Рецепты для хворающих SQL-запросов

Несколько месяцев назад мы анонсировали explain.tensor.ru — публичный сервис для разбора и визуализации планов запросов к PostgreSQL.

За прошедшее время вы уже воспользовались им более 6000 раз, но одна из удобных функций могла остаться незамеченной — это структурные подсказки, которые выглядят примерно так:



Прислушивайтесь к ним, и ваши запросы «станут гладкими и шелковистыми». :)

А если серьезно, то многие ситуации, которые делают запрос медленным и «прожорливым» по ресурсам, типичны и могут быть распознаны по структуре и данным плана.

В этом случае каждому отдельному разработчику не придется искать вариант оптимизации самостоятельно, опираясь исключительно на свой опыт — мы можем ему подсказать, что тут происходит, в чем может быть причина, и как можно подойти к решению. Что мы и сделали.



Давайте чуть подробнее рассмотрим эти кейсы — как они определяются и к каким рекомендациям приводят.

Для лучшего погружения в тему сначала можно послушать соответствующий блок из моего доклада на PGConf.Russia 2020, а уже потом перейти к детальному разбору каждого примера:

1. индексная «недосортировка»
2. пересечение индексов (BitmapAnd)
3. объединение индексов (BitmapOr)
4. читаем много лишнего
5. разреженная таблица
6. чтение с «середины» индекса
7. CTE × CTE
8. swap на диск (temp written)
9. неактуальная статистика
10. «что-то пошло не так»

#1: индексная «недосортировка»

Когда возникает

Показать последний счет по клиенту «ООО Колокольчик».

Как опознать

-> Limit
   -> Sort
      -> Index [Only] Scan [Backward] | Bitmap Heap Scan

Рекомендации

Используемый индекс расширить полями сортировки.

Пример:

CREATE TABLE tbl AS
SELECT
  generate_series(1, 100000) pk  -- 100K "фактов"
, (random() * 1000)::integer fk_cli; -- 1K разных внешних ключей

CREATE INDEX ON tbl(fk_cli); -- индекс для foreign key

SELECT
  *
FROM
  tbl
WHERE
  fk_cli = 1 -- отбор по конкретной связи
ORDER BY
  pk DESC -- хотим всего одну "последнюю" запись
LIMIT 1;

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Сразу можно заметить, что по индексу вычиталось больше 100 записей, которые потом все сортировались, а потом была оставлена единственная.

Исправляем:

DROP INDEX tbl_fk_cli_idx;
CREATE INDEX ON tbl(fk_cli, pk DESC); -- добавили ключ сортировки

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Даже на такой примитивной выборке — в 8.5 раз быстрее и в 33 раза меньше чтений. Эффект будет тем нагляднее, чем больше у вас «фактов» по каждому значению fk.

Замечу, что такой индекс будет работать как «префиксный» не хуже прежнего и по другим запросам с fk, где сортировки по pk не было и нет (подробнее про это можно прочитать в моей статье про поиск неэффективных индексов). В том числе, он обеспечит и нормальную поддержку явного foreign key по этому полю.

#2: пересечение индексов (BitmapAnd)

Когда возникает

Показать все договоры по клиенту «ООО Колокольчик», заключенные от имени «НАО Лютик».

Как опознать

-> BitmapAnd
   -> Bitmap Index Scan
   -> Bitmap Index Scan

Рекомендации

Создать составной индекс по полям из обоих исходных или расширить один из существующих полями из второго.

Пример:

CREATE TABLE tbl AS
SELECT
  generate_series(1, 100000) pk      -- 100K "фактов"
, (random() *  100)::integer fk_org  -- 100 разных внешних ключей
, (random() * 1000)::integer fk_cli; -- 1K разных внешних ключей

CREATE INDEX ON tbl(fk_org); -- индекс для foreign key
CREATE INDEX ON tbl(fk_cli); -- индекс для foreign key

SELECT
  *
FROM
  tbl
WHERE
  (fk_org, fk_cli) = (1, 999); -- отбор по конкретной паре

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Исправляем:

DROP INDEX tbl_fk_org_idx;
CREATE INDEX ON tbl(fk_org, fk_cli);

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Тут выигрыш меньше, поскольку Bitmap Heap Scan достаточно эффективен сам по себе. Но все-таки в 7 раз быстрее и в 2.5 раза меньше чтений.

#3: объединение индексов (BitmapOr)

Когда возникает

Показать первые 20 самых старых «своих» или неназначенных заявок для обработки, причем свои в приоритете.

Как опознать

-> BitmapOr
   -> Bitmap Index Scan
   -> Bitmap Index Scan

Рекомендации

Использовать UNION [ALL] для объединения подзапросов по каждому из OR-блоков условий.

