面向关系数据库的智能索引调优方法

人工智能技术与咨询

来源：《软件学报》，作者邱涛等

摘要:数据库索引是关系数据库系统实现快速查询的有效方式之一.智能索引调优技术可以有效地对数据库实例进行索引调节,从而保持数据库高效的查询性能.现有的方法大多利用了数据库实例的查询日志,它们先从查询日志中得到候选索引,再利用人工设计的模型选择索引,从而调节索引.然而,从查询日志中产生出的候选索引可能并未实际存在于数据库实例中,因此导致这些方法不能有效地估计这类索引对于查询的优化效果.首先,设计并实现了一种面向关系数据库的智能索引调优系统;其次,提出了一种利用机器学习方法来构造索引的量化模型,根据该模型,可以准确地对索引的查询优化效果进行估计;接着设计了一种高效的最优索引选择算法,实现快速地从候选索引空间中选择满足给定大小约束的最优的索引组合;最后,通过实验测试不同场景下智能索引调优系统的调优性能.实验结果表明,所提出的技术可以在不同的场景下有效地对索引进行优化,从而实现数据库系统查询性能的提升.

关键词:索引调优;机器学习;数据库索引;优化模型;关系数据库

数据库索引是数据库系统中一种排序的数据结构,以协助快速查询、更新数据库表中的数据[1,2].合理地设计数据库索引,可以有效提升数据库系统的检索速度.构建数据库索引虽可以提升数据库管理系统的查询性能,但同时也存在额外的磁盘开销与索引维护代价[3,4](例如更新查询引起的索引更新).因此,设计索引时需充分考虑应用的具体需求与数据分布特点,针对具体的实例添加相应的索引结构,从而提升数据库系统的查询性能.

当前,主流的索引设计方式是人工进行设计,由数据库管理员(DBA)或程序开发人员完成数据库实例的索引设计[2].这种设计方法存在如下两方面的限制:(1)设计人员需要了解具体的应用需求(查询特征与分布等),并且熟悉所使用的数据库管理系统的查询优化策略与索引调用机制;(2)当应用的查询特征与分布发生变化时,既有的索引结构无法及时调整,以保证数据库系统高效的查询性能.由于人工设计索引存在的这些限制,使得实际应用中会存在大量的索引设计不合理的情况,极大地影响了数据库系统的查询性能,同时也增加了服务器硬件资源的开销.

智能索引调优技术可以解决人工设计索引存在的问题,该技术通过对应用的查询日志进行分析,动态地对数据库实例的索引进行调整,使其对与查询日志中具有相似特征的查询提供高效的查询性能.现有的调优技术可以分为基于规则和基于代价模型的两类.基于规则的调优技术利用特定的规则(例如满足出现频率的字段组合[5]、满足索引调用机制的字段组合)从查询日志中产生出推荐的索引集合,如果推荐索引未存在于数据库实例中,则直接在实例中建立该索引.这类方法仅考虑了利用索引能带来的查询优化效果,未考虑维护索引所需的代价.尤其对于当前常见的混合事务/分析处理(HTAP)的应用,这类方法无法有效地调节索引.基于代价模型的调优技术则进一步考虑了维护索引所需的代价,通过设计相应的收益-代价模型,选择查询优化收益大于维护代价的索引.然而,从查询日志中产生的推荐索引可能并未实际存在于数据库实例中,现有的基于代价模型的方法不能准确地估计这类索引的查询优化效果与维护代价;同时,该类方法未考虑数据库实例中现有索引与数据分布对于查询性能的影响,致使其无法有效的进行索引调节.

另一方面,机器学习已经广泛地应用于各个领域.现有的技术已经利用了机器学习的方法来实现数据库的查询优化.例如,相比于传统的利用人工设计的模型,通过机器学习的方法可以更加准确地估计各种场景下的查询执行时间与资源消耗[6−9].本文针对上述基于模型的索引调优技术所存在的问题,提出了利用了机器学习的方法来预测不同的索引对于用户查询的查询优化效果.

本文首先设计并实现了一个面向关系数据库的智能索引调优系统,该系统可以直接应用于不同的关系数据库的实例上;其次,提出了一种利用机器学习的方法来构造对索引进行有效性量化的模型,根据该模型,可以准确地对索引的查询优化效果进行估计;接着设计了一种高效的最优索引选择算法,实现快速地从候选索引空间中选择最优的索引组合;最后,通过实验测试不同场景下智能索引调优系统的调优性能.实验结果表明:本文提出的技术可以在不同的场景下有效地对索引进行优化调节,从而实现数据库系统高效的查询性能.

