offset新探索：双管齐下，加速大数据量查询

offset新探索：双管齐下，加速大数据量查询

众所周知，在各类业务中时常会用到LIMIT y offset x来做跳过x条数据读取Y条数据的操作。例如：SELECT * FROM ... LIMIT 1000 OFFSET 1000000; 表示从第1000001条数据开始查，读取1000条数据。随着offset的增加，查询的时长也会越来越长。当offset达到百万级别的时候查询时长有可能秒级，这是业务所不能容忍的。

那么如何来提升offset在大数据量查询时的性能、缩短执行时间呢？我们的答案是：

offset Pushdown( offset下推，下文简称OP)

Redundant Condition Removal (冗余条件删除，下文简称 RCR)

这是华为云GaussDB for MySQL推出的两个新特性，通过OP和RCR的结合，将大数据量查询的性能提升一到两个数量级。下面我们分别介绍这两个特性的基本原理、如何启用、执行验证、以及通过严密测试来验证其带来的性能提升。

Offset Pushdown -- OP

OP赋予MySQL存储引擎InnoDB处理offset 的能力。当OP启用时，在SQL层评估offset 是否可以下推并将下推信息传递给存储引擎。SQL层不再对存储引擎返回的行进行offset 处理，取而代之的是存储引擎层直接跳过offset 范围内的行，仅返回后续行，即查询所需要的行。

通过启用OP，offset 范围内的行不会再传输到SQL层，从而节省了存储引擎和SQL层之间多次来回交互时间；其次，对非覆盖索引扫描（non-covering index，即查询访问二级索引之后，还必须访问基表），直接跳过offset 范围内的行可以节省对这些行回表访问的开销。这种对offset 的提前处理可以节省数据处理时间，特别是当offset 非常大时。OP的适用性取决于WHERE子句是否可以由存储引擎整体处理。

下方图1和2分别说明了在没有OP和启用OP时LIMIT offset的处理逻辑。

图1无OP的极限偏移逻辑

图2启用OP的LIMIT offset 逻辑

Redundant Condition Removal – RCR

RCR的思路也比较简单：当进行索引范围扫描时，SQL 层对存储引擎返回的行执行冗余检查，因为它不知道存储引擎已经执行了这些检查，而RCR 就是让 SQL 层了解这点。为了使 OP 成为可能，除了要求WHERE条件能够被存储引擎独立且完整的评估，SQL 层还必须了解这点从而避免冗余检查。

OP功能的实现方式与索引条件下推 (Index Condition Pushdown，ICP) 类似。对于某些查询，ICP 通过将整个 WHERE 子句下推到存储引擎来启用 OP。而RCR在 ICP 执行之前会评估条件是否冗余，并且移除冗余条件，确保了ICP不会处理冗余的条件检查。RCR很好地补充了OP特性的适用范围，允许更多查询使用 OP。

请注意：OP的启用需要满足三个主要条件：

SQL语句包含offset 

WHERE子句完全由InnoDB处理

SQL语句只涉及一张表

另外，

查询中使用的表必须是InnoDB表

不使用HAVING, aggregations, GROUP BY, SELECT DISTINCT, ROLLUP, Window functions以及文件排序

不支持涉及多个分区的分区表查询，只涉及单个分区的可以

RCR适用于索引范围扫描，如果WHERE子句中出现了一个或者多个条件，而这些条件涉及到的字段在对应使用的索引上是被连续定义的，这些条件的冗余检查就都会被移除。

如何启用OP？

方法一：使用特定的optimizer switch: offset _PUSHDOWN

set optimizer_switch='OFFSET_PUSHDOWN=[on]/[off]';

默认为打开。

方法二：使用特定的优化器hint：[NO]_OFFSET_PUSHDOWN()

SELECT /*+ [NO]_OFFSET_PUSHDOWN() */ FROM TABLE LIMIT n  OFFSET p; 

请注意，hint优先级高于optimizer switch的设置。

我们基于下方创建的t1表，来举例说明如何使用OP：

CREATE TABLE t1 (a int, b int, INDEX  (b));

示例一：表扫描

explain format=tree select * from t1 limit 100 offset 1;

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                             |

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown  (cost=0.65 rows=4)

    -> Table scan on t1  (cost=0.65 rows=4)

 |

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

1 row in set (0.00 sec)

示例二：二级索引上的索引范围扫描

explain  format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                                           |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown  (cost=1.61 rows=3)

    -> Index range scan on t1 using b  (cost=1.61 rows=3)

 |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

1 row in set (0.00 sec)

如何启用RCR ?

通过系统变量rds_empty_redundant_check_in_range_scan设置，如下：

set rds_empty_redundant_check_in_range_scan=[true]/[false];

默认为true。

我们通过一个示例来说明：

创建t0表：

CREATE TABLE t0 (a int, b int, INDEX  (a,b));

不启用RCR：

explain format=tree select * from t0 where a<100 and a>20  LIMIT 1 OFFSET 100;

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                                                                                           |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 1/100 row(s)  (cost=0.46 rows=1)

    -> Filter: ((t0.a < 100) and (t0.a > 20))  (cost=0.46 rows=1)

        -> Index range scan on t0 using a  (cost=0.46 rows=1)

 |

+---------------------------

可以看出：列a上的范围条件会被InnoDB默认检查，但SQL层将再次检查InnoDB返回的行是否匹配列a的范围条件。在这种情况下，无法使用OP，因为SQL层不知道存储引擎实际上处理了整个WHERE子句。

