上篇文字，我们知道如何获取数据了，那现在就把它们联接起来！
我要展现的是3个个常用联接运算符：合并联接（Merge join），哈希联接（Hash Join）和嵌套循环联接（Nested Loop Join）。但是在此之前，我需要引入新词汇了：内关系和外关系（inner relation and outer relation）。
一个关系可以是：
一个表
一个索引
上一个运算的中间结果（比如上一个联接运算的结果）。
当你联接两个关系时，联接算法对两个关系的处理是不同的。在本文剩余部分，我将假定：
外关系是左侧数据集
内关系是右侧数据集
比如， A JOIN B 是 A 和 B 的联接，这里 A 是外关系，B 是内关系。
多数情况下，A JOIN B 的成本跟 B JOIN A 的成本是不同的。
在这一部分，我还将假定外关系有 N 个元素，内关系有 M 个元素。要记住，真实的优化器通过统计知道 N 和 M 的值。
注：N 和 M 是关系的基数。【注：基数】
嵌套循环联接
嵌套循环联接是最简单的。
道理如下：
1 针对外关系的每一行
2 查看内关系里的所有行来寻找匹配的行
下面是伪代码：
nested_loop_join(array outer,array inner)
foreach row a in outer
foreach row b in inner
if(match_join_condition(a,b))
write_result_in_output(a,b)
end if
end for
end for
由于这是个双迭代，时间复杂度是 O(N*M)。
在磁盘 I/O 方面， 针对 N 行外关系的每一行，内部循环需要从内关系读取 M 行。这个算法需要从磁盘读取 N+ N*M 行。但是，如果内关系足够小，你可以把它读入内存，那么就只剩下 M + N 次读取。这样修改之后，内关系必须是最小的，因为它有更大机会装入内存。
在CPU成本方面没有什么区别，但是在磁盘 I/O 方面，最好最好的，是每个关系只读取一次。
当然，内关系可以由索引代替，对磁盘 I/O 更有利。
由于这个算法非常简单，下面这个版本在内关系太大无法装入内存时，对磁盘 I/O 更加有利。道理如下：
1 为了避免逐行读取两个关系，
2 你可以成簇读取，把（两个关系里读到的）两簇数据行保存在内存里，
3 比较两簇数据，保留匹配的，
4 然后从磁盘加载新的数据簇来继续比较
5 直到加载了所有数据。
可能的算法如下：
// improved version to reduce the disk I/O.
nested_loop_join_v2(file outer, file inner)
for each bunch ba in outer
// ba is now in memory
for each bunch bb in inner
// bb is now in memory
for each row a in ba
for each row b in bb
if (match_join_condition(a,b))
write_result_in_output(a,b)
end if
end for
end for
end for
end for
使用这个版本，时间复杂度没有变化，但是磁盘访问降低了：
用前一个版本，算法需要 N + N*M 次访问（每次访问读取一行）。
用新版本，磁盘访问变为外关系的数据簇数量 + 外关系的数据簇数量 * 内关系的数据簇数量。
增加数据簇的尺寸，可以降低磁盘访问。
哈希联接
哈希联接更复杂，不过在很多场合比嵌套循环联接成本低。
哈希联接的道理是：
1) 读取内关系的所有元素
2) 在内存里建一个哈希表
3) 逐条读取外关系的所有元素
4) （用哈希表的哈希函数）计算每个元素的哈希值，来查找内关系里相关的哈希桶内
5) 是否与外关系的元素匹配。
在时间复杂度方面我需要做些假设来简化问题：
1 内关系被划分成 X 个哈希桶
2 哈希函数几乎均匀地分布每个关系内数据的哈希值，就是说哈希桶大小一致。
3 外关系的元素与哈希桶内的所有元素的匹配，成本是哈希桶内元素的数量。
时间复杂度是 (M/X) * N + 创建哈希表的成本(M) + 哈希函数的成本 * N 。
如果哈希函数创建了足够小规模的哈希桶，那么复杂度就是 O(M+N)。
还有个哈希联接的版本，对内存有利但是对磁盘 I/O 不够有利。 这回是这样的：
1) 计算内关系和外关系双方的哈希表
