1. 文章
  2. 内部原理

关于PostgreSQL的绑定变量窥视的问题详解

osdba · 2020-01-27 15:54:54发表 · 13969 次点击
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作者介绍

唐成: 网名 osdba，《PostgreSQL修炼之道：从小工到专家》的作者，中启乘数科技公司联合创始人，从业20年，从事PostgreSQL数据库超过10年，拥有十几年数据库、操作系统、存储领域的工作经验，历任过网易研究院技术专家、阿里巴巴高级数据库专家，从事过阿里巴巴PostgreSQL、Greenplum数据库的架构设计和运维。做过数个百TB以上的Greenplum集群的维护和扩容工作，解决过很多PostgreSQL、Greenplum方面的疑难杂症。

1. 绑定变量窥视的原理说明

Oracle DBA都知道，绑定变量窥视功能是Oracle数据库的一个特性，自ORACLE9i版本开始引入，是可以通过参数数“_optim_peek_user_binds”来控制是否开启，默认是开启，即为TRUE。这就意味着，第一次以变量的方式执行某类SQL时，会生成第一个执行计划，后续执行该类SQL语句，即使变量的传入值不同，但因变量窥视的作用，依然会沿用第一次SQL语句执行时生成的执行计划，这种特性非常适用于业务表数据分布比较均匀的场景，执行计划比较稳定。但对于数据分布严重倾斜的业务表，可能会出现错误的执行计划，在极端情况下，会引发严重的性能问题。。

当”_optim_peek_user_binds”参数设置为FALSE。即，将绑定变量窥视参数特性禁用。那么已经执行过的某类值的执行计划将不会发生变化，一旦传入某个新值时，优化器会自动根据被访问对象的统计、直方图等信息，产生它认为效率最高、成本最低的执行计划。也就是说，在特性关闭的情况下，该类SQL语句可能会产生更优的执行计划。

所以为了让系统的性能不至于大起大落，在很多用户那里会关闭绑定变量窥视的功能。

那么PostgreSQL数据库在绑定变量的执行计划这一块的行为是什么呢？
PostgreSQL数据库的行为有一些复杂：

  • 前5次执行时，每次都会根据实际传入的实际绑定变量新生成执行计划进行执行，即每次都是硬解析，同时会记录这5次的执行计划；
  • 当第6次开始执行时，会生成一个通用的执行计划（generic plan），同时与前5次的执行计划进行比较，如果比较的结果是通用执行计划不比前5次的执行计划差，以后就会把这个通用的执行计划固定下来，这之后即使传入的值发生变化后，执行计划也不再变化。这就相当于Oracle打开了绑定变量窥视的功能。
  • 当然，当第6次开始执行时，如果通用的执行计划（generic plan）比前5次的某一个执行计划差，则以后则每次都重新生成执行计划，即以后永远都是硬解析了。

从上面原理可以看出，PostgreSQL数据库能否不走硬解析，与前5次执行时传入的实际值有很大的关系，可以想象如果前5次执行时都是一个固定的值，第6次执行时的通用执行计划与前5次又一样，这时执行计划就会固定，如果以后传进来的值可以生成更好的执行计划，也不会生成了，这时可能会导致比较大的问题，这与Oracle打开了绑定变量窥视产生了一样的问题。只是因为PostgreSQL因为有先执行5次，然后第6次比较的机制，让这个问题出现的概率低了很多，但实际上还是会出现的。

当然，如果每次都是重新生成执行计划，对于高并发，会降低一些性能。实际上，对于一些重要的系统，每次重新生成执行计划，会更好一些，因为这种方式防止了系统的性能大起大落。

目前，网上很少有文章介绍这个原理，即使有也是把这个原理介绍的不清楚。

2. 实际测试

2.1 造测试表和数据

下面我们实际测试，来更深的理解这个原理。

  1. create table test01(id serial, t text);
  2. insert into test01(t) select 'tang' from generate_series(1, 1000000);
  3. insert into test01(t) select 'osdba' from generate_series(1, 2);
  4. CREATE INDEX idx_test01_t ON test01(t);
  5. analyze test01;