Пример:

CREATE TABLE tbl AS
SELECT
  generate_series(1, 100000) pk  -- 100K "фактов"
, CASE
    WHEN random() < 1::real/16 THEN NULL -- с вероятностью 1:16 запись "ничья"
    ELSE (random() * 100)::integer -- 100 разных внешних ключей
  END fk_own;

CREATE INDEX ON tbl(fk_own, pk); -- индекс с "вроде как подходящей" сортировкой

SELECT
  *
FROM
  tbl
WHERE
  fk_own = 1 OR -- свои
  fk_own IS NULL -- ... или "ничьи"
ORDER BY
  pk
, (fk_own = 1) DESC -- сначала "свои"
LIMIT 20;

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Исправляем:

(
  SELECT
    *
  FROM
    tbl
  WHERE
    fk_own = 1 -- сначала "свои" 20
  ORDER BY
    pk
  LIMIT 20
)
UNION ALL
(
  SELECT
    *
  FROM
    tbl
  WHERE
    fk_own IS NULL -- потом "ничьи" 20
  ORDER BY
    pk
  LIMIT 20
)
LIMIT 20; -- но всего - 20, больше и не надо

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Мы воспользовались тем, что все 20 нужных записей были сразу получены уже в первом блоке, поэтому второй, с более «дорогим» Bitmap Heap Scan, даже не выполнялся — в итоге в 22 раза быстрее, в 44 раза меньше чтений!

Более детальный рассказ о данном способе оптимизации на конкретных примерах можно прочитать в статьях PostgreSQL Antipatterns: вредные JOIN и OR и PostgreSQL Antipatterns: сказ об итеративной доработке поиска по названию, или «Оптимизация туда и обратно».

Обобщенный вариант упорядоченного отбора по нескольким ключам (а не только по паре const/NULL) рассмотрен в статье SQL HowTo: пишем while-цикл прямо в запросе, или «Элементарная трехходовка».

#4: читаем много лишнего

Когда возникает

Как правило, возникает при желании «прикрутить еще один фильтр» к уже существующему запросу.

«А у вас нет такого же, но с перламутровыми пуговицами?» х/ф «Бриллиантовая рука»

Например, модифицируя задачу выше, показать первые 20 самых старых «критичных» заявок для обработки, независимо от их назначенности.

Как опознать

-> Seq Scan | Bitmap Heap Scan | Index [Only] Scan [Backward]
   && 5 × rows < RRbF -- отфильтровано >80% прочитанного
   && loops × RRbF > 100 -- и при этом больше 100 записей суммарно

Рекомендации

Создать [более] специализированный индекс с WHERE-условием или включить в индекс дополнительные поля.

Если условие фильтрации является «статичным» для ваших задач — то есть не предполагает расширения перечня значений в будущем — лучше использовать WHERE-индекс. В эту категорию хорошо укладываются разные boolean/enum-статусы.

Если же условие фильтрации может принимать разные значения, то лучше расширить индекс этими полями — как в ситуации с BitmapAnd выше.

Пример:

CREATE TABLE tbl AS
SELECT
  generate_series(1, 100000) pk -- 100K "фактов"
, CASE
    WHEN random() < 1::real/16 THEN NULL
    ELSE (random() * 100)::integer -- 100 разных внешних ключей
  END fk_own
, (random() < 1::real/50) critical; -- 1:50, что заявка "критичная"

CREATE INDEX ON tbl(pk);
CREATE INDEX ON tbl(fk_own, pk);

SELECT
  *
FROM
  tbl
WHERE
  critical
ORDER BY
  pk
LIMIT 20;

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Исправляем:

CREATE INDEX ON tbl(pk)
  WHERE critical; -- добавили "статичное" условие фильтрации

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Как видим, фильтрация из плана полностью ушла, а запрос стал в 5 раз быстрее.

#5: разреженная таблица

Когда возникает

Разнообразные попытки сделать собственную очередь обработки задач, когда большое количество обновлений/удалений записей на таблице приводят к ситуации большого количества «мертвых» записей.

Как опознать

-> Seq Scan | Bitmap Heap Scan | Index [Only] Scan [Backward]
   && loops × (rows + RRbF) < (shared hit + shared read) × 8
      -- прочитано больше 1KB на каждую запись
   && shared hit + shared read > 64

Рекомендации

Регулярно вручную проводить VACUUM [FULL] или добиться адекватно частой отработки autovacuum с помощью тонкой настройки его параметров, в том числе для конкретной таблицы.

В большинстве случаев подобные проблемы оказываются вызваны плохой компоновкой запросов при вызовах с бизнес-логики вроде тех, которые были рассмотрены в PostgreSQL Antipatterns: сражаемся с ордами «мертвецов».

