这个 SQLite 查询可以更快吗？
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【中文标题】这个 SQLite 查询可以更快吗？【英文标题】：Can this SQLite query be made much faster? 【发布时间】：2016-04-23 03:16:14 【问题描述】：我有一个表示安全摄像头 NVR 元数据的数据库。每 1 分钟的视频片段有一个 26 字节的 recording 行。 （如果你很好奇，设计文档正在进行中here。）我的设计限制是 8 台摄像机，1 年（约 400 万行，每台摄像机 50 万）。我伪造了一些数据来测试性能。这个查询比我预期的要慢：
select
recording.start_time_90k,
recording.duration_90k,
recording.video_samples,
recording.sample_file_bytes,
recording.video_sample_entry_id
from
recording
where
camera_id = ?
order by
recording.start_time_90k;
这只是扫描相机的所有数据，使用索引过滤掉其他相机并排序。索引如下所示：
create index recording_camera_start on recording (camera_id, start_time_90k);
explain query plan 看起来和预期的一样：
0|0|0|SEARCH TABLE recording USING INDEX recording_camera_start (camera_id=?)
这些行非常小。
$ sqlite3_analyzer duplicated.db
...
*** Table RECORDING w/o any indices *******************************************
Percentage of total database...................... 66.3%
Number of entries................................. 4225560
Bytes of storage consumed......................... 143418368
Bytes of payload.................................. 109333605 76.2%
B-tree depth...................................... 4
Average payload per entry......................... 25.87
Average unused bytes per entry.................... 0.99
Average fanout.................................... 94.00
Non-sequential pages.............................. 1 0.0%
Maximum payload per entry......................... 26
Entries that use overflow......................... 0 0.0%
Index pages used.................................. 1488
Primary pages used................................ 138569
Overflow pages used............................... 0
Total pages used.................................. 140057
Unused bytes on index pages....................... 188317 12.4%
Unused bytes on primary pages..................... 3987216 2.8%
Unused bytes on overflow pages.................... 0
Unused bytes on all pages......................... 4175533 2.9%
*** Index RECORDING_CAMERA_START of table RECORDING ***************************
Percentage of total database...................... 33.7%
Number of entries................................. 4155718
Bytes of storage consumed......................... 73003008
Bytes of payload.................................. 58596767 80.3%
B-tree depth...................................... 4
Average payload per entry......................... 14.10
Average unused bytes per entry.................... 0.21
Average fanout.................................... 49.00
Non-sequential pages.............................. 1 0.001%
Maximum payload per entry......................... 14
Entries that use overflow......................... 0 0.0%
Index pages used.................................. 1449
Primary pages used................................ 69843
Overflow pages used............................... 0
Total pages used.................................. 71292
Unused bytes on index pages....................... 8463 0.57%
Unused bytes on primary pages..................... 865598 1.2%
Unused bytes on overflow pages.................... 0
Unused bytes on all pages......................... 874061 1.2%
...
我希望每次点击特定网页时都运行这样的程序（一次可能只有一个月，而不是一整年），所以我希望它非常快。但是在我的笔记本电脑上，这需要一秒钟的时间，而在我想要支持的 Raspberry Pi 2 上，它太慢了。以下时间（以秒为单位）；它受 CPU 限制（用户+系统时间 ~= 实时）：
laptop$ time ./bench-profiled
trial 0: time 0.633 sec
trial 1: time 0.636 sec
trial 2: time 0.639 sec
trial 3: time 0.679 sec
trial 4: time 0.649 sec
trial 5: time 0.642 sec
trial 6: time 0.609 sec
trial 7: time 0.640 sec
trial 8: time 0.666 sec
trial 9: time 0.715 sec
...
PROFILE: interrupts/evictions/bytes = 1974/489/72648
real 0m20.546s
user 0m16.564s
sys 0m3.976s
(This is Ubuntu 15.10, SQLITE_VERSION says "3.8.11.1")
raspberrypi2$ time ./bench-profiled
trial 0: time 6.334 sec
trial 1: time 6.216 sec
trial 2: time 6.364 sec
trial 3: time 6.412 sec
trial 4: time 6.398 sec
trial 5: time 6.389 sec
trial 6: time 6.395 sec
trial 7: time 6.424 sec
trial 8: time 6.391 sec
trial 9: time 6.396 sec
...