2) 保存哈希表到磁盘
3) 然后逐个哈希桶比较（其中一个读入内存，另一个逐行读取）。
合并联接
合并联接是唯一产生排序的联接算法。
注：这个简化的合并联接不区分内表或外表；两个表扮演同样的角色。但是真实的实现方式是不同的，比如当处理重复值时。
1.（可选）排序联接运算：两个输入源都按照联接关键字排序。
2.合并联接运算：排序后的输入源合并到一起。
排序
我们已经谈到过合并排序，在这里合并排序是个很好的算法（但是并非最好的，如果内存足够用的话，还是哈希联接更好）。
然而有时数据集已经排序了，比如：
1 如果表内部就是有序的，比如联接条件里一个索引组织表【index-organized table】
2 如果关系是联接条件里的一个索引
3 如果联接应用在一个查询中已经排序的中间结果
合并联接
这部分与我们研究过的合并排序中的合并运算非常相似。不过这一次呢，我们不是从两个关系里挑选所有元素，而是只挑选相同的元素。道理如下：
1) 在两个关系中，比较当前元素（当前=头一次出现的第一个）
2) 如果相同，就把两个元素都放入结果，再比较两个关系里的下一个元素
3) 如果不同，就去带有最小元素的关系里找下一个元素（因为下一个元素可能会匹配）
4) 重复 1、2、3步骤直到其中一个关系的最后一个元素。
因为两个关系都是已排序的，你不需要『回头去找』，所以这个方法是有效的。
该算法是个简化版，因为它没有处理两个序列中相同数据出现多次的情况（即多重匹配）。真实版本『仅仅』针对本例就更加复杂，所以我才选择简化版。
如果两个关系都已经排序，时间复杂度是 O(N+M)
如果两个关系需要排序，时间复杂度是对两个关系排序的成本：O(N*Log(N) +
M*Log(M))
对于计算机极客，我给出下面这个可能的算法来处理多重匹配（注：对于这个算法我不保证100%正确）：
mergeJoin(relation a, relation b)
relation output
integer a_key:=0;
integer b_key:=0;
while (a[a_key]!=null and b[b_key]!=null)
if (a[a_key] < b[b_key])
a_key++;
else if (a[a_key] > b[b_key])
b_key++;
else //Join predicate satisfied
write_result_in_output(a[a_key],b[b_key])
//We need to be careful when we increase the pointers
if (a[a_key+1] != b[b_key])
b_key++;
end if
if (b[b_key+1] != a[a_key])
a_key++;
end if
if (b[b_key+1] == a[a_key] && b[b_key] == a[a_key+1])
b_key++;
a_key++;
end if
end if
end while
哪个算法最好？
如果有最好的，就没必要弄那么多种类型了。这个问题很难，因为很多因素都要考虑，比如：
1 空闲内存：没有足够的内存的话就跟强大的哈希联接拜拜吧（至少是完全内存中哈希联接）。
2 两个数据集的大小。比如，如果一个大表联接一个很小的表，那么嵌套循环联接就比哈希联接快，因为后者有创建哈希的高昂成本；如果两个表都非常大，那么嵌套循环联接CPU成本就很高昂。
3 是否有索引：有两个 B+树索引的话，聪明的选择似乎是合并联接。
4 结果是否需要排序：即使你用到的是未排序的数据集，你也可能想用成本较高的合并联接（带排序的），因为最终得到排序的结果后，你可以把它和另一个合并联接串起来（或者也许因为查询用 ORDER BY/GROUP BY/DISTINCT 等操作符隐式或显式地要求一个排序结果）。
5 关系是否已经排序：这时候合并联接是最好的候选项。
6 联接的类型：是等值联接（比如 tableA.col1 = tableB.col2 ）？ 还是内联接？外联接？笛卡尔乘积？或者自联接？有些联接在特定环境下是无法工作的。
7 数据的分布：如果联接条件的数据是倾斜的（比如根据姓氏来联接人，但是很多人同姓），用哈希联接将是个灾难，原因是哈希函数将产生分布极不均匀的哈希桶。
8 如果你希望联接操作使用多线程或多进程。
想要更详细的信息，可以阅读相关数据库的文档。
简化的例子
我们已经研究了 3 种类型的联接操作。