上面的例子中我们创建了不均匀的数据，即为“tang”的数据是100万，而为“osdba”的数据是2条。

如果我们按常量来查，执行计划会走正确：

  1. osdba=# explain SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = 'tang';
  2.                                         QUERY PLAN
  3. ------------------------------------------------------------------------------------------
  4.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  5.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  6.          Workers Planned: 2
  7.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  8.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  9.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  10. (6 rows)
  12. Time: 1.532 ms
  14. osdba=# explain SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = 'osdba';
  15.                                       QUERY PLAN
  16. --------------------------------------------------------------------------------------
  17.  Aggregate  (cost=4.45..4.46 rows=1 width=8)
  18.    ->  Index Only Scan using idx_test01_t on test01  (cost=0.42..4.44 rows=1 width=0)
  19.          Index Cond: (t = 'osdba'::text)
  20. (3 rows)
  22. Time: 1.484 ms

上面可以看到，当按“tang”来查是，走的是全表扫描，而按“osdba”查询时走的是索引，说明执行计划都是正确的。

2.2 按绑定变量的第一次测试

下面我们按绑定变量的方式执行：

  1. PREPARE myplan(text) AS SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = $1;

下面具体看：

  1. osdba-mac:~ osdba$ psql
  2. psql (10.5)
  3. Type "help" for help.
  5. osdba=# PREPARE myplan(text) AS SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = $1;
  6. PREPARE
  7. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  8.                                         QUERY PLAN
  9. ------------------------------------------------------------------------------------------
  10.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  11.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  12.          Workers Planned: 2
  13.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  14.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  15.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  16. (6 rows)
  18. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  19.                                         QUERY PLAN
  20. ------------------------------------------------------------------------------------------
  21.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  22.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  23.          Workers Planned: 2
  24.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  25.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  26.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  27. (6 rows)
  29. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  30.                                         QUERY PLAN
  31. ------------------------------------------------------------------------------------------
  32.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  33.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  34.          Workers Planned: 2
  35.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  36.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  37.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  38. (6 rows)
  40. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  41.                                         QUERY PLAN
  42. ------------------------------------------------------------------------------------------
  43.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  44.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  45.          Workers Planned: 2
  46.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  47.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  48.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  49. (6 rows)
  51. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  52.                                         QUERY PLAN
  53. ------------------------------------------------------------------------------------------
  54.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  55.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  56.          Workers Planned: 2
  57.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  58.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  59.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  60. (6 rows)
  62. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  63.                                         QUERY PLAN
  64. ------------------------------------------------------------------------------------------
  65.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  66.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  67.          Workers Planned: 2
  68.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  69.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  70.                      Filter: (t = $1)
  71. (6 rows)

注意上面执行中的第6次的执行计划和第5次的执行计划发生了变化，前5次都是“Filter: (t = ‘tang’::text)”，而第6次变成了“Filter: (t = $1)”，这说明执行计划变成了通用执行计划，这时我们把传进去的值改成“osdba”，发现也会是走全表扫描了，不会走索引了，这时的执行计划就错了：

  1. osdba=# explain analyze EXECUTE myplan('osdba');
  2.                                                                QUERY PLAN
  3. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  4.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8) (actual time=114.069..114.069 rows=1 loops=1)
  5.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8) (actual time=113.957..114.865 rows=3 loops=1)
  6.          Workers Planned: 2
  7.          Workers Launched: 2
  8.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8) (actual time=106.088..106.088 rows=1 loops=3)
  9.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0) (actual time=106.072..106.072 rows=1 loops=3)
  10.                      Filter: (t = $1)
  11.                      Rows Removed by Filter: 333333
  12.  Planning time: 0.035 ms
  13.  Execution time: 115.044 ms
  14. (10 rows)

2.3 按绑定变量的第二次测试

前面的测试时，我们前5次执行时传进去的值都是“tang”，我们这一次让前5次中前四次传进去的值是“tang”，最后一次是“osdba”:

  1. osdba-mac:~ osdba$ psql
  2. psql (10.5)
  3. Type "help" for help.
  5. osdba=# PREPARE myplan(text) AS SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = $1;
  6. PREPARE
  7. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  8.                                         QUERY PLAN
  9. ------------------------------------------------------------------------------------------
  10.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  11.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  12.          Workers Planned: 2
  13.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  14.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  15.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  16. (6 rows)
  18. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  19.                                         QUERY PLAN
  20. ------------------------------------------------------------------------------------------
  21.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  22.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  23.          Workers Planned: 2
  24.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  25.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  26.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  27. (6 rows)
  29. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  30.                                         QUERY PLAN
  31. ------------------------------------------------------------------------------------------
  32.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  33.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  34.          Workers Planned: 2
  35.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  36.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  37.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  38. (6 rows)
  40. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  41.                                         QUERY PLAN
  42. ------------------------------------------------------------------------------------------
  43.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  44.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  45.          Workers Planned: 2
  46.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  47.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  48.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  49. (6 rows)
  51. osdba=# explain EXECUTE myplan('osdba');
  52.                                       QUERY PLAN
  53. --------------------------------------------------------------------------------------
  54.  Aggregate  (cost=4.45..4.46 rows=1 width=8)
  55.    ->  Index Only Scan using idx_test01_t on test01  (cost=0.42..4.44 rows=1 width=0)
  56.          Index Cond: (t = 'osdba'::text)
  57. (3 rows)

