Post on 05-Apr-2015
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-1
Kapitel 6: Anfragebearbeitung
physische Datenstrukturen: B-Bäume
AnfragebearbeitungFolien: © Prof. Lockemann, IPD, Uni Karlsruhe
© Prof. Kemper, TU München (Begleitmaterial zu Kapitel 7 des Lehrbuchs)
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-2
Referenzarchitektur
Externes Datenmodell
Anfragebearbeitung
Internes Datenmodell
Satz- u. Satzmengenverwaltung
Physische Datenstrukturen
Zugriffsschicht
Hauptspeicherseiten u. Segmente
Dateien
Dateiverwaltung
Geräteschnittstelle
Scheduler
Recovery-Verwalter
Segment- u. Pufferverwaltung
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-3
betrachtete Aspekte
Externes Datenmodell
Anfragebearbeitung
Internes Datenmodell
Satz- u. Satzmengenverwaltung
Physische Datenstrukturen
Zugriffsschicht
Hauptspeicherseiten u. Segmente
Dateien
Dateiverwaltung
Geräteschnittstelle
Scheduler
Recovery-Verwalter
Segment- u. Pufferverwaltung
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-4
Kapitel 6: Anfragebearbeitung
physische Datenstrukturen: B-Bäume
AnfragebearbeitungFolien: © Prof. Lockemann, IPD, Uni Karlsruhe
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-5
Referenzarchitektur
Externes Datenmodell
Anfragebearbeitung
Internes Datenmodell
Satz- u. Satzmengenverwaltung
Physische Datenstrukturen
Zugriffsschicht
Hauptspeicherseiten u. Segmente
Dateien
Dateiverwaltung
Geräteschnittstelle
Scheduler
Recovery-Verwalter
Segment- u. Pufferverwaltung
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-6
S.. SuchschlüsselD..
Weitere Daten
V.. Verweise (SeitenNr)
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-7
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-8
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-9
Einfügen eines neuen Objekts (Datensatz) in einen B-Baum
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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7
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-15
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
3 7 13 19
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-16
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-17
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-18
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-20
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-23
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-25
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 3 7 13 19
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-27
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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4
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-28
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-30
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-32
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-33
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-34
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19 21
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-35
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19 21
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19 21
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 13 19 21
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 11 19 21
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-39
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 19 21
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 19 21
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-41
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-42
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2 14 19 21
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-43
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-44
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-58
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-59
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-61
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-62
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-64
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
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4 5
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-65
Sukzessiver Aufbau eines B-Baums vom Grad k=2
1 2
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-66
eigentlich…
.. geht es jetzt noch weiter. Man kann in einen Baum nämlich nicht nur einfügen, sondern auch
daraus löschen. Das ist aber nicht ganz einfach, lassen wir hier mal weg. Bei Interesse können Sie das Verfahren in jedem Datenbanklehrbuch
(z.B. dem von Kemper/Eickler) nachlesen.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-67
Verwendung eines B-Baums
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4 5
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-68
Kapitel 6: Anfragebearbeitung
physische Datenstrukturen
AnfragebearbeitungFolien: © Prof. Lockemann, IPD, Uni Karlsruhe
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-69
Implementierung der relationalen Operatoren
Relationale Operatoren können durch Satzmengenverwaltung nicht direkt ausgeführt werden, da diese nur navigierende Such- und Zugriffsoperationen für individuelle Kollektionen anbietet.
Anfragebearbeitung muss deshalb geeignete Operator-Implementierung auswählen, die die Funktionalität des Operators möglichst effizient erbringt.
Kritisch ist vor allem Implementierung der binären Operatoren (Verbindung, Vereinigung, Durchschnitt, Differenz), da potenziell quadratische Laufzeit.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-70
Selektion (1)
Sequenzielle Selektion Schleife über alle Tupel der Relation. Ergebnis-Satzmenge kann vollständige Datensätze oder nur
Verweise (Satz-Identifikatoren) auf qualifizierende Ausgangs-Datensätze enthalten.