启用RCR：设定rds_empty_redundant_check_in_range_scan = true;

explain format=tree select * from t0 where a<100 and a>20  LIMIT 1 OFFSET 100;

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                                           |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 1/100 row(s), with offset pushdown  (cost=0.46 rows=1)

    -> Index range scan on t0 using a  (cost=0.46 rows=1)

 |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

1 row in set (0.00 sec)

可以看出：启用RCR，删除SQL层对列A的范围条件的冗余检查后，启用OP。

简化ICP：

创建表t1：

create table t1(a int, b int, INDEX(b));

不启用RCR：

explain format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                                                                             |

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown  (cost=1.61 rows=3)

    -> Index range scan on t1 using b, with index condition: (t1.b > 2)  (cost=1.61 rows=3)

 |

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

1 row in set (0.00 sec)

可以看出：使用了ICP后，OP也被启用了

启用RCR：

explain format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| EXPLAIN                                                                                                                           |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown  (cost=1.61 rows=3)

    -> Index range scan on t1 using b  (cost=1.61 rows=3)

 |

+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

1 row in set (0.00 sec)

以上示例说明：ICP不是必要的。通过评估是否应使用ICP之前移除冗余条件，就可以避免使用ICP。

性能验证：

下面我们通过实际测试来验证OP所带来的性能提升。在测试中，我们重点关注：

覆盖/非覆盖索引

考虑一个非覆盖索引，不使用OP，InnoDB必须从基表读取行，然后才能将它们返回到SQL层。使用OP后，就可以跳过行，而不必从基表读取。因此，OP在非覆盖索引上可以提供更好的性能。

热/冷缓冲池

我们希望通过热缓冲池全面提高性能，但我们也希望OP在热缓冲池上相对更高效，原因如下：

基于一个冷缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定

）和使用OP的计算时间(

)的比值：

比值

预计将大于1，因为使用OP将获得性能提升。基于一个热缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定

是不使用OP的计算时间(

和使用OP的计算时间（

的比值：

其中

表示从磁盘读取索引所需的时间，可以合理地假设，在使用OP和不使用OP的情况下，

都是相同的。因为不论是否使用OP，都必须从左到右遍历索引，无法在使用OP的情况下，利用B-tree结构索引的优势直接跳转到offset 范围的结束点。

那么，这两个比值的差值可以表述为：

因此，我们预计OP在热缓冲池将更有效。

缓冲池大小

对于覆盖索引查询，可以假定索引数据都在缓冲池中，因此，缓冲池的大小对性能不会产生太大影响。然而，对于非覆盖索引的查询，情况会大不相同。在不使用OP时，缓冲池能缓存表数据的比例确实会对查询的性能产生有利的影响。

基于以上三个关注点以及预判，我们在一个包含200万行数据的测试表中，分别测试覆盖/非覆盖索引、冷/热缓冲池、不同缓冲池大小下条件下，通过OP带来的性能表现。

测试语句：

覆盖索引查询：

CREATE TABLE data (id int, value int, INDEX  (id,value));

SELECT * FROM data   LIMIT 1 OFFSET p;

非覆盖索引查询：

CREATE TABLE data_non_covering(id INT, value INT, INDEX  (value));

INSERT INTO data_non_covering SELECT * FROM data;

SELECT * FROM data_non_covering WHERE value>2 LIMIT 1 OFFSET p;

为了过滤干扰，计算时间是取9次运行结果的中位数。

                                       

通过以上测试结果可以看出：

热缓冲池，并将其大小设为128MB 

使用覆盖索引，OP可以将查询性能提升3 – 12倍；

使用非覆盖索引，OP可以将查询性能提升 48 – 128倍

冷缓冲池，并将其大小设定为128MB：

使用覆盖索引，OP可以将性能提升 40% - 8倍；

使用非覆盖索引，OP可以将性能提升2 - 148 倍

综上，在所有测试中，使用OP能提升查询性能。不论是冷缓冲池还是热缓冲池，启用OP后，非覆盖索引扫描可以比覆盖索引扫描获得10倍以上的性能提升。此外，正如我们所预计，在热缓冲池上启用OP获得了更大的性能提升。

对于大的OFFSET，使用OP可将性能提高一两个数量级，而RCR可扩大了OP的适用范围。正如上述测试所证明，使用OP所带来的性能提升主要受下面两个因素的影响：

OP可以在存储引擎层跳过offset 行，而不必将它们返回到SQL层，这将导致计算时间的显著降低。

OP可以跳过offset 行，而不必从基表读取它们，从而获得性能提升。

而OP和RCR的联合使用，进一步扩大了OP的使用范围，可以为更多的Limit/offset查询带来性能提升，尤其是对大的offset操作。

在后续的研究中，我们将会评估OP与NDP（Near Data Processing, 近数据处理）的兼容性以及潜在的性能改进。

本文作者

吕漫漪

现任华为瑞典研究所数据库Lab首席科学家，云数据库欧洲研发团队的负责人。在数据库领域有20多年经验，曾经参与开发电信行业分布式高可用数据库，在国际知名软件公司深耕了十年MySQL技术。2020年加入华为，立志于打造世界顶端的企业级云数据库。

Maxime Conjard

华为云数据库工程师，就职于华为云数据库欧洲研发团队。Max毕业于挪威科技大学（NTNU），获得统计学硕士和博士学位；在此之前，他在法国马赛中央学院获得工程硕士学位。

　　审核编辑：汤梓红