优化器可以使用 SIMD 并行比较两个表中的多个行来加速嵌套循环 JOIN。

void vectorized_join(const Column& left, const Column& right)
{
    __m256i left_values = _mm256_load_si256(left.data());
    __m256i right_values = _mm256_load_si256(right.data());
    __m256i cmp_mask = _mm256_cmpeq_epi32(left_values, right_values); // SIMD 并行比较
    // 处理结果
}

3.2 向量化的 GROUP BY 操作

GROUP BY 操作通常伴随着聚合操作（如 SUM、COUNT 等），这类操作也非常适合向量化处理。

聚合操作的向量化：例如，对于 SUM 操作，数据库会将列中的值加载到 SIMD 寄存器中并并行累加。不同于逐行执行累加，SIMD 指令集可以一次处理多个值，将它们同时相加。

void vectorized_sum(const Column& values)
{
    __m256 sum = _mm256_setzero_ps();  // 初始化 SIMD 寄存器
    for (int i = 0; i < values.size(); i += 8)
    {
        __m256 val = _mm256_load_ps(&values[i]); // 加载 8 个值
        sum = _mm256_add_ps(sum, val); // 批量累加
    }
    // 汇总 SIMD 寄存器中的结果
}

哈希表聚合：当进行 GROUP BY 时，向量化执行器会将聚合键映射到哈希表中，通过 SIMD 加速哈希计算和结果聚合。

4. SIMD 使用的低级优化技巧

4.1 数据预取与缓存优化

SIMD 优化的一个核心技巧在于数据预取。现代 CPU 支持通过 _mm_prefetch() 等指令提前将数据加载到缓存中，这样当 SIMD 寄存器需要使用这些数据时，它们已经位于缓存中，从而减少了访问内存的延迟。

void prefetch_data(const float* data, int length)
{
    for (int i = 0; i < length; i += 16)  // 每次预取 16 个元素
    {
        _mm_prefetch(reinterpret_cast<const char*>(&data[i]), _MM_HINT_T0);  // 提前加载数据
    }
}

4.2 SIMD 指令优化的挑战

尽管 SIMD 可以显著加速查询执行，但它也有一些挑战：

分支预测失效：由于 SIMD 是并行执行的，如果查询中存在大量分支（如复杂的条件判断），分支预测的失效会导致 SIMD 的并行优势降低。因此，优化器通常会尽量将分支扁平化。
数据依赖问题：SIMD 处理的数据应当是独立的。如果同一批次中的数据存在相互依赖，无法并行处理，这会降低 SIMD 的效率。因此，数据库系统在设计批次时，会尽量保证数据的独立性。

5. 现代数据库的向量化设计案例

5.1 ClickHouse 向量化设计

ClickHouse 是一个典型的高性能列式数据库，其向量化执行器使用批处理操作和 SIMD 优化加速查询。每个查询会被分解为多个向量化操作，例如：

过滤操作：ClickHouse 使用 SIMD 指令对列数据进行并行过滤，例如在 WHERE 子句中应用条件。
聚合操作：ClickHouse 利用 SIMD 来加速 SUM、AVG 等聚合操作，减少计算的开销。

5.2 Apache Arrow 的向量化设计

Apache Arrow 作为一个通用的内存数据格式库，设计时充分考虑了向量化执行。其内存布局优化了缓存命中率，并确保

列数据可以高效地加载到 SIMD 寄存器中。

总结

深入探讨向量化查询优化器的实现，我们可以看到，向量化技术通过批处理、内存对齐、SIMD 指令优化、缓存局部性优化等多种技术手段，极大提升了查询执行的效率。

产品简介

梧桐数据库（WuTongDB）是基于 Apache HAWQ 打造的一款分布式 OLAP 数据库。产品通过存算分离架构提供高可用、高可靠、高扩展能力，实现了向量化计算引擎提供极速数据分析能力，通过多异构存储关联查询实现湖仓融合能力，可以帮助企业用户轻松构建核心数仓和湖仓一体数据平台。
2023年6月，梧桐数据库（WuTongDB）产品通过信通院可信数据库分布式分析型数据库基础能力测评，在基础能力、运维能力、兼容性、安全性、高可用、高扩展方面获得认可。

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