SQL Server中多表连接时驱动顺序对性能的影响

本文出处：http://www.cnblogs.com/wy123/p/7106861.html 
（保留出处并非什么原创作品权利，本人拙作还远远达不到，仅仅是为了链接到原文，因为后续对可能存在的一些错误进行修正或补充，无他）

最近在SQL Server中多次遇到开发人员提交过来的有性能问题的SQL，其表面的原因是表之间去的驱动顺序造成的性能问题，
具体表现在（已排除其他因素影响的情况下），存储过程偶发性的执行时间超出预期，甚至在调试的时候，直接在存储过程的SQL语句中植入某些具体的参数，在性能上仍达不到预期的响应时间。
此类问题在排除了服务器资源因素，索引，锁，parameter sniff等常见问题之后，确认识是表之间的驱动顺序造成的，因为在尝试sql语句的末尾加上option(force order)之后，性能迅速提升。
通常情况下，表之间连接的时候是采用“小表驱动大表”是一种相对比较高效的方式，也即在loop join的时候，先循环小表，通过循环驱动大表，然后产生查询结果集。
该性能表面上看，是表之间的驱动顺序顺序造成的，在强制一个驱动顺序之后，性能有非常明显的提升，
但是再进一步思考，为什么默认情况下，SQL Server没有选择一个合理的驱动顺序？
因此本文就简单阐述这两个问题：
1）为什么表之间的驱动顺序会影响性能？
2）为什么SQL Server在某些情况下没有选择出正确的驱动顺序？

为什么表之间的驱动顺序会影响性能？

首先演示一下表在连接的时候，驱动顺序对性能的影响，其中test_smalltable插入1W行数据，test_bigtable插入10W行测试数据，依次来代表小表与大表

create table test_smalltable
(
    id int identity(1,1) primary key,
    otherColumns char(500)
)
 
create table test_bigtable
(
    id int identity(1,1) primary key,
    otherColumns char(500)
)
 
declare @i int = 0
while @i<100000
begin
    if @i<10000
    begin
        insert into test_smalltable values (NEWID())
    end
    insert into test_bigtable values (NEWID())
    set @i = @i + 1
end

在测试表写入数据完成之后，使用一下两个SQL，通过强制使用loop join的驱动顺序的方式来观察其IO情况

select * from test_smalltable a inner loop join test_bigtable b on a.id = b.id option(force order)
GO
 
select * from test_bigtable a inner loop join test_smalltable b on a.id = b.id option(force order)
GO

如图，是两个SQL执行之后产生的IO信息，可以发现，因为两个表的驱动顺序不一致，导致的逻辑IO几乎差了一个数量级。

造成此问题的原因，可能有一些难以理解，双循环嵌套，谁在外谁在内还有差别，表面上看不都是一样的？其实不然。
loop join是采用的类似如下双循环嵌套的方式来执行的，直至外层的表循环结束，循环（查询）完成
foreache(outer_row in outer_table)
{
　　foreache(internal_row in internal_table)
　　{
　　　　if (outer_row.key = internal_row.key)
　　　　{
　　　　　　--输出结果
　　　　}
　　}
}

以上述测试为例，做一个粗略的对比统计
如果外层是小表（1W行），外层循环1W次，分别对内层的大表（10W行）查询，然后结束查询，相当于循环1W次，分别用Id查询内层表，
可以粗略地认为整体的代价是：1W+1W*10W = 11W，这里先忽略具体代价的单位
如果外层是大表（10W行），外层循环10W次，分别对内层的小表（1W行）查询，然后结束查询，相当于循环10W次，分别用Id查询内层表，
可以粗略地认为整体的代价是：10W+10W*1W = 20W，同理，这里也先忽略代价的单位
现在就很清楚了，前者（小表驱动大表）的代价是11W，后者（大表驱动小表）的代价是20W，因此，通常来说，小表驱动大表是一种相对较为高效的方式。

但是要注意这里的大表与小表，不仅仅是“表”级别的概念，因为实际中SQL并没有这么简单，还可以是根据筛选条件过滤之后的结果的概念，这也是引出第二个问题的关键点。

为什么SQL Server在某些情况下没有选择出正确的驱动顺序

　　在上述的测试中，如果不加查询提示，执行计划的生成是跟表书写的顺序没有关系的，一下截图可以看到，书写顺序不一样，执行计划仍旧是一样的。
　　也就是说，在书写SQL语句的时候，大表在前或者在后，正常情况下是不影响执行计划的生成的。

　　

那么为什么，一开始提到的问题，为什么SQL Server在某些情况下没有选择出正确的驱动顺序还会出现？
实际情况中，SQL的写法很少有这么简单的，更多的时候是在表连接之后，有各种各样的where条件。
上面说了，大表与小表的概念，不仅仅是“表”级别的概念，更多的是根据筛选条件过滤之后的结果（行数，或者大小）的概念，
比如，如下SQL，在where条件上可能加上各种筛选条件，比如可能是类似于type类型的，可能是时间范围的，还有可能两个表上都有某些筛选条件。

select * from test_smalltable a 
inner join test_bigtable b on a.id = b.id 
where a.otherColumns = '' and b.otherColumns = '' and other filter condition

那么此时，在面对复杂的查询的时候，SQL Server如何评估每个表经过各种条件筛选后的结果集的大小？
当然是依据where 后面的筛选条件（或者是on 后面的加的筛选条件），问题就来了，where 后面或者on后面的筛选条件，如何又依据什么来提供一个大概的筛选后的结果集？
没错，又是统计信息！

现在问题就清晰了起来，SQL Server依据统计信息，在经过各种（或许是比较复杂）的筛选条件过滤之后，得到一个“它自己认为的预估大小的结果集”，然后依据这个结果集来决定驱动顺序。
SQL Server在“它自己认为的预估大小的结果集”的基础上进行类似于“小表驱动大表”的方式进行运算（当然不仅仅是loop join，这里暂不说其他的join方式），
一旦这个预估的结果集的大小有较大的误差，即便是误差不大，但是足以改变真正的“小表驱动大表”的方式进行运算，第二个问题就出现了。
因此，总的来说，错误的驱动顺序，本质上在利用统计信息进行预估的时候，因为统计信息不足够准确或者预估算法自己的问题。　　　
参考：http://www.cnblogs.com/wy123/tag/%E7%BB%9F%E8%AE%A1%E4%BF%A1%E6%81%AF%20Statistics/
导致SQL Server错误地用大表驱动的方式来执行运算，类似问题就出现了。

鉴于该问题的特殊性，很难造case，就不造case演示了，截两个实际遇到的对比结果。实际情况中，驱动顺序对性能产生的影响，可能是从0.5秒到10秒的差别，也可能是1分钟到10分钟的差别

　　

　　当然，加option(force order)的时候，要注意写法本身的是不是将小表放在了最前面，
　　在复杂的情况下，虽然是驱动顺序造成的问题，但是加option(force order)并不一定好使，因为多表连接的时候，按照书写的方式强制驱动，也不一定刚好就是一个合理的驱动顺序
　　甚至有更严重的问题出现，参考：http://www.cnblogs.com/wy123/p/6238844.html，因此不建议乱用option(force order)

总结：

　　面对较为复杂的查询和筛选条件的时候，尤其是在表中的数据较大的情况下，统计信息生成的预估，以及预估产生的表之间的驱动顺序，会对性能产生较大的影响。
　　面对类似问题，要确实直接原因是什么，根本原因是什么，如何快速确认问题，又要如何解决和避免，都是值得思考的，也是做性能优化的时候要考虑的问题之一。