1 相关工作

1.1 索引构建与优化方法

目前,最典型的索引设计与调节方法是由设计人员以离线的方式完成的.设计人员分析相应应用的具体查询业务,对于业务中常用的读查询(select 查询),对其查询条件所包含的字段建立二级索引,从而提升数据库系统的整体查询性能[1,2,4].然而,通过离线方式一次性构建的索引不能对所有的查询都具有查询优化效果,尤其对于混合事务/分析处理(HTAP)的查询需求.为了保证索引的有效性,设计人员需要长期地根据查询日志对数据库索引进行调优.显然,由设计人员以离线的方式索引构建与调整需要很高的代价.

一些研究工作提出了自动索引调优的方法,该类方法避免了索引构建与调整过程中人工的参与,并且能够自动地根据应用查询日志来调整数据库索引.现有的自动索引调优技术可以分为基于规则[5]与基于代价模型这两类技术.MISA[5]利用的规则是构建索引的字段组合需要在查询日志中满足一定的出现频率,它利用频繁项挖掘算法Apriori 找到查询日志中满足频率阈值的字段组合,然后在采样得到的数据库实例上再利用数据库优化器来进行筛选,并在最终选择的字段组合上建立二级索引.SOAR 是小米公司开发的一个用于SQL 智能优化与改写的开源工具,同时也提供了索引调优的功能.SOAR 在通过查询日志进行索引调优时,使用的规则是选择满足索引调用机制[10]的字段组合建立索引.基于规则的技术没有考虑写查询(insert,update 与delete 查询)引起的索引维护的代价,对于不同应用场景的索引调优需求,该类方法无法进行有效的索引调优.

基于代价模型的调优技术通过设计相应的收益-代价模型来选择索引,根据查询日志中包含的读/写查询,综合考虑了索引带来的查询优化效果与索引维护代价[11−14].该类方法的基本思路为:先通过查询日志产生出候选索引(字段组合),然后利用设计的模型对索引进行查询优化效果评估与维护代价评估.为了计算索引的查询优化效果,现有方法都是通过调用数据库系统的查询优化器来实现的(对于给定的查询,利用优化器比较索引存在与不存在这两种情况下该查询的查询代价).然而实际的数据库系统中,仅有SQL Server 能通过What-If 分析工具来实现类似的查询代价比较[11],极大地限制了方法的可用性.另一方面,现有方法都未考虑数据库实例中现有索引与数据分布对于查询性能的影响.

此外,还有一些工作研究了减小索引优化时添加索引对于数据库系统性能的影响[15−18].该类技术利用了增量索引构建的方法,其优先对某些数据表中的记录构建(partially-built)索引,并设计相应的利用partially-built 索引的数据检索算法,使得DBMS 可以利用部分建立好的索引来优化查询性能.这类方法与数据库系统的耦合度高,需要在特定的数据库系统上修改内核模块,并且大部分方法都是基于NoSQL 数据库的技术,无法直接应用在关系数据库上.

1.2 利用机器学习的数据库查询优化方法

现有一些工作利用机器学习的方法来估计数据库查询的代价(查询时间).文献[6]采用统计学习的方法来估计XML 查询的查询代价,其利用查询的操作符级别的特征,并使用一种基于变换回归(transform regression)的机器学习模型.文献[7]采用统计学习的技术来预测当存在多查询并发执行时,一组查询集合的完成查询所需的时间.文献[8]所提出的方法则用于估计单个查询的查询时间,该方法考虑了查询的查询模板中的特征与查询中操作符上的特征,并利用一种混合模型来同时使用这两类特征.文献[9]不仅可以预测查询的完成时间,还可以用于预估查询对于硬件资源的消耗(如I/O 次数).该方法使用了与文献[8]类似的特征,并使用了一种基于回归树(regression tree)与尺度函数(scaling function)的混合模型.

2 智能索引调优系统框架

给定一个关系数据库的实例,智能索引调优系统利用该数据库实例上的一段时间窗口内的查询日志进行索引调优.调优系统包含了3 个模块,分别为查询分析模块、候选索引生成模块与索引选择模块.图1 所示为智能索引调优系统的总体框架.

Fig.1 Framework of the intelligent index tuning system
图1 智能索引调优系统的总体框架

调优系统最终生成的索引调节语句(创建索引/删除索引)会作用于数据库实例上.由于数据库实例的主键索引具有唯一性,修改主键索引可能会导致数据记录无法通过主键字段进行唯一标识.因此,调优系统仅针对数据库的二级索引(辅助索引)进行优化.图2 所示为调优系统的各个模块的详细功能.

