SELECT TOP 1 比不加TOP 1 慢的原因分析以及SELECT TOP 1语句执行计划预估原理

本文出处：http://www.cnblogs.com/wy123/p/6082338.html

　　现实中遇到过到这么一种情况：
　　在某些特殊场景下:进行查询的时候，加了TOP 1比不加TOP 1要慢（而且是慢很多）的情况，
　　也就是说对于符合条件的某种的数据，查询1条（符合该条件）数据比查询所有（符合该条件）数据慢的情况，
　　这种情况往往只有在某些特殊条件下会出现，那么，就有两个问题：为什么加了TOP 1 会比不加TOP 1慢？这种“特殊条件”是什么条件？
　　本文将对此情况进行演示和原理分析，以及针对此种情况采用什么方法来解决。

按照一贯风格，先造一个测试环境：1000W+的数据
数据的特点为：
1，表中有一个状态列BusinessStatus ，这个列的分布为1,2,3,4,5
2，表中有一个 业务ID列BusinessId ， BusinessId列是呈递增趋势

CREATE TABLE TestTOP
(
    Id                INT IDENTITY(1,1) primary key,
    BusinessColumn    VARCHAR(50),
    BusinessId        INT,
    BusinessStatus    TINYINT,
    CreateDate        DATETIME
)
GO

--5年的时间，一分钟六条数据的数据频率
DECLARE @i int = 0
WHILE @i<24*60*365*5
BEGIN
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,RAND()*5+1, DATEADD(SS,@i,DATEADD(YEAR,-5,GETDATE())))
    SET @i=@i+1
END

另外，在此表中查询一小部分BusinessStatus=0的分布较少的数据，且分布在最大的BusinessId上，这里暂定为5000行，利用如下脚本生成　

DECLARE @i int = 15768000
WHILE @i<15768000+5000
BEGIN
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,0, DATEADD(SS,@i,GETDATE()))
    SET @i=@i+1
END

　　

　　现在这个测试环境已经搭建完成，现在创建两个非聚集索引，一个是在BusinessStatus上，一个是在BusinessId

CREATE INDEX idx_BusinessStatus ON TestTOP(BusinessStatus)

CREATE INDEX idx_BusinessId on TestTOP(BusinessId)

下面开始测试：

　　说明：1，以下测试，不用考虑缓存之类的因素，本机测试，内存也足够大，全部缓存这么点数据还是够的。也暂不分析IO具体值，粗看执行时间已经很明显了
　　　　　2，读者要对SQL Server索引结构，统计信息，执行计划，执行计划预估等知识有一定的认识，否则很多理论上的东西就看的云里雾里
　　　　　3，本文测试数据库为SQL Server 2012，SQL Server每个版本的预估算法可能都不一样，具体环境具体分析

SELECT TOP 1 比不加 TOP 1慢

　　1，首先执行TOP 1 *的查询，耗时13秒

　　

　　2，然后执行不加TOP 1 *的查询，也即SELECT * ，如下，耗时0秒（当然不是0秒，意思是很快就可以完成这个查询）

　　　　

　　3，上面两个查询就可以重现第一个问题了，也就是说在当前这种查询条件下，TOP 1要比不加TOP 1慢很多　　

　　　　分析两者的执行计划：

　　　　首先看加了 TOP 1 的执行计划：可以看到走的是idx_BusinessId的索引扫描

　　　　

　　　　接着看不加TOP 1 的执行计划：可以看到走的是idx_BusinessStatus这个索引的索引查找

　　　　

　　　   原因分析：

　　　　那么为什么加了TOP 1就走BusinessId列上的索引扫描，不加TOP 1就走BusinessStatus上的索引扫描？
　　　　因为在加了TOP 1之后，只要求返回一条数据，
　　　　优化器认为（应该说是误认为）可以很快找到符合条件的那条记录，采用了idx_BusinessId列上的索引扫描
　　　　由于数据的分布可知，符合BusinessStatus=0的BusinessId，是分布在BusinessId值最大的一小部分数据中，而BusinessId又是递增的，
　　　　也就是说复合条件的数据是集中分布在idx_BusinessId索引树的一个很小的特定区域，
　　　　采用的是与idx_BusinessId顺序一致的（ForWard顺序）索引扫描，有数据分布特点可知，一开始找到的绝大多数的BusinessId，都不是符合BusinessStatus=0的
　　　　以至于几乎要扫描整个idx_BusinessId索引树才能找到符合BusinessStatus=0条件的数据，因此效率就会很低
　　　　反观不加TOP 1的时候，因为是要找所有符合BusinessStatus=0的数据，优化器就索引采取了idx_BusinessStatus索引查找的方式，至此，原因大概是这样的。