PROFILE: interrupts/evictions/bytes = 19066/2585/43124
real 3m20.083s
user 2m47.120s
sys 0m30.620s
(This is Raspbian Jessie; SQLITE_VERSION says "3.8.7.1")
我最终可能会做一些非规范化的数据，但首先我想看看我能否让这个简单的查询尽可能地执行。我的基准非常简单；它提前准备好语句，然后循环：
void Trial(sqlite3_stmt *stmt)
int ret;
while ((ret = sqlite3_step(stmt)) == SQLITE_ROW) ;
if (ret != SQLITE_DONE)
errx(1, "sqlite3_step: %d (%s)", ret, sqlite3_errstr(ret));
ret = sqlite3_reset(stmt);
if (ret != SQLITE_OK)
errx(1, "sqlite3_reset: %d (%s)", ret, sqlite3_errstr(ret));
我使用gperftools 创建了一个 CPU 配置文件。图片：
$ google-pprof bench-profiled timing.pprof
Using local file bench-profiled.
Using local file timing.pprof.
Welcome to pprof! For help, type 'help'.
(pprof) top 10
Total: 593 samples
154 26.0% 26.0% 377 63.6% sqlite3_randomness
134 22.6% 48.6% 557 93.9% sqlite3_reset
83 14.0% 62.6% 83 14.0% __read_nocancel
61 10.3% 72.8% 61 10.3% sqlite3_strnicmp
41 6.9% 79.8% 46 7.8% sqlite3_free_table
26 4.4% 84.1% 26 4.4% sqlite3_uri_parameter
25 4.2% 88.4% 25 4.2% llseek
13 2.2% 90.6% 121 20.4% sqlite3_db_config
12 2.0% 92.6% 12 2.0% __pthread_mutex_unlock_usercnt (inline)
10 1.7% 94.3% 10 1.7% __GI___pthread_mutex_lock
这看起来很奇怪，让我希望它可以改进。也许我在做一些愚蠢的事情。我特别怀疑sqlite3_randomness 和sqlite3_strnicmp 操作：
文档说sqlite3_randomness 在某些情况下用于插入rowid，但我只是在做一个选择查询。为什么现在要使用它？从略读 sqlite3 源代码中，我看到它在 select for sqlite3ColumnsFromExprList 中使用，但这似乎是在准备语句时会发生的事情。我这样做了一次，而不是在被基准测试的部分。
strnicmp 用于不区分大小写的字符串比较。但是这个表中的每个字段都是一个整数。为什么要使用这个功能？它在比较什么？
一般来说，我不知道为什么sqlite3_reset 会很贵，或者为什么要从sqlite3_step 调用它。
架构：
-- Each row represents a single recorded segment of video.
-- Segments are typically ~60 seconds; never more than 5 minutes.
-- Each row should have a matching recording_detail row.
create table recording (
id integer primary key,
camera_id integer references camera (id) not null,
sample_file_bytes integer not null check (sample_file_bytes > 0),
-- The starting time of the recording, in 90 kHz units since
-- 1970-01-01 00:00:00 UTC.
start_time_90k integer not null check (start_time_90k >= 0),
-- The duration of the recording, in 90 kHz units.
duration_90k integer not null
check (duration_90k >= 0 and duration_90k < 5*60*90000),
video_samples integer not null check (video_samples > 0),
video_sync_samples integer not null check (video_samples > 0),
video_sample_entry_id integer references video_sample_entry (id)
);
我已将我的测试数据 + 测试程序 tar 了；你可以下载它here。
编辑 1：
啊，翻翻SQLite代码，我看到了一个线索：
int sqlite3_step(sqlite3_stmt *pStmt)
int rc = SQLITE_OK; /* Result from sqlite3Step() */
int rc2 = SQLITE_OK; /* Result from sqlite3Reprepare() */
Vdbe *v = (Vdbe*)pStmt; /* the prepared statement */
int cnt = 0; /* Counter to prevent infinite loop of reprepares */
sqlite3 *db; /* The database connection */
if( vdbeSafetyNotNull(v) )
return SQLITE_MISUSE_BKPT;
db = v->db;
sqlite3_mutex_enter(db->mutex);
v->doingRerun = 0;
while( (rc = sqlite3Step(v))==SQLITE_SCHEMA
&& cnt++ < SQLITE_MAX_SCHEMA_RETRY )
int savedPc = v->pc;
rc2 = rc = sqlite3Reprepare(v);
if( rc!=SQLITE_OK) break;
sqlite3_reset(pStmt);
if( savedPc>=0 ) v->doingRerun = 1;
assert( v->expired==0 );
看起来sqlite3_step 在架构更改时调用sqlite3_reset。 (FAQ entry) 我不知道为什么会发生架构更改，因为我的声明已经准备好了......
