PostgreSQL 11 preview - BRIN索引接口功能扩展(BLOOM FILTER、min max分段)

本文涉及的产品
云原生数据库 PolarDB MySQL 版,Serverless 5000PCU 100GB
云原生数据库 PolarDB 分布式版,标准版 2核8GB
云数据库 RDS MySQL Serverless,0.5-2RCU 50GB
简介:

标签

PostgreSQL , brin索引 , bloom filter , min max 分段


背景

BRIN索引是PG的一种块索引接口,存储指定连续数据块内被索引字段的元数据。

https://www.postgresql.org/docs/devel/static/brin.html

目前BRIN存储的元数据包括被索引字段在每个指定连续数据块区间的MIN,MAX值。所以对于比较分散的数据实际上效果是很差的,对于数据分布比较有时序属性的(或者说线性相关性很好)的字段,效果特别赞。

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《PostgreSQL 9.5 new feature - lets BRIN be used with R-Tree-like indexing strategies For "inclusion" opclasses》

《PostgreSQL 9.5 new feature - BRIN (block range index) index》

目前BRIN存在的可以改进的点:

当数据分布与HEAP存储的 线性相关性很差时,效果不好。如何改进呢?

多段MIN,MAX可能是一个非常有效果的改进方法,举个例子,我们有一个非常大的小区,有很多栋房子,然后每一栋房子我们保存了年龄最小和年龄最大的住户,比如说真实的分布是每栋楼都包含少部分是1-35岁,1个80岁的。

现在要找一位40岁的住户,如果是BRIN索引,会把所有的楼栋都返回给你原因是每栋楼的范围都是1-80岁。

如果使用多段存储,那么应该是1-35, 80。这样的话使用BRIN索引找40岁的住户直接返回0条记录。

1、现在PostgreSQL 11马上要提交的PATCH,就包含了multi min max的优化

https://commitfest.postgresql.org/17/1348/

2、第二个改进是引入了BRIN的BLOOM FILTER,我们知道BLOOM FILTER用少量的BIT位表示某被索引值是否存在,存在则设定这些BIT为1,如果对应的BITS不全为1,则说明没有这条记录。但是为了节约空间,BIT存在冲撞,例如某个值的BITS可能被其他一个或多个值的BITS覆盖。

那么就会出现一种情况,索引告诉你包含某个值,并不一定真的包含。但是索引告诉你不包含某个值,那就肯定不包含。

pic

所以

select * from tbl where a=? and b=? and c=? or d=?  

bloom会告诉你一个较大的结果集,然后再回HEAP表,使用FILTER过滤不满足条件的记录。

https://en.wikipedia.org/wiki/Bloom_filter

https://www.postgresql.org/docs/devel/static/bloom.html

目前使用bloom插件可以创建BLOOM索引,而PostgreSQL 11,会把这个功能加入BRIN索引接口中。

min max 分段

这个是POC里面的例子,可以看到使用分段MIN MAX后,BRIN索引的过滤性好了很多。

PATCH连接

https://commitfest.postgresql.org/17/1348/

https://www.postgresql.org/message-id/flat/c1138ead-7668-f0e1-0638-c3be3237e812@2ndquadrant.com#c1138ead-7668-f0e1-0638-c3be3237e812@2ndquadrant.com

To illustrate the improvement, consider this table:

    create table a (val float8) with (fillfactor = 90);  
    insert into a select i::float from generate_series(1,10000000) s(i);  
    update a set val = 1 where random() < 0.01;  
    update a set val = 10000000 where random() < 0.01;  

