第一章-概述 - 大梦不醒

一、章节概述#

本章是查询优化器的基础章节，介绍了SQL查询语句在经过词法分析、语法分析和语义分析后形成的查询树（Query Tree）。查询树对应一个关系代数表达式，是查询优化器的输入，贯穿整个查询优化过程。

二、核心数据结构详解#

2.1 Node 结构体（所有节点的基础）#

作用：PostgreSQL中所有数据结构的基础，采用统一的”类继承”方式实现。

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typedef struct Node {
2
    NodeTag type;  // 枚举类型，标识节点具体类型
3
} Node;

关键点：

所有结构体的第一个成员变量都是 NodeTag
通过 Node* 指针可以统一表示任何结构体
通过查看 NodeTag 枚举值来区分实际类型

示例：

List 结构体：type 可能是 T_List、T_IntList、T_OidList
Query 结构体：type 值为 T_Query

2.2 Var 结构体（列属性表示）#

作用：表示查询中涉及的表的列属性（投影列、约束条件中的列）。

成员变量	含义	来源
`varno`	列属性所在的表在 `rtable` 中的编号	`Query->rtable` 的 rtindex
`varattno`	列属性是表中的第几列	`PG_ATTRIBUTES` 系统表
`vartype`	列属性的类型（如 INT=23, VARCHAR=1043）	`PG_ATTRIBUTES` 系统表
`vartypmod`	列属性的精度（如 `VARCHAR(10)` → 14）	`PG_ATTRIBUTES` 系统表
`varlevelsup`	列属性对应表所在的层次（相对值）	用于子查询场景
`varnoold`	`varno` 的初值（等价变换前）	记录原始值
`varoattno`	`varattno` 的初值（等价变换前）	记录原始值
`location`	列属性出现在 SQL 语句中的位置	语法分析阶段

子查询示例：

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SELECT st.sname FROM STUDENT st
2
WHERE st.sno = ANY(SELECT sno FROM SCORE WHERE st.sno = sno);

列属性	varno	varattno	vartype	varlevelsup	说明
`st.sno` (子查询中)	1	1	23 (INT)	1	父查询表的列，上1层
`SCORE.sno`	1	1	23 (INT)	0	当前层次表的列
`st.sname`	1	2	1043 (VARCHAR)	0	当前层次表的列

2.3 RangeTblEntry 结构体（范围表）#

作用：描述查询中出现的表（FROM子句），包括普通表、子查询、连接表等。

RTEKind 枚举类型：

类型	含义	对应的 FROM 子句部分
`RTE_RELATION`	普通堆表	`FROM STUDENT`
`RTE_SUBQUERY`	子查询	`(SELECT * FROM TEACHER)`
`RTE_JOIN`	JOIN 产生的表	`STUDENT LEFT JOIN SCORE`
`RTE_FUNCTION`	表函数返回的表	`GENERATE_SERIES(1,10)`
`RTE_VALUES`	VALUES 产生的表	`VALUES(1,1)`
`RTE_CTE`	WITH 语句附带的公共表	CTE 子句

结构体关键成员：

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typedef struct RangeTblEntry {
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    NodeTag type;
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    RTEKind rtekind;          // 范围表类型
4
    // For RTE_RELATION
5
    Oid relid;                // 表的 OID，来自 PG_CLASS
6
    char relkind;             // 表的类型，来自 PG_CLASS
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    // For RTE_SUBQUERY
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    Query *subquery;          // 子查询的查询树
9
    // For RTE_JOIN
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    JoinType jointype;        // JOIN 的类型
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    List *joinaliasvars;      // JOIN 的表的所有列的集合
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} RangeTblEntry;

示例：

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SELECT * FROM STUDENT LEFT JOIN SCORE ON TRUE,
2
       (SELECT * FROM TEACHER) AS t,
3
       COURSE,
4
       (VALUES(1,1)) AS NUM(x, y),
5
       GENERATE_SERIES(1,10) AS GS(z);

RangeTblEntry 类型	对应部分
RTE_RELATION	COURSE
RTE_JOIN	STUDENT LEFT JOIN SCORE ON TRUE
RTE_SUBQUERY	(SELECT * FROM TEACHER)
RTE_FUNCTION	GENERATE_SERIES(1,10)
RTE_VALUES	(VALUES(1,2))

2.4 RangeTblRef 结构体（范围表引用）#

作用：在 jointree 中引用 rtable 中的 RangeTblEntry，避免数据冗余。

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typedef struct RangeTblRef {
2
    NodeTag type;
3
    int rtindex;  // RangeTblEntry 在 Query->rtable 中的位置
4
} RangeTblRef;

设计原则：

每个范围表在 Query->rtable 中有且仅有一个
其他地方使用 RangeTblRef 引用，不重复存储

2.5 JoinExpr 结构体（显式连接）#

作用：表示显式指定的连接关系（如 A LEFT JOIN B ON Pab）。

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typedef struct JoinExpr {
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    NodeTag type;
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    JoinType jointype;      // 连接类型（LeftJoin, InnerJoin 等）
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    bool isNatural;         // 是否是自然连接
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    Node *larg;             // 左侧表（LHS）
6
    Node *rarg;             // 右侧表（RHS）
7
    List *usingClause;      // USING 子句的约束条件
8
    Node *quals;            // ON 子句的约束条件
9
    Alias *alias;           // 连接操作的投影列
10
    int rtindex;            // 对应的 RangeTblRef->rtindex
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} JoinExpr;

示例分析：

SELECT * FROM STUDENT INNER JOIN SCORE ON STUDENT.sno = SCORE.sno;
- 使用 JoinExpr 表示
- quals 保存 STUDENT.sno = SCORE.sno
SELECT * FROM STUDENT LEFT JOIN SCORE ON TRUE LEFT JOIN COURSE ON SCORE.cno = COURSE.cno;
- 需要两个 JoinExpr 表示
- 形成树状结构