现在，比如说我们要联接 5 个表，来获得一个人的全部信息。一个人可以有：
多个手机号（MOBILES）
多个邮箱（MAILS）
多个地址（ADRESSES）
多个银行账号（BANK_ACCOUNTS）
换句话说，我们需要用下面的查询快速得到答案：
MySQL SELECT * from PERSON, MOBILES, MAILS,ADRESSES, BANK_ACCOUNTS WHERE PERSON.PERSON_ID = MOBILES.PERSON_ID AND PERSON.PERSON_ID = MAILS.PERSON_ID AND PERSON.PERSON_ID = ADRESSES.PERSON_ID AND PERSON.PERSON_ID = BANK_ACCOUNTS.PERSON_ID
作为一个查询优化器，我必须找到处理数据最好的方法。但有 2 个问题：
每个联接使用那种类型？
我有 3 种可选（哈希、合并、嵌套），同时可能用到 0, 1 或 2 个索引（不必说还有多种类型的索引）。
按什么顺序执行联接？
比如，下图显示了针对 4 个表仅仅 3 次联接，可能采用的执行计划：
那么下面就是我可能采取的方法：
1) 采取粗暴的方式
用数据库统计，计算每种可能的执行计划的成本，保留最佳方案。但是，会有很多可能性。对于一个给定顺序的联接操作，每个联接有三种可能性：哈希、合并、嵌套，那么总共就有 3^4 种可能性。确定联接的顺序是个二叉树的排列问题，会有(2*4)!/(4+1)! 种可能的顺序。对本例这个相当简化了的问题，我最后会得到
3^4*(2*4)!/(4+1)! 种可能。
抛开专业术语，那相当于 27,216 种可能性。如果给合并联接加上使用 0,1 或 2 个 B+树索引，可能性就变成了 210,000种。我是不是告诉过你这个查询其实非常简单吗？
2) 我大叫一声辞了这份工作
很有诱惑力，但是这样一来，你不会的到查询结果，而我需要钱来付账单。
3) 我只尝试几种执行计划，挑一个成本最低的。
由于不是超人，我不能算出所有计划的成本。相反，我可以武断地从全部可能的计划中选择一个子集，计算它们的成本，把最佳的计划给你。
4) 我用聪明的规则来降低可能性的数量
有两种规则：
我可以用『逻辑』规则，它能去除无用的可能性，但是无法过滤大量的可能性。比如：
『嵌套联接的内关系必须是最小的数据集』。
我接受现实，不去找最佳方案，用更激进的规则来大大降低可能性的数量。比如：『如果一个关系很小，使用嵌套循环联接，绝不使用合并或哈希联接。』
在这个简单的例子中，我最后得到很多可能性。但现实世界的查询还会有其他关系运算符，像
OUTER JOIN, CROSS JOIN, GROUP BY, ORDER BY, PROJECTION, UNION, INTERSECT,
DISTINCT … 这意味着更多的可能性。
那么，数据库是如何处理的呢？
动态规划，贪婪算法和启发式算法
关系型数据库会尝试我刚刚提到的多种方法，优化器真正的工作是在有限时间里找到一个好的解决方案。
多数时候，优化器找到的不是最佳的方案，而是一个『不错』的
对于小规模的查询，采取粗暴的方式是有可能的。但是为了让中等规模的查询也能采取粗暴的方式，我们有办法避免不必要的计算，这就是动态编程。
动态规划
这几个字背后的理念是，很多执行计划是非常相似的。看看下图这几种计划：
它们都有相同的子树（A JOIN B），所以，不必在每个计划中计算这个子树的成本，计算一次，保存结果，当再遇到这个子树时重用。用更正规的说法，我们面对的是个重叠问题。为了避免对部分结果的重复计算，我们使用记忆法。
应用这一技术，我们不再有
(2*N)!/(N+1)! 的复杂度，而是“只有” 3^N。在之前 4 个JOIN 的例子里，这意味着将
336 次排序降为 81 次。如果是大一些的查询，比如 8 个 JOIN （其实也不是很大啦），就是将 57,657,600 次降为 6551 次。【译者注：这一小段漏掉了，感谢nsos指出来。另外感谢 Clark Li 指出Dynamic Programing 应该翻译为动态规划。
】
对于计算机极客，下面是我在先前给你的教程里找到的一个算法。我不提供解释，所以仅在你已经了解动态规划或者精通算法的情况下阅读（我提醒过你哦）：
procedure findbestplan(S)
if (bestplan[S].cost infinite)
return bestplan[S]