Но надо понимать, что даже VACUUM FULL может помочь не всегда. Для таких случаев стоит ознакомиться с алгоритмом из статьи DBA: когда пасует VACUUM — чистим таблицу вручную.

#6: чтение с «середины» индекса

Когда возникает

Вроде и прочитали немного, и все по индексу, и никого лишнего не фильтровали — а все равно прочитано существенно больше страниц, чем хотелось бы.

Как опознать

-> Index [Only] Scan [Backward]
   && loops × (rows + RRbF) < (shared hit + shared read) × 8
      -- прочитано больше 1KB на каждую запись
   && shared hit + shared read > 64

Рекомендации

Внимательно посмотреть на структуру использовавшегося индекса и ключевые поля, заданные в запросе — скорее всего, часть индекса не задана. Скорее всего, вам придется создать похожий индекс, но без префиксных полей или научиться итерировать их значения.

Пример:

CREATE TABLE tbl AS
SELECT
  generate_series(1, 100000) pk      -- 100K "фактов"
, (random() *  100)::integer fk_org  -- 100 разных внешних ключей
, (random() * 1000)::integer fk_cli; -- 1K разных внешних ключей

CREATE INDEX ON tbl(fk_org, fk_cli); -- все почти как в #2
-- только вот отдельный индекс по fk_cli мы уже посчитали лишним и удалили

SELECT
  *
FROM
  tbl
WHERE
  fk_cli = 999 -- а fk_org не задано, хотя стоит в индексе раньше
LIMIT 20;

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Вроде бы все хорошо, даже по индексу, но как-то подозрительно — на каждую из 20 прочитанных записей пришлось вычитать по 4 страницы данных, 32KB на запись — не жирно ли? Да и имя индекса tbl_fk_org_fk_cli_idx наводит на размышления.

Исправляем:

CREATE INDEX ON tbl(fk_cli);

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Внезапно — в 10 раз быстрее, и в 4 раза меньше читать!

Другие примеры ситуаций неэффективного использования индексов можно увидеть в статье DBA: находим бесполезные индексы.

#7: CTE × CTE

Когда возникает

В запросе набрали «жирных» CTE из разных таблиц, а потом решили сделать между ними JOIN.

Кейс актуален для версий ниже v12 или запросов с WITH MATERIALIZED.

Как опознать

-> CTE Scan
   && loops > 10
   && loops × (rows + RRbF) > 10000
      -- слишком большое декартово произведение CTE

Рекомендации

Внимательно проанализировать запрос — а нужны ли тут вообще CTE? Если все-таки да, то применить «ословаривание» в hstore/json по модели, описанной в PostgreSQL Antipatterns: ударим словарем по тяжелому JOIN.

#8: swap на диск (temp written)

Когда возникает

Разовая обработка (сортировка или уникализация) большого количества записей не влезает в выделенную для этого память.

Как опознать

-> *
   && temp written > 0

Рекомендации

Если использованное операцией количество памяти не сильно превышает установленное значение параметра work_mem, стоит его скорректировать. Можно сразу в конфиге для всех, а можно через SET [LOCAL] для конкретного запроса/транзакции.

Пример:

SHOW work_mem;
-- "16MB"

SELECT
  random()
FROM
  generate_series(1, 1000000)
ORDER BY
  1;

[посмотреть на explain.tensor.ru]

Исправляем:

SET work_mem = '128MB'; -- перед выполнением запроса

[посмотреть на explain.tensor.ru]

По понятным причинам, если используется только память, а не диск, то и запрос будет выполняться намного быстрее. При этом еще и часть нагрузки с HDD снимается.

Но надо понимать, что выделять много-много памяти всегда тоже не получится — ее банально не хватит на всех.

#9: неактуальная статистика

Когда возникает

В базу влили сразу много, но не успели прогнать ANALYZE.

Как опознать

-> Seq Scan | Bitmap Heap Scan | Index [Only] Scan [Backward]
   && ratio >> 10

Рекомендации

Провести-таки ANALYZE.

Подробнее данная ситуация расписана в PostgreSQL Antipatterns: статистика всему голова.

#10: «что-то пошло не так»

Когда возникает

Случилось ожидание блокировки, наложенной конкурирующим запросом, или не хватило аппаратных ресурсов CPU/гипервизора.

Как опознать

-> *
   && (shared hit / 8K) + (shared read / 1K) < time / 1000
      -- RAM hit = 64MB/s, HDD read = 8MB/s
   && time > 100ms -- читали мало, но слишком долго

Рекомендации

Используйте внешнюю систему для мониторинга сервера на предмет наличия блокировок или нештатного потребления ресурсов. Про наш вариант организации этого процесса для сотен серверов мы уже рассказывали тут и тут.