Fig.2 Functions ofdifferent modules in the intelligent index tuning system
图2 智能索引调优系统的各个模块的详细功能

(1)查询分析模块

按照查询对文件的操作方式分为读查询与写查询,本文考虑的读查询指仅包含Select 操作的查询,包含Insert/Delete/Update 操作的查询则为写查询.查询分析模块对查询日志中的每一条查询进行解析,解析过程包含词法分析与语法分析两个步骤,调优系统采用开源的词法分析器Flex(GNU flex.free software foundation.https://www.gnu.org/software/flex/)与语法分析器Bison(GNU bison.free software foundation.https://www.gnu.org/software/bison/)来完成词法分析与语法分析.在进行词法/语法分析的时候,系统同时能检验解析的SQL 查询是否符合查询语言的词法与语法规则.解析后的查询可以表示为一个解析树的形式,系统可以通过该结构获取到相应查询上的投影(select)、选择(where)与排序(order by)操作使用到的字段组合.图3 的示例为利用解析树获取查询中字段组合((CNO,FNAME),(LNAME,CNO),FNAME).

Fig.3 An example of computing field collections from the parsing tree of a SQL query
图3 利用解析树获取查询中包含字段组合的示例

(2)候选索引生成模块

对于查询分析模块产生的属于同一个数据表上的字段集合,其任意字段的组合都可以作为候选索引.然而,并非对所有的字段组合建立索引都可以提升查询的性能.例如,对于图3 所示例子中获得的字段集合,在字段组合(FNAME,LNAME)上建立索引不会对示例查询产生查询优化效果(即,对于该示例查询,查询优化器不会调用该索引).因此,为了获得有效的字段组合,本系统利用文献[10]提出的索引等级评价标准(即三星标准),对于查询记录中的每一条查询,都产生满足其任意星级标准的字段组合.其具体内容如下.

·第1 星索引:索引将相关的记录放到一起,即Where 后面的等值谓词关联的列为组合索引的前缀;

·第2 星索引:索引中的数据顺序和查找中的排列顺序一致,即Order by 中字段需被包含在组合索引中,且顺序一致;

·第3 星索引:索引中的列包含了查询中需要的全部列(覆盖索引).

例如,图4 所示的示例中,IND_3 满足第1 星索引,IND_4 满足了第1 星与第3 星索引,IND_5 则满足了第2星与第3 星索引.另一方面,对于一个查询,只要该查询的Where 条件中包含了一个索引的前缀字段(即前缀调用原则[10]),那么该查询就可以利用该索引进行查询优化.因此,一个查询的Where 条件中包含字段的所有子集都被考虑为候选索引.图4 所示的例子中,IND_1 与IND_2 均为由Where 条件中字段的子集产生的候选索引.

Fig.4 An example of producing candidate indice
图4 产生候选索引的示例

虽然不同的数据库系统或者不同的数据库系统版本在系统实现上会存在差异,但上述介绍的索引调用机制对于不同的关系数据库系统是一致的.

智能索引调优系统可以利用不同时段的查询日志连续地对数据库实例进行索引优化,因此,在进行一次索引优化之前,数据库实例可能会包含已经建立的二级索引,这种实际存在于数据库实例中的索引称之为真实索引.上述方法通过查询日志产生的实际不存在与数据库实例中的候选索引(非真实索引)称为虚拟索引.如图2 中候选索引生成模块所示,调优系统最终生成的候选索引中包含了两类索引,即通过数据库实例获取到的真实索引与通过查询日志获取到的虚拟索引.

(3)索引选择模块

索引选择模块的功能为从候选索引中选择一组索引总大小不超过用户给定空间阈值B 的索引集合.该模块包含了两个步骤:第1 步,通过定义索引实用值对索引的作用进行量化,并设计相应的模型来估计候选索引的实用值(详见第3 节);第2 步,从候选索引集合中选择一组满足空间阈值B 的具有最大实用值的索引集合,使得优化后的索引集合的查询优化效果最大化(详见第4 节).

3 索引查询优化效果建模

由于不同的索引对于数据库系统的查询优化效果是不一样的,甚至存在索引建立后会导致数据库系统查询性能降低的情况(由于索引存在维护代价).为了实现索引的调节优化,需要对索引的查询优化效果进行量化.对于一个候选索引I,I 的实用值代表了该索引对于数据库系统在某个时间段内的查询优化作用,表示为I.utility.本节先介绍索引实用值的具体内容,然后再介绍一种利用机器学习模型来估计索引实用值的方法.

