数据库的查询执行计划中的公共表达式消除优化技术

描述
公共表达式消除（Common Subexpression Elimination，CSE）是数据库查询优化中的一种技术，旨在识别并消除查询中重复计算的子表达式。当查询包含多个相同的子查询或表达式时，优化器可通过计算一次结果并复用该结果，避免冗余计算，从而提升执行效率。该技术适用于复杂查询（如嵌套子查询、多表连接中的重复过滤条件等）。

解题过程

1. 识别重复子表达式

   • 优化器首先解析查询的抽象语法树（AST），遍历所有表达式（如WHERE子句、JOIN条件、投影列中的计算）。
   • 通过哈希或规范化比对技术，标记结构完全相同且输入参数一致的子表达式。例如，查询中多次出现的(a + b) * c或相同的子查询（如SELECT ... FROM table WHERE x = (SELECT ...)重复出现）。

2. 评估消除的可行性

   • 检查子表达式是否具备确定性（即相同输入始终返回相同结果，不依赖随机函数或时间戳等）。
   • 分析子表达式的计算代价：若计算成本高（如涉及全表扫描的子查询），消除冗余的收益更大。
   • 确认复用是否引入额外开销：例如，物化中间结果可能需要临时存储，需权衡内存使用与计算节省。

3. 重写查询计划

   • 将重复子表达式提取为公共表达式，在执行计划中创建临时结果节点（如"Compute Scalar"或"Materialize"节点）。
   • 修改原计划，让所有依赖该表达式的位置引用临时结果，而非重复计算。例如：
     • 原查询：

       SELECT * FROM t1 WHERE (a + b) > 10  
       UNION  
       SELECT * FROM t2 WHERE (a + b) < 5;  
       

     • 优化后：提取a + b为公共表达式，先计算并缓存结果，再用于两个查询分支。

4. 选择物化策略

   • 内联计算：若表达式计算简单（如算术运算），直接在流水线中计算一次并传递结果。
   • 临时物化：若表达式复杂（如子查询），将结果存入临时表，后续步骤从临时表读取。优化器需根据结果集大小决定使用内存或磁盘存储。

5. 处理依赖与并行化

   • 确保公共表达式的计算在依赖它的所有操作之前执行。
   • 在并行计划中，可能将公共表达式计算分布到多个线程，并同步结果以避免重复工作。

6. 验证优化效果

   • 对比优化前后执行计划的代价估算（如CPU成本、I/O操作次数），确认消除冗余后总体代价降低。
   • 通过实际执行统计信息（如执行时间）验证性能提升。

示例场景
假设查询：

SELECT * FROM orders  
WHERE total_price > (SELECT AVG(price) FROM order_details)  
   AND customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_price > (SELECT AVG(price) FROM order_details));  

• 优化器发现子查询(SELECT AVG(price) FROM order_details)重复出现。
• 将其提取为公共表达式，计算一次平均值并缓存，后续条件直接引用缓存值，避免两次全表扫描order_details。

通过以上步骤，公共表达式消除技术有效减少冗余计算，尤其对包含复杂子查询的OLAP场景性能提升显著。