offset新探索：双管齐下，加速大数据量查询
众所周知，在各类业务中时常会用到LIMIT y offset x来做跳过x条数据读取Y条数据的操作。例如：SELECT * FROM ... LIMIT 1000 OFFSET 1000000; 表示从第1000001条数据开始查，读取1000条数据。随着offset的增加，查询的时长也会越来越长。当offset达到百万级别的时候查询时长有可能秒级，这是业务所不能容忍的。
那么如何来提升offset在大数据量查询时的性能、缩短执行时间呢？我们的答案是：
- offset Pushdown( offset下推，下文简称OP)
- Redundant Condition Removal (冗余条件删除，下文简称 RCR)
这是华为云GaussDB for MySQL推出的两个新特性，通过OP和RCR的结合，将大数据量查询的性能提升一到两个数量级。下面我们分别介绍这两个特性的基本原理、如何启用、执行验证、以及通过严密测试来验证其带来的性能提升。
Offset Pushdown -- OP
OP赋予MySQL存储引擎InnoDB处理offset 的能力。当OP启用时，在SQL层评估offset 是否可以下推并将下推信息传递给存储引擎。SQL层不再对存储引擎返回的行进行offset 处理，取而代之的是存储引擎层直接跳过offset 范围内的行，仅返回后续行，即查询所需要的行。
通过启用OP，offset 范围内的行不会再传输到SQL层，从而节省了存储引擎和SQL层之间多次来回交互时间；其次，对非覆盖索引扫描（non-covering index，即查询访问二级索引之后，还必须访问基表），直接跳过offset 范围内的行可以节省对这些行回表访问的开销。这种对offset 的提前处理可以节省数据处理时间，特别是当offset 非常大时。OP的适用性取决于WHERE子句是否可以由存储引擎整体处理。
下方图1和2分别说明了在没有OP和启用OP时LIMIT offset的处理逻辑。
图1无OP的极限偏移逻辑
图2启用OP的LIMIT offset 逻辑
Redundant Condition Removal – RCR
RCR的思路也比较简单：当进行索引范围扫描时，SQL 层对存储引擎返回的行执行冗余检查，因为它不知道存储引擎已经执行了这些检查，而RCR 就是让 SQL 层了解这点。为了使 OP 成为可能，除了要求WHERE条件能够被存储引擎独立且完整的评估，SQL 层还必须了解这点从而避免冗余检查。
OP功能的实现方式与索引条件下推 (Index Condition Pushdown，ICP) 类似。对于某些查询，ICP 通过将整个 WHERE 子句下推到存储引擎来启用 OP。而RCR在 ICP 执行之前会评估条件是否冗余，并且移除冗余条件，确保了ICP不会处理冗余的条件检查。RCR很好地补充了OP特性的适用范围，允许更多查询使用 OP。
请注意：OP的启用需要满足三个主要条件：
- SQL语句包含offset
- WHERE子句完全由InnoDB处理
- SQL语句只涉及一张表
另外，
- 查询中使用的表必须是InnoDB表
- 不使用HAVING, aggregations, GROUP BY, SELECT DISTINCT, ROLLUP, Window functions以及文件排序
- 不支持涉及多个分区的分区表查询，只涉及单个分区的可以
RCR适用于索引范围扫描，如果WHERE子句中出现了一个或者多个条件，而这些条件涉及到的字段在对应使用的索引上是被连续定义的，这些条件的冗余检查就都会被移除。
如何启用OP？
方法一：使用特定的optimizer switch: offset _PUSHDOWN
set optimizer_switch='OFFSET_PUSHDOWN=[on]/[off]';
默认为打开。
方法二：使用特定的优化器hint：[NO]_OFFSET_PUSHDOWN()
SELECT /*+ [NO]_OFFSET_PUSHDOWN() */ FROM TABLE LIMIT n OFFSET p;
请注意，hint优先级高于optimizer switch的设置。
我们基于下方创建的t1表，来举例说明如何使用OP：
CREATE TABLE t1 (a int, b int, INDEX (b));
示例一：表扫描
explain format=tree select * from t1 limit 100 offset 1;
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown (cost=0.65 rows=4)
-> Table scan on t1 (cost=0.65 rows=4)
|
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
示例二：二级索引上的索引范围扫描
explain format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown (cost=1.61 rows=3)
-> Index range scan on t1 using b (cost=1.61 rows=3)
|
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
如何启用RCR ?