3.1 索引实用值

给定查询日志L,索引I 对于L 可获得的实用值可通过公式(1)进行计算:

其中,Profit(I,q)表示索引I 对于一个查询q 所能取得的查询优化效果,I.build 表示构建索引I 所需要的时间代价.I.utility 的计算考虑了I 对于日志L 中所有查询的作用(本文假设数据库系统未来处理的查询与查询日志L 具有相同的特征,因此可利用L 来计算索引的实用值.当未来处理的查询与查询日志L 的特征不一致时,可通过查询预测方法先得到预测后的查询负载[19,20],再利用预测的查询负载进行索引调优),并且还有构建I 本身的代价.α与β为两个取值范围为[0,1]的因子,用于调节构建I 的代价对于索引实用性的影响.α/β越大,则说明系统越倾向于索引带来优化效果,而不是考虑构建I 所需的代价.

候选索引中的真实索引由于已经存在于数据库实例中,其I.build 则为0.对于虚拟索引,I.build 则是通过索引大小来进行估计的,即I.build=I.size⋅unit_cost,其中,I.size 表示索引I 的大小(真实索引大小可通过数据库实例直接获取到;对于虚拟索引,可以通过现有的估计模型进行计算(space needed for keys[21]),unit_cost 为通过测试得到构建单位大小(1MB)索引所需的时间.

实际上会存在多种形式的指标来表示索引对于查询的优化效果Profit(I,q),本文采用了查询q 在索引I 存在与不存在这两种情况下的执行时间差值来表示I 的优化效果,即Profit(I,q)=time(q|I)−time(q|

).然而,Profit(I,q)是无法直接计算得到的,因为在索引调优阶段,是无法将虚拟索引在数据库实例中建立为真实索引的.因此,为了解决该问题,文本利用了机器学习的方法来预测Profit(I,q).该方法的基本思路为:先离线地通过训练数据集训练出一个反映查询q、索引I 与查询优化效果Profit(I,q)映射关系的模型,再通过该模型来在线地对于给定I与q 估计出对应的Profit(I,q),从而避免上述的索引构建问题.

3.2 利用机器学习预测索引优化效果

与许多现有利用机器学习的方法一样,本文的方法也分为两个阶段:训练阶段和测试阶段,如图5 所示.

Fig.5 Phases of model training and testing
图5 模型训练与测试阶段

训练阶段的目的为建立一个模型M 来准确地反映出查询q 与索引I 的特征值与目标值Profit(I,q)间的映射关系,即M(x1,x2,…,xk)→Profit(I,q).训练阶段首先需要进行数据采集,对于训练数据(查询集合与索引集合)中的每一组(I,q),测试在没有任何索引情况下q 的查询时间与仅存在索引I 情况下的查询时间,该两种情况下的查询时间差值则为目标值Profit(I,q).由于不同的查询与索引对于Profit(I,q)都是存在影响的,所以用于模型训练的特征属性需要同时从查询q 与索引I 中进行抽取,本文所使用的特征属性见表1.

Table 1 Feature attributes selected from the query and index
表1 查询与索引中选取的特征属性

表1 中所示的特征属性都为查询编译阶段可获取到的属性值,特征属性可分为3 类,分别从查询q 与I 中获取到的属性与通过q与I 同时获取到的属性.其中,Q_type,Q_rows_num,Q_operator_num,I_rows_num,I_fields_num 均为调优系统在查询解析阶段可获取得到的属性值,Q_est_rows 与Q_est_cost 为通过数据库系统查询优化器可获得的属性值(例如MySQL 下的EXPLAIN 命令).相比之下,Q_fields_code 与I_fields_code 的获取则更为复杂,由于q 与I 所使用的字段信息都为字符串,为了得到可用作训练数据的数值型属性值,本文将数据库实例中的表中所有字段按照某一顺序进行排列,然后再将q 与I 中使用的字段按照该顺序进行One-hot 编码[22],则得到Q_fields_code 与I_fields_code.最后,由于在查询解析阶段可以比较判断:i)q 是否满足I 的前缀调用原则;ii)q中更新的字段是否包含了I 中的字段,因此可以获得IO_invoking 与IO_updating 这两个属性值.

训练阶段的最后一步为利用机器学习方法进行模型训练.本文使用了具有代表性的3 种方法来训练模型.

·LR(linear regression)[23]:一种线性方法,数据使用线性预测函数来建模,并且未知的模型参数也是通过数据来估计.LR 的优点在于实现简单,建模速度快,并且可以有效地防止过拟合;但同时,LR 对异常值较敏感,并且线性模型本身表达能力差;

·GBDT(gradient boosting decision tree)[24]:一种由多棵决策树组成的用于回归分析的算法,在许多应用场景下,其具有很高的预测精度.GBDT 的优点在于可处理各种类型的数据(包括连续值与离散值),并且具有良好的非线性拟合能力,以及对超参数的鲁棒性;

·DNN(deep neural network)[25]:深度神经网络为当前最流行的方法,其本质是通过前面多层的隐藏网络学习抽象特征,在最后输出层使用上述抽象得到的特征完成最终的学习任务.这种方式得到的特征可以较好地降低问题的非线性程度,从而具有非常强的拟合能力.

