[SQLD] #029 SQL 최적화 기본원리 - 옵티마이저와 실행계획

목차

1. 옵티마이저

2. 실행 계획

3. SQL 처리 흐름도

 

 

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1. 옵티마이저

옵티마이저는 사용자가 질의한 SQL 문에 대해 최적의 실행 방법을 결정하는 역할을 수행한다. 이러한 최적의 실행 방법을 실행 계획(Execution Plan) 이라고 한다. 관계형 데이터베이스는 궁극적으로 SQL문을 통해서만 데이터를 처리할 수 있다. 

따라서 사용자의 요구사항을 만족하는 결과를 추출할 수 있는 다양한 실행 방법이 존재할 수 있다. 다양한 실행방법들 중에서 최적의 실행 방법을 결정하는 것이 옵티마이저의 역할이다. 관계형 데이터베이스는 옵티마이저가 결정한 실행 방법대로 실행 엔진이 데이터를 처리하여 결과 데이터를 사용자에게 전달하는 역할만 한다. 

옵티마이저는 최적의 실행 방법을 결정하는 방식에 따라 아래 그림처럼 '규칙 기반 옵티마이저'와 '비용 기반 옵티마이저'로 구분할 수 있다. 

 

 

현재 대부분의 관계형 데이터베이스는 비용기반 옵티마이저만을 제공한다. 

 

 

 

 

 

 

 

1. 규칙 기반 옵티마이저

규칙 기반 옵티마이저는 규칙(우선 순위)를 가지고 실행 계획을 생성한다. 규칙 기반 옵티마이저가 실행계획을 생성할 때 참조하는 정보에는 SQL문을 실행하기 위해서 이용 가능한 인덱스 유무와 종류, SQL 문에서 사용하는 연산자 종류, 그리고 SQL 문에서 참조하는 객체(힙 테이블, 클러스터 테이블 등)의 종류 등이 있다. 

결과적으로 규칙 기반 옵티마이저는 우선 순위가 높은 규칙이 적은 일량으로 해당 작업을 수행하는 방법이라고 판단하는 것이다. 

아래 그림은 Oracle의 규칙 기반 옵티마이저의 15가지 규칙이다. 

이 중에서 주요한 규칙들은 다음과 같다. 

 

규칙 1. Single row by rowid : ROWID를 통해서 테이블에서 하나의 행을 엑세스 하는 방식이다. ROWID는 행이 포함된 데이터 파일, 블록 등의 정보를 가지고 있기 때문에 다른 정보를 참조하지 않고도 바로 원하는 행에 액세스할 수 있다. 하나의 행을 엑세스하는 가장 빠른 방법이다. 

 

규칙 4. Single row by unique or primary key : 유일 인덱스(Unique index)를 통해서 하나의 행에 엑세스하는 방식이다. 이 방식은 인덱스를 먼저 액세스하고 인덱스에 존재하는 ROWID를 추출하여 테이블의 행을 엑세스한다. 

 

규칙 8. Composite Index : 복합 인덱스에 "=" 연산자 조건으로 검색하는 경우이다. 예를 들면 만약 A+B 칼럼으로 복합 인덱스가 생성되어있고, 조건절에서 WHERE A=10 AND B=1 형태로 검색하는 방식이다. 

인덱스 구성 칼럼의 개수가 더 많고, 해당 인덱스의 모든 구성 칼럼에 대해 "="로 값이 주어질 수록 우선순위가 더 높다. 예를 들면 (A+B) 와 (A+B+C) 중에서 A, B, C 모두에 대해 "="로 값이 주어진다면 (A+B+C)의 우선순위가 더 높고, A, B 칼럼에 대해서만 "="로 주어진다면 (A+B)의 우선순위가 더 높다. 

 

규칙 9. Single column index : 단일 칼럼 인덱스에 "=" 조건으로 검색하는 경우이다. 

 

규칙 10. Bounded range search on indexed columns : 인덱스가 생성되어있는 칼럼에 양쪽 범위를 한정하는 형태로 검색하는 방식이다. 이런 연산자에는 BETWEEN, LIKE 등이 있다. 

 

규칙 11. Unbounded range search on indexed columns : 인덱스가 생성되어 있는 칼럼에 한쪽 범위만 한정하는 형태로 검색하는 방식이다. 이런 연산자에는 >, >=, <, <= 등이 있다. 

 

규칙 15. Full table scan : 전체 테이블을 액세스하면서 조건절에 주어진 조건을 만족하는 행만 결과로 추출한다. 

 

 

 

 

규칙기반 옵티마이저는 인덱스를 이용한 엑세스 방식이 전체 테이블 액세스 방식보다 우선 순위가 높기 때문에 전체 테이블보다는 인덱스를 사용하는 실행 계획을 세운다. 

