SQL Server 数据库优化
2020-07-25 13:33:09
供稿：网友
在开发工具、数据库设计、应用程序的结构、查询设计、接口选择等方面有多种选择，这取决于特定的应用需求以及开发队伍的技能。本文以SQL Server为例，从后台数据库的角度讨论应用程序性能优化技巧，并且给出了一些有益的建议。
1 数据库设计
要在良好的SQL Server方案中实现最优的性能，最关键的是要有1个很好的数据库设计方案。在实际工作中，许多SQL Server方案往往是由于数据库设计得不好导致性能很差。所以，要实现良好的数据库设计就必须考虑这些问题。
1.1 逻辑库规范化问题
一般来说，逻辑数据库设计会满足规范化的前3级标准:
1.第1规范:没有重复的组或多值的列。
2.第2规范:每个非关键字段必须依赖于主关键字，不能依赖于1个组合式主关键字的某些组成部分。
3.第3规范:1个非关键字段不能依赖于另1个非关键字段。
遵守这些规则的设计会产生较少的列和更多的表，因而也就减少了数据冗余，也减少了用于存储数据的页。但表关系也许需要通过复杂的合并来处理，这样会降低系统的性能。某种程度上的非规范化可以改善系统的性能，非规范化过程可以根据性能方面不同的考虑用多种不同的方法进行，但以下方法经实践验证往往能提高性能。
1.如果规范化设计产生了许多4路或更多路合并关系，就可以考虑在数据库实体(表)中加入重复属性(列)。
2.常用的计算字段(如总计、最大值等)可以考虑存储到数据库实体中。
比如某一个项目的计划管理系统中有计划表，其字段为:项目编号、年初计划、二次计划、调整计划、补列计划…，而计划总数(年初计划+二次计划+调整计划+补列计划)是用户经常需要在查询和报表中用到的，在表的记录量很大时，有必要把计划总数作为1个独立的字段加入到表中。这里可以采用触发器以在客户端保持数据的一致性。
3.重新定义实体以减少外部属性数据或行数据的开支。相应的非规范化类型是:
(1)把1个实体(表)分割成2个表(把所有的属性分成2组)。这样就把频繁被访问的数据同较少被访问的数据分开了。这种方法要求在每个表中复制首要关键字。这样产生的设计有利于并行处理，并将产生列数较少的表。
(2)把1个实体(表)分割成2个表(把所有的行分成2组)。这种方法适用于那些将包含大量数据的实体(表)。在应用中常要保留历史记录，但是历史记录很少用到。因此可以把频繁被访问的数据同较少被访问的历史数据分开。而且如果数据行是作为子集被逻辑工作组(部门、销售分区、地理区域等)访问的，那么这种方法也是很有好处的。
1.2 生成物理数据库
要想正确选择基本物理实现策略，必须懂得数据库访问格式和硬件资源的操作特点，主要是内存和磁盘子系统I/O。这是一个范围广泛的话题，但以下的准则可能会有所帮助。
1.与每个表列相关的数据类型应该反映数据所需的最小存储空间，特别是对于被索引的列更是如此。比如能使用smallint类型就不要用integer类型，这样索引字段可以被更快地读取，而且可以在1个数据页上放置更多的数据行，因而也就减少了I/O操作。
2.把1个表放在某个物理设备上，再通过SQL Server段把它的不分簇索引放在1个不同的物理设备上，这样能提高性能。尤其是系统采用了多个智能型磁盘控制器和数据分离技术的情况下，这样做的好处更加明显。
3.用SQL Server段把一个频繁使用的大表分割开，并放在2个单独的智能型磁盘控制器的数据库设备上，这样也可以提高性能。因为有多个磁头在查找，所以数据分离也能提高性能。
4.用SQL Server段把文本或图像列的数据存放在1个单独的物理设备上可以提高性能。1个专用的智能型的控制器能进一步提高性能。
2 与SQL Server相关的硬件系统
与SQL Server有关的硬件设计包括系统处理器、内存、磁盘子系统和网络，这4个部分基本上构成了硬件平台，Windows NT和SQL Server运行于其上。
2.1 系统处理器(CPU)
根据自己的具体需要确定CPU结构的过程就是估计在硬件平台上占用CPU的工作量的过程。从以往的经验看，CPU配置最少应是1个80586/100处理器。如果只有2～3个用户，这就足够了，但如果打算支持更多的用户和关键应用，推荐采用Pentium Pro或PⅡ级CPU。
2.2 内存(RAM)
为SQL Server方案确定合适的内存设置对于实现良好的性能是至关重要的。SQL Server用内存做过程缓存、数据和索引项缓存、静态服务器开支和设置开支。SQL Server最多能利用2GB虚拟内存，这也是最大的设置值。还有一点必须考虑的是Windows NT和它的所有相关的服务也要占用内存。