本文在实验部分对上述方法进行了比较,并对比了训练出来的3 种不同模型对索引优化的影响(详见第5.2节).在测试阶段,索引调优系统利用与训练阶段同样的方法,从候选索引I 与查询q 中提取出特征向量,然后调用训练好的预测模型来预测I 对于q 的查询优化效果Profit(I,q),从而计算得到每个候选索引的实用值(公式(1)).

4 最优索引组合选择算法

4.1 最优索引选择问题

如上一节所述,对于候选索引集合C 中的候选索引I,其实用值为I.utility、大小为I.size.为了实现优化后的索引具有最优的查询优化效果,调优系统需要选择一组索引总大小满足用户给定阈值B 且总的实用值最大的索引集合S′(即

＜B).显然,该问题可以转化为经典的0-1 背包问题[26].

设X 为一组索引集合,y 为存储空间限制,U(X,y)表示在y 的限制范围内选取X 中索引可获得的最大的实用值.与0-1 背包问题类似,U(X,y)可以通过如下递归方式进行计算,其中,top(X)为集合X 中的第1 个索引:

对于经典的0-1 背包问题,可以设计动态规划算法在时间O(m⋅n)内求得最优解,其中,m 为背包中物体的数目,n 为背包的容量.对于本节所需要解决的问题,直接利用该动态规划算法求解则会存在如下问题.

·当调优系统所处理的数据库实例较大时,阈值B 需设置较大的值.利用动态规划算法实现自底向上的求解子问题需要枚举每一种空间限制大小下的局部解,因此会导致很大的时间开销.例如,当阈值B=1GB(空间大小粒度为1MB)、候选索引数目为1 000 时,计算的子问题数目为1024×1000;

·动态规划算法计算的子问题中,大部分都与最终的最优解无关.

因此,本文设计了自顶向下计算子问题的递归算法,该算法仅递归地计算与最终最优解有关的子问题,避免了动态规划算法导致的无关子问题的计算.同时,考虑到动态规划算法的优点在于可以避免重复子问题的计算(子问题结果复用),为了避免自顶向下的递归算法带来的重复子问题计算,本节提出了相应的技术解决递归算法中存在的重复子问题计算问题.

4.2 具有子问题复用的递归算法

在递归算法中实现子问题复用的基本思路为:对递归过程中计算过的子问题,利用哈希表存储其结果,在计算新的子问题时,先通过哈希表判断该子问题是否已经求解过.如哈希表中存在中间结果,则直接复用.

递归算法见算法1,其设计思路与递归公式(2)是一致的.算法的输入为一组候选索引集合X 与相应的大小阈值y,输出为X 中在满足y 阈值下的最大的实用值与相应的索引集合.算法1 首先判断当前递归处理的候选索引集合是否为空:如果为空,则表明输入的候选索引集合都已经处理完毕.

在X 不为空时,算法会先对当前的X 与y 的组合求哈希值h(该值用于标识当前子问题),然后判断哈希表H(全局变量)中是否存在h 对应的结果:如果存在,说明当前子问题已经计算过,则直接返回哈希表中存储的结果(算法1 中第2 行～第4 行);如果H 中不存在当前子问题的结果,则进一步递归地计算两类子问题,即X 中舍弃了一个索引I 与选择了索引I 的情况(第7 行与第9 行).最后,比较这两类子问题所能取得的实用值大小,并且在哈希表H 中记录相应的结果作为当前子问题的结果(第11 行～第14 行).

由于算法1 利用哈希表避免了重复子问题的计算,其通过递归调用执行函数的次数最多为X⋅y 次.此外,由于每次递归函数体中的执行操作复杂度为O(1),因此算法1 的时间复杂度为O(X⋅y).

算法1.最优索引选择算法(OptIDXSelect).

利用上述算法,将候选索引集合C 与用户给定阈值B 作为最初参数传入算法1,即可计算得到具有最大实用值的最优索引集合S′.然而通过实际的实验测试可以发现:对于相似的子问题(即X 相同且y 相近),其得到的子问题的解(索引组合)绝大多数的时候都是一样的.例如,y1=991MB,y2=992MB,对于相同的候选索引集合X,{X,y1}与{X,y2}为两个不同的在递归时需计算的子问题,但{X,y1}与{X,y2}所求出的最优索引集合是一样的.之所以出现该现象,是因为少量的空间大小限制的变化对于求最优索引组合是没有影响的.