后面我们无论再怎么执行固定的值，发现每次都是生成新的执行计划了：

  1. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  2.                                         QUERY PLAN
  3. ------------------------------------------------------------------------------------------
  4.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  5.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  6.          Workers Planned: 2
  7.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  8.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  9.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  10. (6 rows)
  12. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  13.                                         QUERY PLAN
  14. ------------------------------------------------------------------------------------------
  15.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  16.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  17.          Workers Planned: 2
  18.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  19.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  20.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  21. (6 rows)
  22. ...
  23. ...
  24. ...
  26. osdba=# explain EXECUTE myplan('osdba');
  27.                                       QUERY PLAN
  28. --------------------------------------------------------------------------------------
  29.  Aggregate  (cost=4.45..4.46 rows=1 width=8)
  30.    ->  Index Only Scan using idx_test01_t on test01  (cost=0.42..4.44 rows=1 width=0)
  31.          Index Cond: (t = 'osdba'::text)
  32. (3 rows)
  33. ...
  34. ...
  36. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  37.                                         QUERY PLAN
  38. ------------------------------------------------------------------------------------------
  39.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  40.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  41.          Workers Planned: 2
  42.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  43.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  44.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  45. (6 rows)

上面的演示是前5次中前四次传进去的值是“tang”，最后一次是“osdba”，实际上只要前五次中，只要任意有1次或多次传进去的是“osdba”，不一定要求最后一次是“osdba”时，都不会走通用的执行计划，这个结果大家可以测试。

这就验证了我们前面的理论。

3. PostgreSQL 12的plan_cache_mode配置参数

在PostgreSQL11及一下的版本中，因为绑定变量窥视，虽然比Oracle出现的概率低，但还是有一定的概率导致执行计划走错。那么在PostgreSQL中是否也有类似Oracle的隐含参数把绑定变量窥视关掉的功能？答案是PostgreSQL12提供了这个功能。

在PostgreSQL 12提供了plan_cache_mode配置参数，可以取以下三个值：

  • auto: 这时默认值，即默认情况下与PostgreSQL11及以下版本相同的行为。
  • force_custom_plan: 相当于关闭绑定变量窥视，永远进行硬解析。
  • force_generic_plan: 走通用的固定执行计划（generic plan）

所以对于一些非常重要的系统，可以把“plan_cache_mode”配置成“force_custom_plan”，避免执行计划的错误，如下所示：

  1. osdba-mac:pgdata12 osdba$ psql
  2. psql (12.1)
  3. Type "help" for help.
  5. osdba=# PREPARE myplan(text) AS SELECT count(*) FROM test01 WHERE t = $1;
  6. PREPARE
  7. osdba=# set plan_cache_mode to force_custom_plan;
  8. SET
  9. osdba=# explain EXECUTE myplan('osdba');
  10.                                       QUERY PLAN
  11. --------------------------------------------------------------------------------------
  12.  Aggregate  (cost=4.45..4.46 rows=1 width=8)
  13.    ->  Index Only Scan using idx_test01_t on test01  (cost=0.42..4.44 rows=1 width=0)
  14.          Index Cond: (t = 'osdba'::text)
  15. (3 rows)
  17. osdba=# explain EXECUTE myplan('tang');
  18.                                         QUERY PLAN
  19. ------------------------------------------------------------------------------------------
  20.  Finalize Aggregate  (cost=12656.23..12656.24 rows=1 width=8)
  21.    ->  Gather  (cost=12656.01..12656.22 rows=2 width=8)
  22.          Workers Planned: 2
  23.          ->  Partial Aggregate  (cost=11656.01..11656.02 rows=1 width=8)
  24.                ->  Parallel Seq Scan on test01  (cost=0.00..10614.34 rows=416668 width=0)
  25.                      Filter: (t = 'tang'::text)
  26. (6 rows)
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