규칙기반 옵티마이저의 조인 기법의 선택은 다음과 같다. 양쪽 조인 칼럼에 모두 인덱스가 없는 경우에는 Sort Merge Join을 사용하고, 둘 중 하나라도 조인 칼럼에 인덱스가 존재한다면 일반적으로 NL Join을 사용한다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 비용기반 옵티마이저

규칙 기반 옵티마이저는 조건절에서 "=" 연산자와 "BETWEEN" 연산자가 사용되면 규칙에 따라 "=" 칼럼의 인덱스를 사용하는 것이 보다 적은 처리 범위로 작업할 것이라 판단한다. 그러나 실제로는 그렇지 않을 수도 있다. 

비용 기반 옵티마이저는 이런 규칙 기반 옵티마이저의 단점을 극복하기 위해 출현하였다. 비용 기반 옵티마이저는 SQL문을 처리하는데 필요한 비용이 가장 적은 실행계획을 선택하는 방식이다. (여기서 비용이란 SQL 문을 처리하기 위해 예상되는 소요 시간이나 자원 사용량 등이다.)

 

비용 기반 옵티마이저는 다양한 객체 통계 정보(테이블, 인덱스, 칼럼 등)를 이용하기 때문에 정확한 통계 정보를 유지하는 것은 비용기반 최적화에서 중요하다. 

- 질의 변환기 : 사용자가 작성한 SQL 문을 처리하기에 보다 용이한 형태로 변환하는 모듈

- 대안 계획 생성기 : 동일한 결과를 생성하는 다양한 대안 계획을 생성하는 모듈

- 대안 계획은 연산의 적용 순서 변경, 연산 방법 변경, 조인 순서 변경 등을 통해 생성된다. 

 

 

비용기반 옵티마이저는 인덱스를 사용하는 비용이 전체 테이블 스캔 비용보다 크다고 판단하면 전체 테이블 스캔을 수행하는 방법으로 실행 계획을 생성한다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 실행 계획

실행 계획(Execution Plan) : SQL에서 요구한 사항을 처리하기 위한 절차와 방법

 

동일한 SQL에 대해 처리하는 각 처리 방법마다 실행 시간은 다를 수 있기 때문에 옵티마이저는 그 중에서 가장 효율적인 방법을 찾아준다. Oracle의 실행 계획 형태는 아래 그림과 같다. 

 

 

실행 계획을 구성하는 요소에는 조인 순서, 조인 기법, 액세스 기법, 최적화 정보, 연산 등이 있다. 

 

- 조인 순서 : 조인 작업을 수행할 때 참조하는 테이블의 순서

- 조인 기법 : 두 개의 테이블을 조인할 때 사용할 수 있는 방법으로써, 여기에는 NL Join, Hash Join, Sort Merge Join 등이 있다. 위 그림에서는 NL Join을 사용하고 있다. 

- 액세스 기법 : 하나의 테이블에 액세스할 때 사용할 수 있는 방법이다. 여기에는 인덱스를 이용하여 테이블에 액세스하는 인덱스 스캔과 테이블 전체를 모두 읽으면서 조건을 만족하는 행을 찾는 전체 테이블 스캔 등이 있다. 위 그림에서는 인덱스 스캔을 사용하고 있다. 

- 최적화 정보 : 옵티마이저가 실행계획의 각 단계마다 예상되는 비용 사항을 표시한 것

- 연산 : 여러 가지 조작을 통해서 원하는 결과를 얻어내는 일련의 작업이다. 여기엔 조인 기법, 액세스 기법, 필터, 정렬, 집계, 뷰 등 다양한 종류가 존재한다. 예를 들어 SQL 에서 정렬을 목적으로 ORDER BY 를 수행했다면 정렬 연산이 표시된다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. SQL 처리 흐름도

SQL 처리 흐름도(Access Flow Diagram) : SQL의 내부적인 처리 절차를 시각적으로 표현한 도표이다. 즉, 실행계획을 시각화 한 것이다.

아래 그림과 같이 액세스 처리 흐름도에는 SQL 문의 처리를 위해 어떤 테이블을 먼저 읽었는지(조인 순서), 테이블을 읽기 위해 인덱스 스캔이나 테이블 스캔 중 어떤 것을 수행했는지(액세스 기법), 조인 기법등을 표현할 수 있다. 

- 조인 순서 : TAB1 -> TAB2이다. 여기서 TAB1을 Outer Table 또는 Driving Table 이라고 하고, TAB2를 Inner Table 또는 Lookup Table 이라고 한다. 

- 액세스 방법 : TAB1은 테이블 전체 스캔을, TAB2는 101_TAB2 라는 인덱스를 통한 인덱스 스캔을 했다. 

- 조인 방법 : NL JOIN 

- TAB1 에 대한 액세스는 스캔 방식이고, 조인 시도 및 101_TAB2 인덱스를 통한 TAB2 액세스는 랜덤 방식이다. 대량의 데이터를 랜덤 방식으로 액세스하게 되면 많은 I/O가 발생하여 성능상 좋지 않다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

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출처
이 글의 내용은 모두 한국데이터베이스진흥원이 출판한 SQL 전문가 가이드 2013 Edition을 기본으로 한다.