基于上述观察,本文进一步的提出了利用增大索引大小粒度来提升算法子问题复用能力的方法.设索引大小粒度为gran(默认为1MB),在算法1 中计算(X,y)的哈希值时(第2 行),将y 除以gran 来提升子问题复用的能力,即ComputeHash(X,y/gran).通过该方法,相似的子问题(即X 相同且y/gran 相同)的计算结果也可以进行复用.例如,在gran 取10MB 时,{X,991MB}与{X,992MB}这两个子问题得到的哈希值是一样的,{X,991MB}下的最优索引组合计算完后,{X,992MB}可以直接利用{X,991MB}的计算结果.该方法虽然在小概率情况下会导致所求的索引组合不是具有最大实用值的索引集合,但其可以提升索引调优系统的时间性能,尤其在候选索引多且索引空间阈值B 较大时.在第5 节,本文将通过实验进一步对该方法的效果进行阐述.

5 实验

5.1 实验设置

本文在MySQL 8.0 数据库系统上进行了实验测试,性能测试工具采用业界广泛使用的TPCCMySQL 与OLTPBench.测试的数据库实例为大小分别为1GB 与200MB 的两个TPC-C 数据库实例(TPC-C 数据库实例采用的数据模型来自一个大型商品批发公司,其包含了9 个数据表用以支持5 类不同的交易事务).为了得到查询日志,首先将MySQL 数据库的日志记录功能临时打开,然后分别利用TPCCMySQL 与OLTPBench 在测试实例上进行了性能测试,这样分别得到TPCCMySQL 与OLTPBench 产生的查询日志.性能测试阶段同样使用了TPCCMySQL 与OLTPBench,测试参数设置均为c:4 r:60 l:600(即用户数为4,预热时长60s,测试时长600s).在实验中,公式(1)中的参数α与β的取值分别为0.6 与0.4,表示调优系统在添加新的索引结构时,会同时考虑添加索引的带来的查询优化效果与索引构建的代价,但更侧重于添加索引的优化效果.

在默认条件下,TPCCMySQL 与OLTPBench 会根据TPC-C 实例信息来生成查询,并且生成查询的查询条件都可利用到对应表上的主键索引(在默认主键索引设置情况下,该工具产生的查询利用主键索引已经达到了最优的查询优化效果).因此,为了测试索引调优的效果,本文实验分别选择3 种主键索引设置下的场景,从而使得测试工具生成的查询可通过建立二级索引进一步的提升查询性能.表2 所示为TPC-C 数据库实例上的3 种不同的主键索引设置.

Table 2 Different settings for primary keys in the DB instance
表2 数据库实例中不同的主键索引设置

TPCCMySQL 工具产生的查询日志包含了7 763 条查询记录,其中,不同类别的查询占比分别为:Select 61.67%,Delete 1.23%,Update 21.01%,Insert 16.09%(该比例由TPCCMySQL 使用的查询事务比例所决定).此外,查询日志中,98.5%为单表查询,1.5%为多表查询.OLTPBench 工具则可通过变化事务的比例来产生不同查询类别占比的查询日志(详细信息见第5.2 节中的第3 个实验).本节所有实验均使用TPCCMySQL 作为性能测试工具,性能测试指标为数据库系统的吞吐量(TPS,每秒执行的事务数).

用于测试的数据库实例部署在一台ThinkServer 服务器上(配置为Intel Xeon E3-1226 3.30GHz 处理器,16GB 内存,500GB SSD),索引调优系统部署在一台Dell PC 上(配置为IntelCore i7-8700 3.2GHz 处理器,8GB 内存,256GB SSD),调优系统通过远程连接数据库实例获取到实例信息与索引的调节.索引调优系统通过C++语言编写与实现,估计模型通过PyTorch 框架来编写,并将训练得到的模型存储到本地,再由调优程序进行调用.

5.2 实验结果及分析

(1)不同索引调优方法调优性能对比

第1 个实验对比了不同的索引调优方法的性能.对比的方法中,Baseline 为使用对应的主键索引设置的方法.由于现有的索引调优/推荐方法中,大部分都依赖查询优化器来实现索引作用的估计,无法应用在MySQL 数据库系统上,因此,本文仅使用了开源的SQL 优化器SOAR(SQL optimizer and rewriter.Xiao Mi.https://github.com/xiaomi/soar)作为对比方法,其无需依赖查询优化器完成索引调优,并且对比方法不考虑索引大小的约束限制.SmartIndex 为本文所提出方法(默认情况下,SmartIndex 使用DNN 来训练索引查询优化效果的估计模型,不同预测模型的对比测试结果如下一个实验所示).