问题到这里才刚刚开始

　　　　如果说上述推断不足以说明问题，那么我们继续看在加了TOP 1的时候，执行计划是怎么预估的？

　　　　继续观察加了TOP 1的时候的预估，发现此时走idx_BusinessId的索引扫描，预估行数为3154.6行，这个数字是怎么得到的？

　　　　

　

　　　　现在观察idx_BusinessStatus列上的统计信息，统计信息是100%取样的，先不考虑统计信息不准确的问题
　　　　因为在加了TOP 1的时候，优化器认为符合条件的数据是平均分布在整个表中的，
　　　　也就是说BusinessStatus=0的5000行数据是平均分布在15773000行数据中，查询条件又要求按照BusinessId正向排序，
　　　　那么干脆走BusinessId列上的索引扫描，（误以为）平均找15773000/5000 行数据，就可以找到一条（TOP 1）符合条件的数据

　　　　

　　　 实际上是不是这样子呢？用总行数处于BusinessStatus=0的行数，与预估的值比较，都是3154.6呢？那么上面的推断也就是成立的

　　　　

　　　　这里查询加了TOP 1比不加TOP 1慢的根本原因就是如下：
　　　   事实情况下是复合条件的数据分布是不均匀的，而优化器误以为符合条件的数据分布（在整张表中）是均匀的，
　　　　正是因为有了这么一个矛盾，所以在加了TOP 1 的时候，优化器采用非最优化的方式造成的。

继续测试 TOP N　　　　

　　　　 为了证明上述推断，关于TOP的预估，我再补充一个小例子，希望各位看官能明白

　　　　当符合条件的数据（BusinessStatus=0）为15000行的时候，我们看看TOP 1与TOP 2，以及继续增加TOP N的值得预估的行数，就大概明白了

DECLARE @i int = 15768000
WHILE @i<15768000+15000
BEGIN
    INSERT INTO TestTOP VALUES (NEWID(),@i,0, DATEADD(SS,@i,GETDATE()))
    SET @i=@i+1
END

TOP 1 的预估1052.2 = 1 * RowCount/15000

　　　　TOP 2的预估行数 2014.4 = 2 * RowCount/15000

　　　　

　　　 TOP 14 的预估行数 2014.4 = 14 * RowCount/15000

　　　 

　　　 为什么TOP 15开始峰回路转，执行计划也变成index seek了，打破 N * RowCount/15000这个规律？？请自行思考

　　　 优化器会根据预估返回行数，因为TOP 15的时候，预估行数 =15 * RowCount/15000 =15783.0 >15000 ，

　　　 优化器会回头选择一种他自己的预估方式较低的方式执行，选择一个它认为代价较小（预估行数较小）的执行方式.也即idx_BusinessStatus索引的Index Seek

　 

什么情况下才会发生TOP 1要比不加TOP 1慢（或者慢很多）

　　　　事实上，类似结构的数据分布，并非所有的情况下都会出现TOP 1比不加TOP 1慢的情况
　　　　那么什么时候TOP 1 可以选择正确的执行计划，而非采用低效的执行计划（排序列上的索引扫描）？
　　　　当然是跟符合条件的数据BusinessStatus=0的数据行数有关，只有符合条件的数据（BusinessStatus=0）达到一定数量之后才会发生（TOP 1比不加TOP 1慢）
　　　　上面说了，优化器误以为符合条件的数据（BusinessStatus=0）分布是均匀的，采用了排序列上的索引扫描的执行方式，
　　　　即便是优化器误以为符合条件的数据（BusinessStatus=0）分布是均匀的，
　　　　采用一开始的预估算法（平均分布：总行数/符合条件的数据行数）得到一个值，与符合条件的数据的行数本身对比，如果前者较大，就不会采用排序列上的索引扫描
　　　　

　　　　这里太拗口了也很难表达清楚，直接上例子吧。
　　　　首先我改变符合条件（BusinessStatus=0）的数据的行数,让复合条件的数据变的少一些，
　　　　这里删除原来的BusinessStatus=0的5000行数据，插入符合条件的数据为1000行，然后重建索引，试试看TOP 1 的效果

　　　　 

　　　　（插入之后注意重建一下BusinessStatus上的索引，得到最准确的统计信息）

　　　　此时再看SELECT TOP 1的查询方式，不会走排序列上的索引扫描了，走了查询条件列（idx_BusinessStatus）的索引查找，效率也上来了。

　　　　

