PostgreSQL 特性分析 Plan Hint
背景
有一个功能，是社区官方版”永远”不考虑引入的(参见PG TODO，查找”Oracle-style”)，即类似Oracle的Plan Hint。
社区开发者的理念是，引入Hint功能，会掩盖优化器本身的问题，导致缺陷不被暴露出来。
但对于我们的使用者来讲，遇到某些SQL的查询计划不好，性能出了问题，使用了其他方法又不奏效的情况下，首先的目标还是想尽快解决问题，而Hint就可以在这种时候帮助到我们。
可喜的是，通过集成“民间”的 pg_hint_plan 插件（文档），RDS for PG已经支持了Hint功能（RDS for PPAS也是支持的）。
现在我们来研究一下这个插件如何使用，又是如何做到改变优化器优化过程，让优化器听我们“指挥”的。
使用
Plan Hint在RDS for PG里面缺省是没有打开的，可以LOAD命令启用：
postgres=# LOAD 'pg_hint_plan';
LOAD
但注意这只在会话级别有效，重新连接后将失效。如果想要每次连接都自动启用Hint，可以使用下面的命令（注意必须以RDS的根用户执行，否则会遇到权限错误）。这样下次连接时，Hint就默认启用了。
postgres=> alter role all set session_preload_libraries = 'pg_hint_plan';
ALTER ROLE
为了便于说明，我们使用下面的shell脚本来创建2张表：
for i in `seq 2` ; do
psql -c "drop table t${i}"
psql -c "create table t${i}(a int, b int);"
psql -c "insert into t${i} select generate_series(1,1000), random() *1000+1"
psql -c "create index t${i}_i_a on t${i}(a)"
psql -c "create index t${i}_i_b on t${i}(b)"
done
然后在t1上进行查询，不使用和使用Hint的查询计划分别如下：
postgres=> explain select * from t1 where a = 1;
QUERY PLAN
-----------------------------------------------------------------
Index Scan using t1_i_a on t1 (cost=0.28..8.29 rows=1 width=8)
Index Cond: (a = 1)
(2 rows)
postgres=> /*+ SeqScan(t1) */ explain select * from t1 where a = 1;
QUERY PLAN
---------------------------------------------------
Seq Scan on t1 (cost=0.00..17.50 rows=1 width=8)
Filter: (a = 1)
(2 rows)
可以看出，利用Hint后，我们成功强制使用了表扫描。Hint一般以SQL注释的形式，出现在SQL的前面，并以/+开头，以/结尾。注意/*和+之间不能有空格。
Hint的种类
pg_hint_plan插件支持的Hint有很多种，分成如下几类(具体参见pg_hint_plan文档）：
扫描类（Scan Method），指定表的访问路径，举例如下：
--顺序扫描，参数为表名，也可以带模式名
SeqScan(t1)
--索引扫描，参数为表名和索引名，注意两者之间是空格，没有逗号
IndexScan(t1 t1_i_a)
--TID扫描
TidScan(t1)
--禁止顺序扫描
NoSeqScan(t1)
--禁止索引扫描
NoIndexScan(t1)
连接类（Join Method），指定表连接的方法，举例如下：
NestLoop(t1 t2)
MergeJoin(t1 t2)
HashJoin(t1 t2)
连接顺序类（Join Order），指定连接的顺序，举例如下：
--使t3和t1先连接，最后和t2连接
Leading(t2 (t3 t1))
SET类，即改变任意的GUC变量，举例如下：
--改变random_page_cost
Set(random_page_cost 3.0)
ROW类型，改变表的连接结果集的估计大小，举例如下:
--将t1和t2的连接结果的估计大小扩大10倍
Rows(t1 t2 *10)
内核实现
看完了形形色色的Hint，我们会想，这些Hint是怎么改变复杂的优化器逻辑，使其生成我们需要的查询计划的呢？我们从其源码看起（源码可以从这里下载）。
插件主要的代码集中在pg_hint_plan.c里面。
从其中PG_init函数的代码可以看出，它利用了planner_hook（优化器的函数钩子，实际上是全局变量，存放函数地址，可以被插件更改，换成插件自定义函数的地址），用pg_hint_plan_planner取代了原来的优化器逻辑。
这样PG在处理一个SQL时，将调用pg_hint_plan_planner来做优化。
而pg_hint_plan_planner会调用get_hints_from_comment，来读取Hint，并调用create_hintstate进行语法分析。
这里要说明的是，create_hintstate遇到一张表上的多个同类型Hint（包括重复的Hint），只保留最后一个，前面的会忽略。
另外，还有两个函数钩子被利用：get_relation_info_hook 和 join_search_hook。这两个钩子分别被修改指向了pg_hint_plan_get_relation_info和pg_hint_plan_join_search。
前者是在优化器处理基本表（非视图、非函数的表）获取表信息时被调用，调用栈如下：