编辑 2：
我下载了 SQLite 3.10.1“合并”并使用调试符号对其进行编译。我现在得到一个完全不同的配置文件，看起来并不奇怪，但它并没有更快。也许我之前看到的奇怪结果是由于相同的代码折叠或其他原因。
编辑 3：
尝试下面的 Ben 的聚集索引解决方案，它的速度大约提高了 3.6 倍。我认为这是我要对这个查询做的最好的事情。在我的笔记本电脑上，SQLite 的 CPU 性能约为 700 MB/s。没有重写它以对其虚拟机或类似的东西使用 JIT 编译器，我不会做得更好。特别是，我认为我在第一个个人资料中看到的奇怪电话实际上并没有发生。由于优化或其他原因，gcc 必须写入误导性调试信息。
即使 CPU 性能会得到提高，吞吐量也超过了我的存储现在在冷读取时所能做的，我认为在 Pi 上也是如此（它有一个有限的 USB 2.0 总线用于 SD 卡）。
$ time ./bench
sqlite3 version: 3.10.1
trial 0: realtime 0.172 sec cputime 0.172 sec
trial 1: realtime 0.172 sec cputime 0.172 sec
trial 2: realtime 0.175 sec cputime 0.175 sec
trial 3: realtime 0.173 sec cputime 0.173 sec
trial 4: realtime 0.182 sec cputime 0.182 sec
trial 5: realtime 0.187 sec cputime 0.187 sec
trial 6: realtime 0.173 sec cputime 0.173 sec
trial 7: realtime 0.185 sec cputime 0.185 sec
trial 8: realtime 0.190 sec cputime 0.190 sec
trial 9: realtime 0.192 sec cputime 0.192 sec
trial 10: realtime 0.191 sec cputime 0.191 sec
trial 11: realtime 0.188 sec cputime 0.188 sec
trial 12: realtime 0.186 sec cputime 0.186 sec
trial 13: realtime 0.179 sec cputime 0.179 sec
trial 14: realtime 0.179 sec cputime 0.179 sec
trial 15: realtime 0.188 sec cputime 0.188 sec
trial 16: realtime 0.178 sec cputime 0.178 sec
trial 17: realtime 0.175 sec cputime 0.175 sec
trial 18: realtime 0.182 sec cputime 0.182 sec
trial 19: realtime 0.178 sec cputime 0.178 sec
trial 20: realtime 0.189 sec cputime 0.189 sec
trial 21: realtime 0.191 sec cputime 0.191 sec
trial 22: realtime 0.179 sec cputime 0.179 sec
trial 23: realtime 0.185 sec cputime 0.185 sec
trial 24: realtime 0.190 sec cputime 0.190 sec
trial 25: realtime 0.189 sec cputime 0.189 sec
trial 26: realtime 0.182 sec cputime 0.182 sec
trial 27: realtime 0.176 sec cputime 0.176 sec
trial 28: realtime 0.173 sec cputime 0.173 sec
trial 29: realtime 0.181 sec cputime 0.181 sec
PROFILE: interrupts/evictions/bytes = 547/178/24592
real 0m5.651s
user 0m5.292s
sys 0m0.356s
我可能需要保留一些非规范化数据。幸运的是，我认为我可以将它保存在我的应用程序的 RAM 中，因为它不会太大，启动不必非常快，并且只有一个进程写入数据库。
【问题讨论】：
感谢您为您的问题付出如此多的研究努力！你能分辨出你是 CPU 密集型还是 IO 密集型吗？你在用Class 10 SD card on your Raspberry Pi吗？ 谢谢！还有一个我忘记回答的重要问题。它在两个系统上都受 CPU 限制。我在上面添加了“时间”输出来显示这一点。我使用的是 Class 10 SD 卡：amazon.com/gp/product/… 真棒的问题！有了这个级别的详细信息，您可能还应该发布到 sqlite-users ML。 我建议您的 recording_camera_start 索引更改为 (camera_id, start_time_90k DESC) 以便最近的行首先出现。不过，我不相信这能解决你的问题。 希望我能投票更多。 【参考方案1】：您需要一个聚集索引，或者如果您使用的 SQLite 版本不支持它，则需要一个覆盖索引。
Sqlite 3.8.2 及以上版本
在 SQLite 3.8.2 及更高版本中使用：
create table recording (
camera_id integer references camera (id) not null,
sample_file_bytes integer not null check (sample_file_bytes > 0),
-- The starting time of the recording, in 90 kHz units since
-- 1970-01-01 00:00:00 UTC.