// else bestplan[S] has not been computed earlier, compute it now
if (S contains only 1 relation)
set bestplan[S].plan and bestplan[S].cost based on the best way
of accessing S /* Using selections on S and indices on S */
else for each non-empty subset S1 of S such that S1 != S
P1= findbestplan(S1)
P2= findbestplan(S - S1)
A = best algorithm for joining results of P1 and P2
cost = P1.cost + P2.cost + cost of A
if cost < bestplan[S].cost
bestplan[S].cost = cost
bestplan[S].plan = 『execute P1.plan; execute P2.plan;
join results of P1 and P2 using A』
return bestplan[S]
针对大规模查询，你也可以用动态规划方法，但是要附加额外的规则（或者称为启发式算法）来减少可能性。
如果我们仅分析一个特定类型的计划（例如左深树 left-deep tree，参考)，我们得到 n*2^n 而不是 3^n。
如果我们加上逻辑规则来避免一些模式的计划（像『如果一个表有针对指定谓词的索引，就不要对表尝试合并联接，要对索引』），就会在不给最佳方案造成过多伤害的前提下，减少可能性的数量。
如果我们在流程里增加规则（像『联接运算先于其他所有的关系运算』），也能减少大量的可能性。
……
贪婪算法
但是，优化器面对一个非常大的查询，或者为了尽快找到答案（然而查询速度就快不起来了），会应用另一种算法，叫贪婪算法。
原理是按照一个规则（或启发）以渐进的方式制定查询计划。在这个规则下，贪婪算法逐步寻找最佳算法，先处理一条JOIN，接着每一步按照同样规则加一条新的JOIN。
我们来看个简单的例子。比如一个针对5张表（A,B,C,D,E）4次JOIN 的查询，为了简化我们把嵌套JOIN作为可能的联接方式，按照『使用最低成本的联接』规则。
直接从 5 个表里选一个开始（比如 A）
计算每一个与 A 的联接（A 作为内关系或外关系）
发现 “A JOIN B” 成本最低
计算每一个与 “A JOIN B” 的结果联接的成本（“A JOIN B” 作为内关系或外关系）
发现 “(A JOIN B) JOIN C” 成本最低
计算每一个与 “(A JOIN B) JOIN C” 的结果联接的成本 ……
最后确定执行计划 “( ( (A JOIN B) JOIN C) JOIN D ) JOIN E )”
因为我们是武断地从表 A 开始，我们可以把同样的算法用在 B，然后 C，然后 D, 然后 E。最后保留成本最低的执行计划。
顺便说一句，这个算法有个名字，叫『最近邻居算法』。
抛开细节不谈，只需一个良好的模型和一个 N*log(N) 复杂度的排序，问题就轻松解决了。这个算法的复杂度是 O(N*log(N)) ，对比一下完全动态规划的 O(3^N)。如果你有个20个联接的大型查询，这意味着 26 vs 3,486,784,401 ，天壤之别！
这个算法的问题是，我们做的假设是：找到 2 个表的最佳联接方法，保留这个联接结果，再联接下一个表，就能得到最低的成本。但是：
即使在 A, B, C 之间，A JOIN B 可得最低成本
(A JOIN C) JOIN B 也许比 (A JOIN B) JOIN C 更好。
为了改善这一状况，你可以多次使用基于不同规则的贪婪算法，并保留最佳的执行计划。
其他算法
[ 如果你已经受够了算法话题，就直接跳到下一部分。这部分对文章余下的内容不重要。]【译者注：我也很想把这段跳过去 -_-f 】
很多计算机科学研究者热衷于寻找最佳的执行计划，他们经常为特定问题或模式探寻更好的解决方案，比如：
如果查询是星型联接（一种多联接查询），某些数据库使用一种特定的算法。
如果查询是并行的，某些数据库使用一种特定的算法。 ……