query_planner -> add_base_rels_to_query -> build_simple_rel -> get_relation_info -> get_relation_info_hook(即pg_hint_plan_get_relation_info)
这个pg_hint_plan_get_relation_info做了什么呢？
仔细看会惊讶的发现，它是用来删除索引的！对，它在优化器获取表的基本信息后被调用，然后其从基本信息删除了那些在Hint中未使用的索引。
例如，t1上有两个索引t1_i_a和t1_i_b，如果指定了IndexScan(t1 t_i_b)这个Hint，那么t1_i_a的索引信息在这里被删除，这样在后续的优化中，就永远不会考虑t1_i_a这个索引了！
再看pg_hint_plan_join_search，其被调用的位置如下：
query_planner -> make_one_rel -> make_rel_from_joinlist ->join_search_hook(即pg_hint_plan_join_search)
可见，它是在为一个SQL语句生成连接结果时被调用，其输入为待连接的表，输出为连接后生成的表及其最优的查询计划。它主要做了两件事：
调用rebuild_scan_path重新生成基本表的访问路径。为什么要重新生成呢？
因为在基本表的访问计划生成阶段，扫描类的Hint并未实际起作用（只是对索引做过删除处理）。
例如，即使指定了IndexScan(t1 t1_i_a)，但外部的GUC变量enable_indexscan被设置为了off，在这里也只会看到一个表扫描（SeqScan）的查询计划。
因此这里需要重新设置好GUC变量（例如如果遇到IndexScan Hint，需要把GUC变量enable_indexscan重置为on），再做一遍访问计划。
由于基本表一般数量较少，访问计划也只需再生成一次，所以此步开销是可接受的；
调用pg_hint_plan_standard_join_search生成连接的计划。这里是应用连接方法和连接顺序Hint的地方。
要想改变连接方法或顺序，需要进一步修改优化器的整个逻辑，但优化器没那么多的预定义钩子可用了，采用函数钩子的方法不可行。于是，插件便“自备”了优化器的主流程代码（其实是从同版本的PG里面拷贝出来的），见插件代码中的core.c和make_join_rel.c两个文件。
里面很多地方是被插件修改过的。其中核心的是修改对add_paths_to_joinrel的调用，使优化器实际调用add_paths_to_joinrel_wrapper。这个函数是用于为输入的两张表（可能是连接生成的中间表），生成一个连接计划。
可以看到add_paths_to_joinrel_wrapper会先去查找有没有对应的Hint，如果有就直接利用，并舍弃掉不符合Hint的连接方法和顺序（这是连接顺序Hint其作用的地方）。
可以看到，此插件的实现并不复杂，它巧妙利用了优化器优化流程中的关键点，来应用Hint，达到固定查询计划的目的。
性能测试
从内核实现可以看出，指定Hint后会带来如下开销：
基本表的访问路径要生成两次；每次连接两个中间表时，要检查是否有对应的Hint；很多地方需要反复更新GUC变量来影响计划生成。
当然，由于直接指定了表的连接方法、顺序等，减少了生成的中间计划，这一点又节省了很多开销。
所以，对使用Hint后的编译时间是否比原来长，不能一概而论。下面我们对Hint造成的编译开销做一下粗略测试。测试用例如下：
\timing
DO $$DECLARE count int;
BEGIN
count := 1;
LOOP
count := count + 1;
begin
EXECUTE 'explain select * from t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8 where t1.a=t2.b and t2.a=t3.b and t3.a=t4.b and t4.a=t5.b and t5.a=t6.b and t6.a=t7.b and t7.a=t8.b';
IF count > 10000 THEN
EXIT;
END IF;
exception when others then
end;
END LOOP;
END$$;
DO $$DECLARE count int;
BEGIN
count := 1;
LOOP
count := count + 1;
begin
EXECUTE '/*+ IndexScan(t1 t1_i_a) IndexScan(t2 t2_i_a) IndexScan(t3 t3_i_a) IndexScan(t4 t4_i_a) IndexScan(t5 t5_i_a) IndexScan(t6 t6_i_a) IndexScan(t7 t7_i_a) IndexScan(t8 t8_i_a) Leading ( t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 ) */ explain select * from t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8 where t1.a=t2.b and t2.a=t3.b and t3.a=t4.b and t4.a=t5.b and t5.a=t6.b and t6.a=t7.b and t7.a=t8.b' ;
IF count > 10000 THEN
EXIT;
END IF;
exception when others then
end;
END LOOP;
END$$;
这里我们使用了8张表，每张表都只有a、b两个int字段。用两个DO语句，每个都执行同一SQL语句10000次。
一个DO语句是不带Hint的，另一个带了较复杂的Hint。测试结果，不带Hint的执行耗时17秒左右，带Hint的14秒左右。即带Hint的反而编译时间更短（注意这里只执行了explain，为真正执行SQL语句）。