Aufwand O(|R|), wobei R Eingaberelation. Bei vertikaler Fragmentierung und Einbezug mehrerer Attribute in
die Selektionsbedingung sind ggf. zusätzliche Verbindungen mit entsprechend höherer Laufzeit erforderlich.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-71
Selektion (2)
Indexbasierte Selektion Bei einfacher Selektionsbedingung der Form Attributi Konstante
kann Direktzugriff erfolgen, sofern unterliegende Datenstruktur wertbasierten Zugriff über Attributi unterstützt.
Aufwand O(log|R|) + Anzahl der Ergebnistupel, bei Selektion auf Gleichheit und Einsatz einer Hashtabelle als Indexstruktur sogar O(|1|) + Anzahl der Ergebnistupel.
Bei booleschen Kombinationen von Vergleichen getrennte Auswertung der einzelnen Vergleiche und anschließend Bildung des Durchschnitts bzw. der Vereinigung der Ergebnisse.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-72
Projektion
Sequenzieller Durchlauf, Aufwand O(|R|). Bei Duplikat-Elimination (select distinct) ist anschließender
Sortierlauf und weiterer sequenzieller Durchlauf zur Duplikatentfernung notwendig, Aufwand in diesem Fall O(R log|R|).
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-73
Geschachtelte Verbindung (1)
Geschachtelte Schleife, in der jeder Datensatz in Datei R (hier: BUCHUNG) mit jedem Datensatz in S (hier: FLUG) verglichen wird:
Iterator bu = BUCHUNG.createIterator();Tupel tb, tf;while bu.hasNext() {
tb = bu.get();bu.next();Iterator fl = FLUG.createIterator();while fl.hasNext() {
tf = fl.get();fl.next();if tb.flugNr = tf.flugNr then ERG.insert(tbtf);
}}
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-74
Geschachtelte Verbindung (2)
Aufwand: Zahl der Satzzugriffe: |R|+(|R||S|) = |R|(1+|S|). Seien auf einer Seite nR bzw. nS Sätze untergebracht. Dann Zahl
der Hintergrundspeicherzugriffe |R|/nR (1+|S|/nS).
R sollte daher die kleinere Relation sein. Erfordert gebündelte Satzspeicherung.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-75
Geschachtelte Verbindung mit Direktzugriff
Geschachtelte Schleife, in der für jeden Datensatz in R der oder die passenden Datensätze in S anhand eines Index aufgefunden werden:
Iterator bu = BUCHUNG.createIterator();Tupel tb, tf;while bu.hasNext() {
tb = bu.get ();tf := FLUG.getKey(flugNr,tb.flugNr);if erfolgreich then ERG.insert(tbtf);bu.next();
}
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-76
Geschachtelte Verbindung mit Direktzugriff
Aufwand: Unterliegende Datenstruktur für S muss wertbasierten Zugriff für
die in die Verbindung eingehenden Attribute unterstützen. Aufwand O (|R|) (Hash) oder O(|R| log|S|) (B*-Baum). R (äußere Schleife) sollte daher die kleinere Relation sein. Hash-Join: Zwischenrelation nach einem Hashverfahren erstellen.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-77
Abb. externes internes Datenmodell
Wesentliche Abbildungsaufgaben: Abbildung von Relationen auf Satzmengen, Übersetzung von SQL-Anfragen in interne Operator-Ausdrücke.
Anfrage-Übersetzung erledigt intern: Behandlung von Sichten (Definition wird in Anfrage eingearbeitet), Überwachung von Konsistenzbedingungen (ggf. zusätzliche
Operatoraufrufe), Durchsetzung der Schutzmechanismen (Rechte-Überprüfung bei
Übersetzung der Anfrage). Im Folgenden zunächst Betrachtung der Abbildung von Relationen auf
Satzmengen.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-78
Übersetzung von SQL-Anfragen (1)
Grundsätzliches Problem: SQL ist deklarative Sprache und gibt keinen Algorithmus vor. Intern wird aber ausführbares Programm benötigt.