start_time_90k integer not null check (start_time_90k >= 0),
-- The duration of the recording, in 90 kHz units.
duration_90k integer not null
check (duration_90k >= 0 and duration_90k < 5*60*90000),
video_samples integer not null check (video_samples > 0),
video_sync_samples integer not null check (video_samples > 0),
video_sample_entry_id integer references video_sample_entry (id),
--- here is the magic
primary key (camera_id, start_time_90k)
) WITHOUT ROWID;
早期版本
在 SQLite 的早期版本中，您可以使用这种东西来创建覆盖索引。这应该允许 SQLite 从索引中提取数据值，避免为每一行获取单独的页面：
create index recording_camera_start on recording (
camera_id, start_time_90k,
sample_file_bytes, duration_90k, video_samples, video_sync_samples, video_sample_entry_id
);
讨论
成本很可能是 IO（不管你说不是），因为回想一下 IO 需要 CPU，因为数据必须复制到总线和从总线复制。
如果没有聚集索引，行会使用 rowid 插入，并且可能没有任何合理的顺序。这意味着对于您请求的每 26 字节行，系统可能必须从 SD 卡中获取一个 4KB 的页面——这是一个很大的开销。
由于限制为 8 个摄像头，id 上的简单聚集索引以确保它们按插入顺序出现在磁盘上，通过确保获取的页面包含接下来的 10-20 行，您可能会提高大约 10 倍的速度将被要求。
相机和时间的聚集索引应确保获取的每个页面包含 100 或更多行。
【讨论】：
谢谢！有趣的解决方案，我只是在上面进行了基准测试；它快 3 倍以上。camera_id, start_time_90k 可能不是唯一的（我希望它是唯一的，但是时间跳跃等等，我的系统可能应该更喜欢记录一些东西并在以后整理出时间偏移）。但我想我可以稍微捏造一下时间（偏移量是 1/90,000 秒），或者只是将“id”作为该主键中的第三列添加回，并具有自己唯一的非空索引。
@ScottLamb，我会选择身份证。你永远不会知道时钟 - 它们有时会倒退！至少 ID 会给你实际插入的订单，这样就不会丢失。
@Ben 感谢这个伟大的解决方案！您能否在解决方案中添加一个额外的 ID 列？我猜是PRIMARY KEY(camera_id, start_time_90k, id)，但问题是：当INSERTing 行时，你如何填充id？ id 应该尽可能小，只是为了避免 (camera_id, start_time_90k) 的可能重复，还是应该是普通的唯一递增 id？如果是后者，添加另一个 id 不会使一切变得更重吗？我的意思是这个 PRIMARY KEY(cam_id, start_time, id) 最后会有 3 个 B 树还是只有 1 个？
@Ben 另外，也许你会对我非常相似的问题有一个想法***.com/questions/65422890/…（我对我目前的解决方案只有 50% 的满意）。
PS：当使用WITHOUT ROWID时，我们不能使用自动递增的id（sqlite.org/withoutrowid.html），所以我们必须手动完成所有事情吗？ （在另一个表中跟踪最大的 ID 属性，在执行新插入之前在该表中查找它，等等）。 PS2：你的最终解决方案是什么@ScottLamb？以上是关于这个 SQLite 查询可以更快吗？的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章