TiDB 优化器实现的基础：统计信息的收集

哈喽！今天心血来潮给大家带来了《TiDB 优化器实现的基础：统计信息的收集》，想必大家应该对数据库都不陌生吧，那么阅读本文就都不会很困难，以下内容主要涉及到MySQL、go、rust，若是你正在学习数据库，千万别错过这篇文章~希望能帮助到你！

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收集统计信息的意义
一个 SQL 数据库里，优化器实现的好坏对性能的影响是决定性的。一个未经优化的执行计划和经过充分优化后的执行计划，执行时间的差别往往是成千上万倍。而对一个 SQL 优化器来说，统计信息是必不可少的条件，只有依赖统计信息提供的数据，优化器才可以正确估算不同的执行计划的执行代价，以选择最优的执行计划。就像一个大厨无论多么优秀，没有上等食材也是无法做出美味的饭菜。

统计信息包含的内容

统计信息有两类，包括 Table 统计信息和 Column 统计信息。
Table 统计信息包含 Row Count 和 Row Size。
Column 统计信息包含 Null Count，Max Value，Min Value，Distinct Count 以及 Histogram。其中 Histogram 用来记录这个 Column 的数据详细分布，可以用来估算大于、小于或等于某个 Value 的 Row Count。

统计信息采集的步骤

1）在 TiDB 执行 ANALYZE TABLE 语句，手动触发收集动作。
我们知道，一个 Table 的数据往往是在不断变化的，我们无法保证统计信息时刻保持在最新状态，总会有一定的误差，如果我们不及时更新，随着时间的推进，这个误差可能会越来越大，影响到优化器的优化效果。
有时我们会需要让统计信息更新的频率低一些来降低系统的压力，因为每次的统计信息收集都是开销很大的操作。有时我们会需要立即更新统计数据，因为我们刚刚向一个表导入了大量的数据，马上就需要查询。
所以定期更新统计信息的功能，我们希望可以用独立的模块，用更灵活的策略来实现，TiDB 本身只需要支持基本的手动触发就可以了。

2）全表扫描。
全表扫描的执行过程比较长，整个扫表的任务会被分解为一系列 Region 的小请求，每个 Region 的请求会返回该 Region 包含的 Table 的部分数据。

3）用扫描得到的数据，记录 Row Count 和 Row Size，并对数据采样。
扫描得到的数据量有可能会非常大，以至于无法把全部数据保留在内存里进行处理，所以需要进行采样，当采样的概率均匀的时候，计算生成的统计信息的误差是可以接受的。这里我们设定的采样数是 1 万，无论 Table 有多大，最后保留的样本数不会超过 1 万。后面会详细介绍采样时使用到的算法。

4）采样数据生成 Column 统计信息，并保存到 KV。
采样得到的数据会进行计算生成 Histogram。

采样算法

要得到一个均匀分布的采样池，一个最简单的算法是，当我扫描整个表的时候，读到的每一行，都以一个固定的概率决定是否加入采样池，这个概率 P =（采样池大小/表的行数）。但是由于在扫描之前，我们并不知道一个表总共有多少行，所以如果使用这个算法进行采样，就需要扫描两次，第一次获取整个表的行数，第二次进行真正的采样。
一个更优化的算法，蓄水池算法，可以在表的大小未知的情况下，一次扫描得到均匀分布的采样池。

算法的实现
假如我们的样本池大小为 $M = 100$ ，从头开始扫描全表，当我们读到的记录个数 $K 我们继续扫描，当我们扫描到的第 $K = 101 条$时，我们用概率 $P = (M/K) = (100/101)$ 决定是否把这个新的记录加入采样池，如果加入了采样池，采样池的总数会超过 $M$ 的限制，这时我们需要随机选择一个旧的采样丢掉，保证采样池大小不会超过限制。
执行这样采样算法一直到全表扫描结束，我们可以得到一个均匀分布的采样池。

算法的证明
这个算法可以用归纳法来证明，如果表的大小 $N 现在假设当读取完 K 个元素时，采样池满足均匀分布的要求，采样概率 $P = (M / K)$，当读取第 $K + 1$ 个记录时，我们应用蓄水池算法，以 $P' = M / (K + 1)$ 的概率决定是否加入采样池，这时出现了两种情况，被加入和没有被加入，我们继续分析这两种情况下，这条记录被选中的概率。
如果记录没有被选中，旧样本被保留概率是$Po1 =（1 - P'） P = (1 - M / (K + 1)) (M / K)$， 新样本被保留的概率是 Pn1 = 0。
如果记录被选中，采样池中已有的采样有 (M - 1) / M 的概率被保留，旧样本概率是 $Po2 = P' P Po = (M / (K + 1)) (M / K) （ (M -1) / M)$，新样本的整体概率是 $Pn2 = P' = M / (K + 1)$。
把两种情况下的概率相加， 得到旧采样被保留的概率 $Po = Po1 + Po2 = （1 - M / (K + 1)) (M / K) + (M / (K + 1)) (M / K) *（ (M -1) / M) = M / (K + 1)$，新采样被保留的概率为 $Pn = Pn1 + Pn2 = 0 + M / (K + 1) = M / (K + 1)$，所有采样被保留的概率都是 $M / (K + 1)$，满足均匀分布的要求。

Histogram
Histogram 的类型主要有两种，Frequency Histogram 和 Height-Balanced Histogram。
当 $NDV 但是当 $NDV > bucket count$ 时，Frequency Histogram 没有足够的 bucket 存放 value，我们就需要用另外的 Histogram 类型，比如 Height-Balanced Histogram。
Height-Balanced Histogram 把所有 value 从小到大排序，平均放到所有 bucket 里，但是缺点是无法记录有哪些 popular value。
Oracle 还实现了一种 Hibrid Histogram，综合了 Frequency Histogram 和 Height-Balanced Histogram 的优点，TiDB 实现的 Histogram 主要参考的就是 Oracle 的 Hibraid Histogram。
Hibrid Histogram 包含 N 个 bucket，我们设定的 N 的默认值是 256，每个 bucket 包含三个字段

number

，

value

和

repeat

，

number

代表放在这个 bucket 里的最后一个 value 在 table 里排序后的 offset，

value

就是放在这个 bucket 里的最大的那一个 value，

repeat

代表最大的 value 的个数。
Hibrid Histogram 在生成的过程中，如果一个 bucket 装满了，遇到下一个 value 的时候，比较一下这个新的 value 和前一个 value 是否相等，如果相等，增加 repeat 值，直到遇到一个更大的 value，换下一个 bucket 存放这个 value，这样保证任何一个 value 只会在 一个 bucket 内存在，相比 Height-Balanced Histogram，可以包含更准确的 value 分布信息。
我们用一个实例来说明 Hibrid Histogram 是如何存储 value 分布信息的。
给定 value 集合 $['a', 'a', 'b', 'c', c', 'c', 'c', 'd', 'd', ‘e’]$ 和 bucket count 3，生成的 histogram 如下：

[number, value, repeat]
[2, 'b', 0]
[6, 'c', 3]
[9, 'e', 0]

我们可以看到这个集合内， 'c' 的个数有 4 个，在第二个 bucket 里准确记录了 'c' 的 repeat 数量 3，这样我们在查询条件为

where column = 'c' 

的时候，就可以准确的估算执行开销。
统计信息的收集，使 TiDB 的优化器掌握数据分布详情，准确估算执行开销，从而实现高效的 CBO (cost base optimization)。

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这是对 PingCAP 第 15 期 NewSQL Meetup 中《TiDB 优化器统计信息的采集》这一议题的干货整理。

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