Prinzipielles Vorgehen zur Umsetzung deklarativ imperativ: Definiere Algebra von Operatoren, die einzelne Algorithmen
kapseln und als Basis-Bausteine eines imperativen Programms dienen.
Imperative Programme sind dann Bäume solcher Operatoren. Ordne jeder Grammatikregel der deklarativen Sprache
Übersetzungsregel zu, die besagt, wie äquivalenter Operatorbaum zu konstruieren ist.
Optimiere aus Übersetzung resultierenden Operatorbaum durch Ausnutzung von Äquivalenz-Beziehungen, die in der Algebra gelten.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-79
Übersetzung von SQL-Anfragen (2)
Konkretes Vorgehen zur Übersetzung von SQL: Als Operator-Algebra dient (zunächst) die relationale Algebra. Da Grammatik von SQL ziemlich komplex ist, werden Ausdrücke
zunächst standardisiert (in bestimmte Standardformen überführt). Für Standardformen erfolgt Übersetzung anhand von Syntaxbaum.
Im folgenden einige Beispiele für einfache Umformungsregeln.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-80
Grundmuster der SQL-Übersetzung
Select-Ausdruck
select A1, A2,..., Anfrom R1, R2,..., Rmwhere B
wird überführt in:
A1, A2,..., An (B (R1 R2 ... Rm)) .
Probleme: B kann geschachtelte Anfragen enthalten. Ri kann ein Tabellenausdruck sein, der von R1, ..., Ri-1 abhängt.
group by und having-Klauseln müssen berücksichtigt werden. A1, A2,..., An können Aggregatfunktionen sein.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-81
Grundmuster der SQL-Übersetzung
Select-Ausdruck
select A1, A2,..., Anfrom R1, R2,..., Rmwhere B
wird überführt in:
A1, A2,..., An (B (R1 R2 ... Rm)) .
Probleme: B kann geschachtelte Anfragen enthalten. Ri kann ein Tabellenausdruck sein, der von R1, ..., Ri-1 abhängt.
group by und having-Klauseln müssen berücksichtigt werden. A1, A2,..., An können Aggregatfunktionen sein.
ignorieren wir mal…
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-82
Einfache Anfragen (2)
Einfache Anfragen können rekursiv in relationale Algebra übersetzt werden: Basistabellen werden durch Referenzen auf die entsprechenden
internen Dateien ersetzt. Eine Folge einfacher Anfragen in einer from-Klausel wird in das
Kartesische Produkt überführt. select-Ausdruck (evt. mit Gruppierung) wird in Kombination aus
Selektions- und Projektionsoperator übersetzt, die auf die übersetzte from-Klausel angewendet werden.
Gruppierung wird dabei als zusätzlicher Operator übersetzt, da in der relationalen Algebra nicht direkt abbildbar.
Relationale Verknüpfung (union, intersect, except, join) einfacher Anfragen wird in entsprechende relationale Operatoren übersetzt.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-83
Übersetzung einfacher Anfragen: Beispiel
Beispiel: Interne Datei FRA_FLÜGE entspricht dem SQL-Ausdruck:select flugNr, nach, abflugszeit, ankunftszeit, ticketNr, datum
from FLUG, BUCHUNG
where von = "FRA"
and FLUG.flugNr = BUCHUNG.flugNr;
Die Anfrage ist bereits einfach und kann geradewegs in den algebraischen Ausdruck
flugNr,nach,abflugszeit,ankunftszeit,ticketNr,datum
(von="FRA" BUCHUNG.flugNr =FLUG.flugNr (BUCHUNG FLUG) )
übersetzt werden.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-84
Anfrageoptimierung (1)
Konkretes Vorgehen nach der Übersetzung von SQL: Erhaltener Operatorbaum wird in algebraischer
Optimierungsphase gemäß Regeln der relationalen Algebra optimiert.
In anschließender nicht-algebraischer Optimierungsphase werden spezifische Operator-Implementierungen ausgewählt und weitere Operatoren wie z.B. Sortierung, Index-Generierung etc. eingefügt.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-85
Algebraische Optimierung (1)
Ziel: Transformation des Operatorbaums in äquivalenten Baum, der effizienter auszuführen ist.