2.6 FromExpr 结构体（隐式连接）#

作用：表示表之间的隐式连接关系（默认为 Inner Join）。

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typedef struct FromExpr {
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    NodeTag type;
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    List *fromlist;    // FromExpr 中包含的表
4
    Node *quals;       // 表之间的约束条件
5
} FromExpr;

示例：

1
SELECT * FROM STUDENT, SCORE, COURSE WHERE STUDENT.sno = SCORE.sno;

fromlist：3 个 RangeTblRef 节点
quals：STUDENT.sno = SCORE.sno

2.7 Query 结构体（查询树核心）#

作用：查询优化模块的输入参数，表示完整的查询树。

关键成员变量：

成员变量	含义
`commandType`	语句类型：SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE, UTILITY
`rtable`	语句涉及的表清单（List of RangeTblEntry）
`jointree`	表的连接关系及约束关系（FromExpr 类型）
`targetList`	需要投影的列（SELECT 子句中的列）
`hasAggs`	是否有聚集操作
`hasWindowFuncs`	是否有窗口函数
`hasSubLinks`	是否包含 SubLink 或 SubQuery
`groupClause`	GROUP BY 子句
`havingQual`	HAVING 子句
`sortClause`	ORDER BY 子句
`limitOffset`	OFFSET 子句
`limitCount`	LIMIT 子句
`setOperations`	UNION/INTERSECT/EXCEPT 操作

三、查询树示例分析#

示例 1：简单查询#

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SELECT * FROM STUDENT WHERE SNO = 1;

成员变量	内容
`rtable`	1 个 `RangeTblEntry`（STUDENT表）
`jointree`	FromExpr: fromlist 有 1 个 RangeTblRef
	FromExpr: quals 有 1 个 OPExpr（SNO = 1）
`targetlist`	3 个 TargetEntry（sno, sname, ssex）

示例 2：两表连接#

1
SELECT st.sname, sc.degree
2
FROM STUDENT st, SCORE sc
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WHERE st.sno = sc.sno;

成员变量	内容
`rtable`	2 个 `RangeTblEntry`（STUDENT, SCORE）
`jointree`	FromExpr: fromlist 有 2 个 RangeTblRef
	FromExpr: quals 有 1 个 OPExpr（st.sno = sc.sno）
`targetlist`	2 个 TargetEntry（sname, degree）

示例 3：显式 INNER JOIN#

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SELECT st.sname, sc.degree
2
FROM STUDENT st INNER JOIN SCORE sc ON st.sno = sc.sno;

成员变量	内容
`rtable`	3 个 `RangeTblEntry`（STUDENT, SCORE, 连接关系）
`jointree`	FromExpr: fromlist 有 1 个 JoinExpr
	JoinExpr: larg = STUDENT, rarg = SCORE
	JoinExpr: quals = st.sno = sc.sno
	FromExpr: quals = NULL
`targetlist`	2 个 TargetEntry（sname, degree）

四、查询树的展示与调试#

GUC 参数#

参数名	默认值	描述
`debug_pretty_print`	On	以结构化方式展示查询树
`debug_print_parse`	Off	打印查询树
`debug_print_rewritten`	Off	打印重写后的查询树
`debug_print_plan`	Off	打印执行计划

调试技巧#

在逻辑优化前后使用 elog_node_display 函数打印查询树
对比重写前后的查询树，分析优化效果

五、查询树的遍历#

遍历函数：

query_tree_walker：遍历查询树，可修改值，但不增删节点
query_tree_mutator：遍历查询树，可增删节点

应用场景：

子查询提升时调整 varlevelsup 值
查找、替换、编辑特定结构体

六、执行计划展示（EXPLAIN）#

EXPLAIN 语法#

1
EXPLAIN [ ( option [, ...] ) ] statement
2
EXPLAIN [ ANALYZE ] [ VERBOSE ] statement

选项说明#

选项	说明
`VERBOSE`	打印更详细的信息
`ANALYZE`	打印实际执行代价（会真正执行语句）
`BUFFERS`	与 ANALYZE 配合，打印缓冲区命中率
`COSTS`	是否打印代价（默认开启）
`TIMING`	与 ANALYZE 配合，是否统计时间

示例#

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EXPLAIN SELECT * FROM STUDENT, (SELECT * FROM SCORE) as sc;

1
Nested Loop (cost=0.00..2.15 rows=7 width=31)
2
  -> Seq Scan on score (cost=0.00..1.01 rows=1 width=12)
3
  -> Seq Scan on student (cost=0.00..1.07 rows=7 width=19)

代价说明：

cost=0.00..2.15：0.00 是启动代价，2.15 是整体代价
执行计划是一棵非完全二叉树

七、关键要点总结#

统一节点模型：所有结构体基于 Node 扩展，通过 NodeTag 识别类型
查询树核心组件：
- rtable：存储所有范围表
- jointree：存储表之间的连接关系
- targetlist：存储投影列
范围表引用：使用 RangeTblRef 避免数据冗余
连接表示：
- JoinExpr：显式连接（INNER JOIN, LEFT JOIN 等）
- FromExpr：隐式连接（逗号分隔，默认 INNER JOIN）

查询优化流程：

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SQL → 词法分析 → 语法分析 → 语义分析 → 查询树 → 逻辑优化 → 物理优化 → 执行计划

八、学习建议#

动手实践：使用 debug_print_parse 等参数查看实际查询树
对比分析：修改查询语句，观察查询树的变化
源码阅读：结合 query_tree_walker 和 query_tree_mutator 理解遍历机制
联系实际：通过 EXPLAIN 分析执行计划，理解优化器决策

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