图6(a)所示为数据库实例大小为1GB 时,不同方法的对比结果.SmartIndex 分别测试了索引空间阈值设置为100MB,300MB 与500MB 时的调优效果.通过实验结果可以发现:相较于Baseline 方法,SOAR 与SmartIndex方法在索引调节后都取得了更好的查询性能,并且 SmartIndex 的索引调优效果要优于 SOAR.例如,在PrimarySetting1 下,系统在利用SOAR 方法调优后的吞吐量提升到了1 200.相较之下,经过SmartIndex(索引大小阈值B 设置为500MB)调优后,吞吐量则提升到了5 993.在大小为200MB 的数据库实例上也得到了相似的实验结果,如图6(b)所示.例如,在PrimarySetting3 下,经过SmartIndex(阈值B=500MB)调优后,数据库系统的吞吐量从190 提升到了12 778.由于图6(b)中的实验所用数据库实例要小于图6(a)实验中的实例,因此图6(b)中实验所获得的吞吐量要明显高于图 6(a)中的实验结果.另一方面,通过比较 PrimarySetting1,PrimarySetting2 与PrimarySetting3 下的实验结果可以发现,SmartIndex 在不同的主键索引设置下都具有很好的调优效果.

此外,图6 所示实验还测试了不同索引大小阈值B 对于索引调优的影响.实验结果显示:SmartIndex 在越大的索引大小阈值下,可以取得越好的查询性能.例如,在图6(a)中的PrimarySetting1 下,当阈值B 的值从100MB增加到500MB 时,系统的吞吐量从4 820 增加到了5 993.这是因为阈值B 越大的情况下,系统可以建立更多有效的索引,从而更多的查询可以利用索引来提升查询性能.

Fig.6 Comparison on the tuning performance of different index tuning methods
图6 不同调优方法的调优性能对比

(2)索引优化作用估计模型测试

第2 个实验测试了不同估计模型训练算法对于索引调优效果的影响.本实验所对比的模型训练方法为LR,GDBT 与DNN(如第3.2 节所述).对于LR 方法,实验使用了前向特征选择(forward feature selection)[27]的方法来选择特征属性,从而使得LR 训练的模型达到了最高的准确率.DNN 算法使用了2 层隐藏层,并且使用Adam 算法作为优化器.为了进行数据采集,实验利用TPCCMySQL 产生了2 000 条的查询日志集合,并且在TPC-C 数据库实例上建立了80 个不同的索引.对于一个查询q 与索引I,为了测试得到Profit(q,I),实验分别在不包含任何索引的数据表与仅包含I 的同一数据表上进行了性能测试,然后求两种情况下的执行之间的差值.最终,实验采集得到160 000 条具有真实目标值的数据,并将数据按照7:3 的比例划分成训练数据与测试数据.

由于绝对误差的度量方式存在个别数据误差影响整体误差的问题,为了度量预测模型的准确性,本文使用了文献[19]中定义的平均相对错误率作为度量标准,公式(3)所示为平均相对错误率的计算方式:

首先,实验在测试数据上利用3 种方法训练出来的模型进行了预测测试,实验结果见表3 中第1 行数据所示.DNN 的模型获得了最低的相对错误率,仅为32.6%;LR 的模型的错误率最高,达到了53.1%.实验进一步比较了不同模型用于索引调优时的效果,测试所用数据库实例大小为1GB,SmartIndex 设置的索引大小阈值B 为300MB.实验结果显示:由于DNN 的模型具有最高的预测准确率,因此使用该模型进行索引调优后获得了最大的吞吐量.此外,虽然LR 与GDBT 模型的错误率要明显高于DNN 的错误率,但利用该模型取得的TPS 差距却要小一些.例如,在PrimarySetting1 下,利用LR 与DNN 的方法取得TPS 最大差距也仅有24.5%.出现该现象的原因是:不同的查询与索引利用同一预测模型后得到的目标值都会存在一定误差,但不同索引估计得到的实用值间的相对关系却是正确的.因此,利用本文所提出的索引选择方法(见第4 节)仍能选择出有效的索引组合.

Table 3 Comparison for the models trained by different learning algorithms
表3 不同算法训练得到的预测模型的性能比较

(3)不同类型查询占比对调优性能影响测试

由于写查询(增删改)可能会导致索引的更新,因此不同的查询类型对于索引的查询优化效果会存在影响.为了测试不同查询集合对于参数调优的影响,第3 个实验采用OLTPBench 工具来产生查询日志并且进行性能测试(OLTPBench 可以通过调节事务比例来产生不同类别的查询).表4 所示为OLTPBench 产生的3 组不同的查询日志,3 组查询日志中包含的Select 查询占比分别为85.12%,62.64%与49.80%,其分别代表了读密集型查询、混合类型查询与写密集型查询.