Anwendbare Gesetze der relationalen Algebra (Auszug): Verbindung ist kommutativ und assoziativ. Selektionen und Projektionen können zerlegt und
zusammengefasst werden. Projektion kommutiert mit Selektion, Verbindung und Vereinigung,
solange benötigte Attribute nicht herausprojiziert werden. Selektion kommutiert mit Verbindung, Vereinigung, Differenz und
Gruppierung (solange die Selektionsbedingung sich nur auf die Gruppierungsattribute bezieht).
Kartesisches Produkt gefolgt von Selektion ergibt -Verbindung.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-86
Algebraische Optimierung (2)
Problem bei der Optimierung: Ausführungskosten eines bestimmten Operatorbaums lassen sich nur schwer schätzen.
Benötigt werden u.a. Informationen über: Größe der Ausgangstabellen, Größe der verbleibenden Tabellen nach Selektion oder Projektion, Treffer-Rate bei einer Verbindung, Ausführungskosten von Operationen (hängen stark von Algorithmus
ab, der aber in dieser Optimierungsphase noch nicht betrachtet wird).
Pragmatisches Vorgehen: Verwende „Kochrezepte“, die mit hoher Wahrscheinlichkeit die Größe der Zwischenergebnisse reduzieren.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-87
Algebraische Optimierung (3)
Faustformeln für sinnvolle Transformationen: Führe Selektionen so früh wie möglich durch. Spalte Selektionen, die auf Attribute mehrerer Relationen Bezug
nehmen, in eine Folge von Selektionen auf, die jeweils nur auf Attribute einer Relation Bezug nehmen. (Dann lässt sich nämlich die erste Regel besser anwenden.)
Fasse kartesische Produkte und Selektionen möglichst zu -Verbindungen zusammen.
Führe Projektionen so früh wie möglich (aber nach eventuellen Selektionen) aus.
Füge ggf. zusätzliche Projektionen ein, um nicht mehr benötigte Attribute so früh wie möglich zu entfernen.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-88
Algebraische Optimierung: Beispiel
FLUG
flugNr,nach,abflugszeit,ankunftszeit,ticketNr,datum
von = "FRA" FLUG.flugNr = BUCHUNG.flugNr
BUCHUNG
⋈
von = "FRA"
flugNr, nach, abflugszeit,ankunftszeit
FLUG BUCHUNG
flugNr,ticketNr,datum
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-89
Nicht-algebraische Optimierung
Aufgabe: Auswahl geeigneter Operator-Implementierungen sowie weitere Optimierung des Operatorbaums.
Handlungsmöglichkeiten (Auswahl): Einfügen von Sortierläufen, um Mischverbindung zu ermöglichen, Erzeugen eines temporären Index, um Verbindung mit Direktzugriff
zu ermöglichen, Änderung der Reihenfolge von komplexen Selektionsbedingungen, Änderung der Reihenfolge von Verbindungen,
Wesentliches Entscheidungskriterium: Größe der erzeugten Zwischenergebnisse.
SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-90
Nicht-algebraische Optimierung: Beispiel
FLUG
flugNr,nach,abflugszeit,ankunftszeit,ticketNr,datum
von = "FRA" FLUG.flugNr = BUCHUNG.flugNr
BUCHUNG
von = "FRA"
INDEX(BUCHUNG)
INDEX(FLUG)
flugNr,nach,abflugszeit,ankunftszeit,ticketNr,datum
FLUG BUCHUNG
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SS 2004 B. König-Ries: KuD 6-91
Nicht-algebraische Optimierung: Beispiel
FLUG
flugNr,nach,abflugszeit,ankunftszeit,ticketNr,datum
von = "FRA" FLUG.flugNr = BUCHUNG.flugNr
BUCHUNG
von = "FRA"
flugNr, nach, abflugszeit,ankunftszeit
flugNr flugNr
flugNr, ticketNr,datum
FLUG BUCHUNG
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