Windows NT为每个WIN32应用程序提供了4GB的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间由Windows NT虚拟内存管理器(VMM)映射到物理内存上，在某些硬件平台上可以达到4GB。SQL Server应用程序只知道虚拟地址，所以不能直接访问物理内存，这个访问是由VMM控制的。Windows NT允许产生超出可用的物理内存的虚拟地址空间，这样当给SQL Server分配的虚拟内存多于可用的物理内存时，会降低SQL Server的性能。
这些地址空间是专门为SQL Server系统设置的，所以如果在同一硬件平台上还有其它软件(如文件和打印共享，应用程序服务等)在运行，那么应该考虑到它们也占用一部分内存。一般来说硬件平台至少要配置32MB的内存，其中，Windows NT至少要占用16MB。1个简单的法则是，给每一个并发的用户增加100KB的内存。例如，如果有100个并发的用户，则至少需要32MB+100用户*100KB=42MB内存，实际的使用数量还需要根据运行的实际情况调整。可以说，提高内存是提高系统性能的最经济的途径。
2.3 磁盘子系统
设计1个好的磁盘I/O系统是实现良好的SQL Server方案的一个很重要的方面。这里讨论的磁盘子系统至少有1个磁盘控制设备和1个或多个硬盘单元，还有对磁盘设置和文件系统的考虑。智能型SCSI-2磁盘控制器或磁盘组控制器是不错的选择，其特点如下:
(1)控制器高速缓存。
(2)总线主板上有处理器，可以减少对系统CPU的中断。
(3)异步读写支持。
(4)32位RAID支持。
(5)快速SCSI―2驱动。
(6)超前读高速缓存(至少1个磁道)。
3 检索策略
在精心选择了硬件平台，又实现了1个良好的数据库方案，并且具备了用户需求和应用方面的知识后，现在应该设计查询和索引了。有2个方面对于在SQL Server上取得良好的查询和索引性能是十分重要的，第1是根据SQL Server优化器方面的知识生成查询和索引;第2是利用SQL Server的性能特点，加强数据访问操作。
3.1 SQL Server优化器
Microsoft SQL Server数据库内核用1个基于费用的查询优化器自动优化向SQL提交的数据查询操作。数据操作查询是指支持SQL关键字WHERE或HAVING的查询，如SELECT、DELETE和UPDATE。基于费用的查询优化器根据统计信息产生子句的费用估算。
了解优化器数据处理过程的简单方法是检测SHOWPLAN命令的输出结果。如果用基于字符的工具(例如isql)，可以通过键入SHOW SHOWPLAN ON来得到SHOWPLAN命令的输出。如果使用图形化查询，比如SQL Enterprise Manager中的查询工具或isql/w，可以设定配置选项来提供这一信息。
SQL Server的优化通过3个阶段完成:查询分析、索引选择、合并选择。
1.查询分析
在查询分析阶段，SQL Server优化器查看每一个由正规查询树代表的子句，并判断它是否能被优化。SQL Server一般会尽量优化那些限制扫描的子句。例如，搜索和/或合并子句。但是不是所有合法的SQL语法都可以分成可优化的子句，如含有SQL不等关系符“<>”的子句。因为“<>”是1个排斥性的操作符，而不是1个包括性的操作符，所在扫描整个表之前无法确定子句的选择范围会有多大。当1个关系型查询中含有不可优化的子句时，执行计划用表扫描来访问查询的这个部分，对于查询树中可优化的SQL Server子句，则由优化器执行索引选择。
2.索引选择
对于每个可优化的子句，优化器都查看数据库系统表，以确定是否有相关的索引能用于访问数据。只有当索引中的列的1个前缀与查询子句中的列完全匹配时，这个索引才被认为是有用的。因为索引是根据列的顺序构造的，所以要求匹配是精确的匹配。对于分簇索引，原来的数据也是根据索引列顺序排序的。想用索引的次要列访问数据，就像想在电话本中查找所有姓为某个姓氏的条目一样，排序基本上没有什么用，因为你还是得查看每一行以确定它是否符合条件。如果1个子句有可用的索引，那么优化器就会为它确定选择性。
所以在设计过程中，要根据查询设计准则仔细检查所有的查询，以查询的优化特点为基础设计索引。
(1)比较窄的索引具有比较高的效率。对于比较窄的索引来说，每页上能存放较多的索引行，而且索引的级别也较少。所以，缓存中能放置更多的索引页，这样也减少了I/O操作。
(2)SQL Server优化器能分析大量的索引和合并可能性。所以与较少的宽索引相比，较多的窄索引能向优化器提供更多的选择。但是不要保留不必要的索引，因为它们将增加存储和维护的开支。对于复合索引、组合索引或多列索引，SQL Server优化器只保留最重要的列的分布统计信息，这样，索引的第1列应该有很大的选择性。