Table 4 Three different query work load generated by OLTPBench
表4 OLTPBench 产生的3 组不同的查询日志

图7 所示为利用SmartIndex 方法进行索引调优后(Baseline 为PrimarySetting1),通过OLTPBench 进行性能测试得到的实验结果(性能测试的查询类别比例与生成查询日志中的查询类别比例一致).随着写查询比例的增加,通过索引调优后的数据库系统的吞吐量是降低的.例如,SmartIndex(B=300MB)在query workload1 与query workload3 调优后得到的系统吞吐量分别为1 585 与518.出现这种现象的原因是:更多的写查询会增加索引的更新维护代价,从而降低了整体的吞吐量.此外,实验结果还显示:在写查询比例增加后,增大索引阈值所能提升的查询性能是降低的.这是因为在写查询比例高的时候,即使允许建立更多的索引,但由于索引更新维护代价的增加,SmartIndex 也无法选择出新的具有查询优化效果的索引.

Fig.7 Impact of different query workloads for the effect of index tuning
图7 不同类型的查询集合对于调优性能的影响

(4)索引选择算法对比

本文最后一个实验测试了第4 节提出的索引选择算法的效果.实验在1GB 的TPC-C 数据库实例上利用TPCCMySQL 性能测试工具,测试对比了贪心算法Greedy(优先选择单位实用值高的索引,即I.utility/I.size)、动态规划算法DP 与本文提出的OptIDXSelect 算法,同时还对比了OptIDXSelect 算法在索引大小粒度gran 设置为10MB 与100MB 下的效果.

图8 与图9 所示分别为不同索引选择算法得到的索引调优效果与推荐索引所需的时间.

Fig.8 Comparison on the effect of index tuning for different index selection algorithms
图8 不同索引选择算法的索引选择效果对比

Fig.9 Comparison on the time of computing optimized indices for different index selection algorithms
图9 不同索引选择算法完成索引推荐的时间对比

通过图8 实验结果可以发现,DP 与OptIDXSelect 所选择索引的优化效果要优于Greedy 方法所选择的索引.例如,在PrimarySetting1 下,Greedy,DP 与OptIDXSelect 选择的索引得到的吞吐量分别为4 113,5 377 与5 377.同时需注意到:DP 与OptIDXSelect 方法由于都是选择一组具有最大实用值的索引,因此它们得到的吞吐量是一致的.OptIDXSelect 算法在设置索引大小粒度gran 后,所选择的索引获得的吞吐量有所下降.这是因为设置gran的目的是加快索引的选择,但同时不能保证选择的索引取得最大的实用值.

图9 进一步反映了各种方法在选择索引上的时间效率.显然,由于Greedy 使用了贪心策略,其选择索引花费的时间是最少的.比较DP 与OptIDXSelect 这两个可以取得最优解的方法,OptIDXSelect 的时间效率要明显优于DP.OptIDXSelect(gran=10MB)相比于OptIDXSelect 获得的吞吐量相差很小,但是其选择索引的效率却要远高于 OptIDXSelect 方法.例如,在 PrimarySetting1 下,Greedy,DP,OptIDXSelect,OptIDXSelect(gran=10MB)还有OptIDXSelect (gran=100MB)用于选择索引花费的时间分别为221ms,43792ms,3388ms,774ms 与367ms.虽然当前实验测试不同算法差距最大的也仅为43571ms,但在需要连续的通过查询日志进行索引调优,并且日志中包含大量查询的时候,选择高效的算法来完成索引选择仍非常重要.

6 总结与未来的工作

索引是数据库系统实现高效的查询性能的方式之一,智能地对数据库实例构建并调节索引,不仅能够保证高效的查询性能,还能有效地提高硬件资源利用率与减少人力成本的投入.本文研究了面向关系数据库的智能索引调优方法.首先,本文设计并实现了一个面向关系数据库的智能索引调优系统;在索引调节时,为了准确地估计索引对于查询的查询优化效果并选择正确的索引,本文设计了一种使用机器学习方法来对索引的查询优化效果建模的方法;为了最大化索引的调优效果,本文进一步地设计了一种高效的最优索引组合选择算法,并提出了优化技术来提升索引选择的效率;最后设计了一系列的实验对索引调优的各个环节进行了测试.结果表明:本文设计的系统可以在不同的场景下有效地对索引进行调优,从而提升数据库系统的查询性能.

利用智能技术优化数据库索引具有很大的研究空间,未来的工作中将从以下3 个方面展开:首先,探索利用混合模型来提高索引查询优化效果的估计准确性;其次,由于同一查询可能利用上不同的索引来提升查询效率,通过考虑不同索引间的相互影响,进一步提升索引选择的质量;最后,进一步对比研究回归任务与分类任务对于索引优化效果估计的影响.