Внешние ключи (foreign keys) - мощный и удобный механизм контроля логической целостности данных в базе. Но он бывает не только лишь полезен, и может неплохо пригрузить вашу БД.

Внимательный взгляд на план запроса поможет избежать многих проблем - как при чтении из базы, так и при вставке в нее.

Традиционно, начнем с самой простой ситуации - пара табличек, одна на другую ссылается:

CREATE TABLE tblpk(
  k
    integer
      PRIMARY KEY
);

CREATE TABLE tblfk(
  k
    integer
      REFERENCES tblpk    -- эквивалентно tblpk(k), поскольку k - PK
        ON DELETE CASCADE -- "ничейные" записи нам не нужны
, v
    integer
);

Наполним их некоторыми данными:

INSERT INTO tblpk(k)
SELECT
  generate_series(1, 1e3); -- [1..1000]

INSERT INTO tblfk(k, v)
SELECT
  (random() * (1e3 - 1))::integer + 1 -- random = [0..1]
, (random() * 1e6)::integer
FROM
  generate_series(1, 1e6);

Медленный SELECT

А теперь попробуем самым примитивным запросом, через JOIN, для каждой записи tblpk из первого десятка найти максимальное значение tblfk.v:

SELECT
  k
, max(v)
FROM
  tblpk
JOIN
  tblfk
    USING(k)
WHERE
  k <= 10
GROUP BY
  k;

И... Parallel Seq Scan по миллиону записей tblfk - это совсем не то, чего бы хотелось:

К счастью, теперь, в продолжение темы про подсказки об упущенных индексах, наш сервис визуализации explain.tensor.ru научился различать не только условия на самом узле чтения (Seq Scan), но и стоящем выше него Hash Join.

В нашем примере каждый из 3 параллельных воркеров "свои" 333333 записи tblfk превращал в Hash Join в 3164 результирующую запись:

->  Hash Join (actual time=1.635..57.796 rows=3164 loops=3)
    Hash Cond: (tblfk.k = tblpk.k)
    Buffers: shared hit=8867
    ->  Parallel Seq Scan on tblfk (actual time=1.506..24.588 rows=333333 loops=3)
        Buffers: shared hit=8850

А если условие фильтрации для tblfk у нас получается известно (tblfk.k = tblpk.k), то нам ничто не мешает порекомендовать создать подходящий индекс:

Нам рекомендовано создать индекс:

CREATE INDEX CONCURRENTLY "~tblfk-67ed26fd"
  ON tblfk(k);

Запомним это, но пока не будем его накатывать.

А заодно запомним, что PostgreSQL не создает автоматически индексы для внешних ключей.

UPDATE/DELETE "тупит"... на триггере?

Вполне вероятно, что у вас в базе уже есть подобная табличка, но выборки вы из нее делаете крайне редко и их неспешность списываете на большой обрабатываемый объем - какие-нибудь логи, записи изменение, действий пользователя, ...

Но вот нам захотелось удалить (или даже обновить, если речь идет о старых версиях PostgreSQL) запись из основной таблицы:

DELETE FROM
  tblpk
WHERE
  k = 1000;

Оу... подсказка сразу акцентирует наше внимание, что 99.9% всего времени ушло вовсе не на выполнение запроса, а на Trigger for constraint tblfk_k_fkey.

Помните ON DELETE CASCADE в начале? Вот это он и есть - отработка внешнего ключа через триггер.

Давайте включим auto_explain и пристально посмотрим в лог сервера на аналогичном запросе:

LOAD 'auto_explain';
SET auto_explain.log_analyze = 'on';
SET auto_explain.log_buffers = 'on';
SET auto_explain.log_min_duration = 0;
SET auto_explain.log_nested_statements = 'on';
SET auto_explain.log_timing = 'on';
SET auto_explain.log_triggers = 'on';

DELETE FROM
  tblpk
WHERE
  k = 999;

2022-05-11 15:02:44.196 MSK [17696] LOG:  duration: 264.759 ms  plan:
  Query Text: DELETE FROM ONLY "public"."tblfk" WHERE $1 OPERATOR(pg_catalog.=) "k"
  Delete on tblfk  (cost=0.00..16925.00 rows=996 width=6) (actual time=264.757..264.757 rows=0 loops=1)
    Buffers: shared hit=6252 dirtied=1279
    ->  Seq Scan on tblfk  (cost=0.00..16925.00 rows=996 width=6) (actual time=0.181..143.802 rows=1016 loops=1)
          Filter: (999 = k)
          Rows Removed by Filter: 998497
          Buffers: shared hit=4425 dirtied=467
2022-05-11 15:02:44.196 MSK [17696] CONTEXT:  SQL statement "DELETE FROM ONLY "public"."tblfk" WHERE $1 OPERATOR(pg_catalog.=) "k""

Собственно, вот он и есть - виновник наших тормозов - "Seq Scan на миллион":

Логично, что к нему рекомендовано создание того же индекса - таки создадим же его:

CREATE INDEX CONCURRENTLY "~tblfk-67ed26fd"
  ON tblfk(k);

Ну, как там наше удаление теперь?