Which means the column 'val' is almost perfectly correlated with the
position in the table (which would be great for BRIN minmax indexes),
but then 1% of the values is set to 1 and 10.000.000. That means pretty
much every range will be [1,10000000], which makes this BRIN index
mostly useless, as illustrated by these explain plans:

    create index on a using brin (val) with (pages_per_range = 16);  
  
    explain analyze select * from a where val = 100;  
                                  QUERY PLAN  
    --------------------------------------------------------------------  
     Bitmap Heap Scan on a  (cost=54.01..10691.02 rows=8 width=8)  
                            (actual time=5.901..785.520 rows=1 loops=1)  
       Recheck Cond: (val = '100'::double precision)  
       Rows Removed by Index Recheck: 9999999  
       Heap Blocks: lossy=49020  
       ->  Bitmap Index Scan on a_val_idx  
             (cost=0.00..54.00 rows=3400 width=0)  
             (actual time=5.792..5.792 rows=490240 loops=1)  
             Index Cond: (val = '100'::double precision)  
     Planning time: 0.119 ms  
     Execution time: 785.583 ms  
    (8 rows)  
  
    explain analyze select * from a where val between 100 and 10000;  
                                  QUERY PLAN  
    ------------------------------------------------------------------  
     Bitmap Heap Scan on a  (cost=55.94..25132.00 rows=7728 width=8)  
                      (actual time=5.939..858.125 rows=9695 loops=1)  
       Recheck Cond: ((val >= '100'::double precision) AND  
                      (val <= '10000'::double precision))  
       Rows Removed by Index Recheck: 9990305  
       Heap Blocks: lossy=49020  
       ->  Bitmap Index Scan on a_val_idx  
             (cost=0.00..54.01 rows=10200 width=0)  
             (actual time=5.831..5.831 rows=490240 loops=1)  
             Index Cond: ((val >= '100'::double precision) AND  
                          (val <= '10000'::double precision))  
     Planning time: 0.139 ms  
     Execution time: 871.132 ms  
    (8 rows)  

Obviously, the queries do scan the whole table and then eliminate most
of the rows in "Index Recheck". Decreasing pages_per_range does not
really make a measurable difference in this case - it eliminates maybe
10% of the rechecks, but most pages still have very wide minmax range.

With the patch, it looks about like this:

    create index on a using brin (val float8_minmax_multi_ops)  
                            with (pages_per_range = 16);  
  
    explain analyze select * from a where val = 100;  
                                  QUERY PLAN  
    -------------------------------------------------------------------  
     Bitmap Heap Scan on a  (cost=830.01..11467.02 rows=8 width=8)  
                            (actual time=7.772..8.533 rows=1 loops=1)  
       Recheck Cond: (val = '100'::double precision)  
       Rows Removed by Index Recheck: 3263  
       Heap Blocks: lossy=16  
       ->  Bitmap Index Scan on a_val_idx  
             (cost=0.00..830.00 rows=3400 width=0)  
             (actual time=7.729..7.729 rows=160 loops=1)  
             Index Cond: (val = '100'::double precision)  
     Planning time: 0.124 ms  
     Execution time: 8.580 ms  
    (8 rows)  
  
  
    explain analyze select * from a where val between 100 and 10000;  
                                 QUERY PLAN  
    ------------------------------------------------------------------  
     Bitmap Heap Scan on a  (cost=831.94..25908.00 rows=7728 width=8)  
                        (actual time=9.318..23.715 rows=9695 loops=1)  
       Recheck Cond: ((val >= '100'::double precision) AND  
                      (val <= '10000'::double precision))  
       Rows Removed by Index Recheck: 3361  
       Heap Blocks: lossy=64  
       ->  Bitmap Index Scan on a_val_idx  
             (cost=0.00..830.01 rows=10200 width=0)  
             (actual time=9.274..9.274 rows=640 loops=1)  
             Index Cond: ((val >= '100'::double precision) AND  
                          (val <= '10000'::double precision))  
     Planning time: 0.138 ms  
     Execution time: 36.100 ms  
    (8 rows)  

bloom filter

https://www.postgresql.org/docs/devel/static/bloom.html

参考

https://commitfest.postgresql.org/17/1348/

https://www.postgresql.org/message-id/flat/c1138ead-7668-f0e1-0638-c3be3237e812@2ndquadrant.com#c1138ead-7668-f0e1-0638-c3be3237e812@2ndquadrant.com

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