通过系统变量rds_empty_redundant_check_in_range_scan设置，如下：
set rds_empty_redundant_check_in_range_scan=[true]/[false];
默认为true。
我们通过一个示例来说明：
创建t0表：
CREATE TABLE t0 (a int, b int, INDEX (a,b));
不启用RCR：
explain format=tree select * from t0 where a<100 and a>20 LIMIT 1 OFFSET 100;
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 1/100 row(s) (cost=0.46 rows=1)
-> Filter: ((t0.a < 100) and (t0.a > 20)) (cost=0.46 rows=1)
-> Index range scan on t0 using a (cost=0.46 rows=1)
|
+---------------------------
可以看出：列a上的范围条件会被InnoDB默认检查，但SQL层将再次检查InnoDB返回的行是否匹配列a的范围条件。在这种情况下，无法使用OP，因为SQL层不知道存储引擎实际上处理了整个WHERE子句。
启用RCR：设定rds_empty_redundant_check_in_range_scan = true;
explain format=tree select * from t0 where a<100 and a>20 LIMIT 1 OFFSET 100;
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 1/100 row(s), with offset pushdown (cost=0.46 rows=1)
-> Index range scan on t0 using a (cost=0.46 rows=1)
|
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
可以看出：启用RCR，删除SQL层对列A的范围条件的冗余检查后，启用OP。
简化ICP：
创建表t1：
create table t1(a int, b int, INDEX(b));
不启用RCR：
explain format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown (cost=1.61 rows=3)
-> Index range scan on t1 using b, with index condition: (t1.b > 2) (cost=1.61 rows=3)
|
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
可以看出：使用了ICP后，OP也被启用了
启用RCR：
explain format=tree select a,b from t1 where b>2 limit 100 offset 1;
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| EXPLAIN |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| -> Limit/Offset: 100/1 row(s), with offset pushdown (cost=1.61 rows=3)
-> Index range scan on t1 using b (cost=1.61 rows=3)
|
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
以上示例说明：ICP不是必要的。通过评估是否应使用ICP之前移除冗余条件，就可以避免使用ICP。
性能验证：
下面我们通过实际测试来验证OP所带来的性能提升。在测试中，我们重点关注：
- 覆盖/非覆盖索引考虑一个非覆盖索引，不使用OP，InnoDB必须从基表读取行，然后才能将它们返回到SQL层。使用OP后，就可以跳过行，而不必从基表读取。因此，OP在非覆盖索引上可以提供更好的性能。
- 热/冷缓冲池我们希望通过热缓冲池全面提高性能，但我们也希望OP在热缓冲池上相对更高效，原因如下：
基于一个冷缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定为不使用OP的计算时间（）和使用OP的计算时间()的比值：
比值
预计将大于1，因为使用OP将获得性能提升。基于一个热缓冲池并且查询使用覆盖索引扫描的场景，设定
是不使用OP的计算时间(
和使用OP的计算时间（
的比值：
其中
表示从磁盘读取索引所需的时间，可以合理地假设，在使用OP和不使用OP的情况下，
都是相同的。因为不论是否使用OP，都必须从左到右遍历索引，无法在使用OP的情况下，利用B-tree结构索引的优势直接跳转到offset 范围的结束点。那么，这两个比值的差值可以表述为：
因此，我们预计OP在热缓冲池将更有效。
- 缓冲池大小
对于覆盖索引查询，可以假定索引数据都在缓冲池中，因此，缓冲池的大小对性能不会产生太大影响。然而，对于非覆盖索引的查询，情况会大不相同。在不使用OP时，缓冲池能缓存表数据的比例确实会对查询的性能产生有利的影响。
基于以上三个关注点以及预判，我们在一个包含200万行数据的测试表中，分别测试覆盖/非覆盖索引、冷/热缓冲池、不同缓冲池大小下条件下，通过OP带来的性能表现。
测试语句：
覆盖索引查询：
CREATE TABLE data (id int, value int, INDEX (id,value));
SELECT * FROM data LIMIT 1 OFFSET p;
非覆盖索引查询：
CREATE TABLE data_non_covering(id INT, value INT, INDEX (value));
INSERT INTO data_non_covering SELECT * FROM data;
SELECT * FROM data_non_covering WHERE value>2 LIMIT 1 OFFSET p;
为了过滤干扰，计算时间是取9次运行结果的中位数。
通过以上测试结果可以看出：
热缓冲池，并将其大小设为128MB
- 使用覆盖索引，OP可以将查询性能提升3 – 12倍；
- 使用非覆盖索引，OP可以将查询性能提升 48 – 128倍
冷缓冲池，并将其大小设定为128MB：
- 使用覆盖索引，OP可以将性能提升 40% - 8倍；
- 使用非覆盖索引，OP可以将性能提升2 - 148 倍
综上，在所有测试中，使用OP能提升查询性能。不论是冷缓冲池还是热缓冲池，启用OP后，非覆盖索引扫描可以比覆盖索引扫描获得10倍以上的性能提升。此外，正如我们所预计，在热缓冲池上启用OP获得了更大的性能提升。
对于大的OFFSET，使用OP可将性能提高一两个数量级，而RCR可扩大了OP的适用范围。正如上述测试所证明，使用OP所带来的性能提升主要受下面两个因素的影响：
- OP可以在存储引擎层跳过offset 行，而不必将它们返回到SQL层，这将导致计算时间的显著降低。
- OP可以跳过offset 行，而不必从基表读取它们，从而获得性能提升。
而OP和RCR的联合使用，进一步扩大了OP的使用范围，可以为更多的Limit/offset查询带来性能提升，尤其是对大的offset操作。
在后续的研究中，我们将会评估OP与NDP（Near Data Processing, 近数据处理）的兼容性以及潜在的性能改进。
本文作者
吕漫漪
为瑞典研究所数据库Lab首席科学家，云数据库欧洲研发团队的负责人。在数据库领域有20多年经验，曾经参与开发电信行业分布式高可用数据库，在国际知名软件公司深耕了十年MySQL技术。2020年加入华为，立志于打造世界顶端的企业级云数据库。
Maxime Conjard
华为云数据库工程师，就职于华为云数据库欧洲研发团队。Max毕业于挪威科技大学（NTNU），获得统计学硕士和博士学位；在此之前，他在法国马赛中央学院获得工程硕士学位。