　　　　事实上我这里说了这么多，一直在想引出一个问题，那么符合条件（BusinessStatus=0）这个数据分布多少，SELECT TOP 1不会引起问题（比不加TOP 1慢）？
　　　　根据上述推论，这个值是动态的，大概如下：
　　　　假如：X=总行数/符合条件数据行数，Y = 符合条件数据行数
　　　　在统计信息完全准确的请下
　　　　如果X>Y,也即：总行数/符合条件数据行数>符合条件数据行数，则会导致在SELECT TOP 1的时候使用排序列的索引扫描替代查询列的索引查找。
　　　　那么这个阈值是多少？按照这种算法推论，理论上讲，就是符合条件的数据的行数等于总行数的平方根，数学推到也很简单，事实上下面也测试了。

　　　　

　　　　这个阈值在理论上是：3970行左右，

　　　　

　　　　那么插入符合条件的数据为3900的时候（小于阈值，也即小于总行数的平方根），SELECT TOP 1是可以走索引的，如下两个截图

　　　　 

　　　　

　　　　 修改符合条件（BusinessStatus=0）的数据分布
　　　　 而符合条件的数据大于阈值（大于阈值，也即大于总行数的平方根，）的时候，SELECT TOP 1 就开始走排序列的索引扫描，效率开始变慢

　　　    　　

　　　　

　　　　事实上导致SELECT TOP 1执行计划发生变化的这个阈值，具体的数值可以弄得更加精确，可以做到大于总行数的平方根一行，或者小于总行数的平方根一行。
　　　　但实际上测试发现，这个误差在三行左右，也就是说阈值具体的值为总行数的平方根加减三条：POWER(TableRowCount,0.5)±3左右。

　　　　当然也不是说“SELECT TOP 1的时候使用排序列的索引扫描替代查询列的索引查找”永远是低效的，
　　　　想象一下，整个表中绝大多数数据是复合条件的（BusinessStatus=0）的条件下，SELECT TOP 1可以很快地找到符合条件的一条数据
　　　  只是说，在某个阈值区间内，SQL Server查询引擎在生成执行计划的时候有一个盲区，此时查询引擎无法做出最明智的决定。

　　　　实际条件是千变万化的，规律是可寻的，不能认死了规律而不考虑实际情况。

如何解决SELECT TOP 1比不加TOP 1慢的情况：

　　　　上文中说了，查询加了TOP 1比不加TOP 1慢的根本原因就是如下：
　　　   事实情况下是复合条件的数据分布是不均匀的，而优化器误以为符合条件的数据分布（在整张表中）是均匀的，
　　　　正是因为有了这么一个矛盾，所以在加了TOP 1 的时候，优化器采用非最优化的方式造成的。

　　　　

　　　　此时复合条件（BusinessStatus=0）为一开始的5000行，大于上述阈值
　　　   如果此时将查询条件列和排序列做成一个复合索引，就可以避免这种情况，
　　　　目的是走这个索引之后，找到的第一条复合条件的数据一定是拍序列上最小的，并且不会因为找多而再次排序浪费CPU时间
　　　　比如 create index ix_indexName on TableName(查询字段列，排序字段列)，且复合索引的顺序不能改变，自己结合B树索引的结构想清楚为什么
　　　　具体原因，就不多说了，非要说的话，合理的索引就是让优化器更加清楚地弄清楚数据分布，可以做出更加明智的选择。

　　　　另外可以针对具体情况做filter索引，使得索引更加精确

　　　　

　　　　

　　　　当然也有其他办法，比如强制索引等，但是一旦加了强制索引就屏蔽掉优化器的作用了，如果没办法保证索引实在任何时候都是比较高效的情况下，不建议加强制索引。

总结：

　　　　本文分析了在某些特定的场景下，重现了SELCET TOP 1比不加TOP 1慢的场景，导致的原因分析以及解决办法。
　　　　事实上为了简明期间，还有非常多有意思的问题尚未展开，怕是写的越多，本文的主题就凸显不出来，有机会再对此尚未展开的问题继续进行分析。
　　　　补充一点：事实上真要是测试的话，任何一点点小小的改变，
　　　　比如查询语句中BusinessId排序改为DESC，甚至没有BusinessId上的索引，或者聚集索引建立在其他列上
　　　　都可以避免TOP 1比不加TOP 1慢的问题，这里的目的是为了重现TOP 1比不加TOP 1慢的现象条件和原因，以及不改变外因的情况下如何解决这一问题
　　　　谢谢。