(3)表上的索引过多会影响UPDATE、INSERT和DELETE的性能，因为所有的索引都必须做相应的调整。另外，所有的分页操作都被记录在日志中，这也会增加I/O操作。
(4)对1个经常被更新的列建立索引，会严重影响性能。
(5)由于存储开支和I/O操作方面的原因，较小的自组索引比较大的索引性能更好一些。但它的缺点是要维护自组的列。
(6)尽量分析出每一个重要查询的使用频度，这样可以找出使用最多的索引，然后可以先对这些索引进行适当的优化。
(7)查询中的WHERE子句中的任何列都很可能是个索引列，因为优化器重点处理这个子句。
(8)对小于1个范围的小型表进行索引是不划算的，因为对于小表来说表扫描往往更快而且费用低。
(9)与“ORDER BY”或“GROUP BY”一起使用的列一般适于做分族索引。如果“ORDER BY”命令中用到的列上有分簇索引，那么就不会再生成1个工作表了，因为行已经排序了。“GROUP BY”命令则一定产生1个工作表。
(10)分簇索引不应该构造在经常变化的列上，因为这会引起整行的移动。在实现大型交易处理系统时，尤其要注意这一点，因为这些系统中数据往往是频繁变化的。
3.合并选择
当索引选择结束，并且所有的子句都有了一个基于它们的访问计划的处理费用时，优化器开始执行合并选择。合并选择被用来找出一个用于合并子句访问计划的有效顺序。为了做到这一点，优化器比较子句的不同排序，然后选出从物理磁盘I/O的角度看处理费用最低的合并计划。因为子句组合的数量会随着查询的复杂度极快地增长，SQL Server查询优化器使用树剪枝技术来尽量减少这些比较所带来的开支。当这个合并选择阶段结束时，SQL Server查询优化器已经生成了1个基于费用的查询执行计划，这个计划充分利用了可用的索引，并以最小的系统开支和良好的执行性能访问原来的数据。
3.2 高效的查询选择
从以上查询优化的3个阶段不难看出，设计出物理I/O和逻辑I/O最少的方案并掌握好处理器时间和I/O时间的平衡，是高效查询设计的主要目标。也就是说，希望设计出这样的查询:充分利用索引、磁盘读写最少、最高效地利用了内存和CPU资源。
以下建议是从SQL Server优化器的优化策略中总结出来的，对于设计高效的查询是很有帮助的。
1.如果有独特的索引，那么带有“=”操作符的WHERE子句性能最好，其次是封闭的区间(范围)，再其次是开放的区间。
2.从数据库访问的角度看，含有不连续连接词(OR和IN)的WHERE子句一般来说性能不会太好。所以，优化器可能会采用R策略，这种策略会生成1个工作表，其中含有每个可能匹配的执行的标识符，优化器把这些行标志符(页号和行号)看做是指向1个表中匹配的行的“动态索引”。优化器只需扫描工作表，取出每一个行标志符，再从数据表中取得相应的行，所以R策略的代价是生成工作表。
3.包含NOT、<>、或! =的WHERE子句对于优化器的索引选择来说没有什么用处。因为这样的子句是排斥性的，而不是包括性的，所以在扫描整个原来数据表之前无法确定子句的选择性。
4.限制数据转换和串操作，优化器一般不会根据WHERE子句中的表达式和数据转换式生成索引选择。例如:
paycheck * 12>36000 or substring(lastname,1,1)=“L”
如果该表建立了针对paycheck和lastname的索引，就不能利用索引进行优化，可以改写上面的条件表达式为:
paycheck<36000/12 or lastname like “L%”
5.WHERE子句中的本地变量被认为是不被优化器知道和考虑的，例外的情况是定义为储备过程输入参数的变量。
6.如果没有包含合并子句的索引，那么优化器构造1个工作表以存放合并中最小的表中的行。然后再在这个表上构造1个分簇索引以完成一个高效的合并。这种作法的代价是工作表的生成和随后的分族索引的生成，这个过程叫REFORMATTING。 所以应该注意RAM中或磁盘上的数据库tempdb的大小(除了SELECT INTO语句)。另外，如果这些类型的操作是很常见的，那么把tempdb放在RAM中对于提高性能是很有好处的。
4 性能优化的其他考虑
上面列出了影响SQL Server的一些主要因素，实际上远不止这些。操作系统的影响也很大，在Windows NT下，文件系统的选择、网络协议、开启的服务、SQL Server的优先级等选项也不同程度上影响了SQL Server的性能。
影响性能的因素是如此的多，而应用又各不相同，找出1个通用的优化方案是不现实的，在系统开发和维护的过程中必须针对运行的情况，不断加以调整。事实上，绝大部分的优化和调整工作是在与客户端独立的服务器上进行的，因此也是现实可行的。