其他算法也在研究之中，就是为了替换在大型查询中的动态规划算法。贪婪算法属于一个叫做启发式算法的大家族，它根据一条规则（或启发），保存上一步找到的方法，『附加』到当前步骤来进一步搜寻解决方法。有些算法根据特定规则，一步步的应用规则但不总是保留上一步找到的最佳方法。它们统称启发式算法。
比如，基因算法就是一种：
一个方法代表一种可能的完整查询计划
每一步保留了 P 个方法（即计划），而不是一个。
0) P 个计划随机创建
1) 成本最低的计划才会保留
2) 这些最佳计划混合在一起产生 P 个新的计划
3) 一些新的计划被随机改写
4) 1，2，3步重复 T 次
5) 然后在最后一次循环，从 P 个计划里得到最佳计划。
循环次数越多，计划就越好。
这是魔术？不，这是自然法则：适者生存！
PostgreSQL实现了基因算法，但我并没有发现它是不是默认使用这种算法的。
数据库中还使用了其它启发式算法，像『模拟退火算法（Simulated Annealing）』、『交互式改良算法（Iterative Improvement）』、『双阶段优化算法（Two-Phase Optimization）』…..不过，我不知道这些算法当前是否在企业级数据库应用了，还是仅仅用在研究型数据库。
如果想进一步了解，这篇研究文章介绍两个更多可能的算法《数据库查询优化中联接排序问题的算法综述》，你可以去阅读一下。
真实的优化器
[ 这段不重要，可以跳过 ]
然而，所有上述罗里罗嗦的都非常理论化，我是个开发者而不是研究者，我喜欢具体的例子。
我们来看看SQLite 优化器是怎么工作的。这是个轻量化数据库，它使用一种简单优化器，基于带有附加规则的贪婪算法，来限制可能性的数量。
SQLite 在有 CROSS JOIN 操作符时从不给表重新排序
使用嵌套联接
外联接始终按顺序评估
……
3.8.0之前的版本使用『最近邻居』贪婪算法来搜寻最佳查询计划
等等……我们见过这个算法！真是巧哈！
从3.8.0版本（发布于2015年）开始，SQLite使用『N最近邻居』贪婪算法来搜寻最佳查询计划
我们再看看另一个优化器是怎么工作的。IBM DB2 跟所有企业级数据库都类似，我讨论它是因为在切换到大数据之前，它是我最后真正使用的数据库。
看过官方文档后，我们了解到 DB2 优化器可以让你使用 7 种级别的优化：
对联接使用贪婪算法
0 – 最小优化，使用索引扫描和嵌套循环联接，避免一些查询重写
1 – 低级优化
2 – 完全优化
对联接使用动态规划算法
3 – 中等优化和粗略的近似法
5 – 完全优化，使用带有启发式的所有技术
7 – 完全优化，类似级别5，但不用启发式
9 – 最大优化，完全不顾开销，考虑所有可能的联接顺序，包括笛卡尔乘积
可以看到DB2 使用贪婪算法和动态规划算法。当然，他们不会把自己的启发算法分享出来的，因为查询优化器是数据库的看家本领。
DB2 的默认级别是 5，优化器使用下列特性： 【译者注：以下出现的一些概念我没有做考证，因为[ 这段不重要，可以跳过 ]】
使用所有可用的统计，包括线段树（frequent-value）和分位数统计（quantile statistics）。
使用所有查询重写规则（含物化查询表路由，materialized query
table routing），除了在极少情况下适用的计算密集型规则。
使用动态规划模拟联接
有限使用组合内关系（composite inner relation）
对于涉及查找表的星型模式，有限使用笛卡尔乘积
考虑宽泛的访问方式，含列表预取（list prefetch，注：我们将讨论什么是列表预取），index ANDing（注：一种对索引的特殊操作），和物化查询表路由。
默认的，DB2 对联接排列使用受启发式限制的动态规划算法。
其它情况 (GROUP BY, DISTINCT…) 由简单规则处理。
查询计划缓存
由于创建查询计划是耗时的，大多数据库把计划保存在查询计划缓存，来避免重复计算。这个话题比较大，因为数据库需要知道什么时候更新过时的计划。办法是设置一个上限，如果一个表的统计变化超过了上限，关于该表的查询计划就从缓存中清除。
查询执行器
在这个阶段，我们有了一个优化的执行计划，再编译为可执行代码。然后，如果有足够资源（内存，CPU），查询执行器就会执行它。计划中的操作符 (JOIN, SORT BY …) 可以顺序或并行执行，这取决于执行器。为了获得和写入数据，查询执行器与数据管理器交互，本文下一部分来讨论数据管理器。
原文地址：https://www.cnblogs.com/qixinbo/p/9385368.html