DELETE FROM
  tblpk
WHERE
  k = 1;

А вот теперь стало все отлично - 7ms вместо 95ms, поскольку удаление из tblfk теперь пользуется нашим индексом:

2022-05-11 15:13:16.566 MSK [17696] LOG:  duration: 3.166 ms  plan:
  Query Text: DELETE FROM ONLY "public"."tblfk" WHERE $1 OPERATOR(pg_catalog.=) "k"
  Delete on tblfk  (cost=12.14..2399.04 rows=996 width=6) (actual time=3.151..3.151 rows=0 loops=1)
    Buffers: shared hit=1550 dirtied=291
    ->  Bitmap Heap Scan on tblfk  (cost=12.14..2399.04 rows=996 width=6) (actual time=0.149..0.760 rows=531 loops=1)
          Recheck Cond: (1 = k)
          Heap Blocks: exact=508
          Buffers: shared hit=511
          ->  Bitmap Index Scan on "~tblfk-67ed26fd"  (cost=0.00..11.89 rows=996 width=0) (actual time=0.092..0.092 rows=531 loops=1)
                Index Cond: (k = 1)
                Buffers: shared hit=3
2022-05-11 15:13:16.566 MSK [17696] CONTEXT:  SQL statement "DELETE FROM ONLY "public"."tblfk" WHERE $1 OPERATOR(pg_catalog.=) "k""

INSERT совсем небыстр

Теперь-то у нас все хорошо? С индексом SELECT работает по нашим таблицам теперь быстро, UPDATE/DELETE - тоже, а как там поживает INSERT?

Восстановим удаленные нами записи в основной таблице:

INSERT INTO tblpk VALUES(1),(998),(999),(1000);

И докинем еще тысячу записей в дополнительную:

INSERT INTO tblfk(k, v)
SELECT
  (random() * (1e3 - 1))::integer + 1
, (random() * 1e6)::integer
FROM
  generate_series(1, 1e3);

Как-то все не очень быстро стало. И если мы теперь заглянем в лог сервера, то увидим массу похожих записей:

2022-05-11 15:23:00.005 MSK [17696] LOG:  duration: 0.296 ms  plan:
  Query Text: SELECT 1 FROM ONLY "public"."tblpk" x WHERE "k" OPERATOR(pg_catalog.=) $1 FOR KEY SHARE OF x
  LockRows  (cost=0.28..8.30 rows=1 width=10) (actual time=0.292..0.292 rows=1 loops=1)
    Buffers: shared hit=5 dirtied=1
    ->  Index Scan using tblpk_pkey on tblpk x  (cost=0.28..8.29 rows=1 width=10) (actual time=0.017..0.017 rows=1 loops=1)
          Index Cond: (k = 361)
          Buffers: shared hit=3
2022-05-11 15:23:00.005 MSK [17696] CONTEXT:  SQL statement "SELECT 1 FROM ONLY "public"."tblpk" x WHERE "k" OPERATOR(pg_catalog.=) $1 FOR KEY SHARE OF x"

То есть при вставке каждой нашей записи сервер идет в основную таблицу, находит запись с искомым ключом (по индексу, конечно) и вешает на нее FOR KEY SHARE-блокировку, чтобы никто в ней не успел сменить значение первичного ключа, пока мы тут вставляем остальное.

Неудивительно, что в плане запроса мы увидим все тот же несчастный триггер, обслуживающий foreign key, который и занял 90% всего времени:

Отсюда вывод: если вам необходимо вставлять много и быстро в PostgreSQL, то это вполне реально, но внешними ключами придется пожертвовать.

Подробнее о способах оптимизации записи в PostgreSQL можно почитать в статье "Пишем в PostgreSQL на субсветовой: 1 host, 1 day, 1TB" или расшифровке моего доклада "Массовая оптимизация запросов PostgreSQL".