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Go语言从零构建SQL数据库(8)：执行计划的奥秘

news 来源：原创 2025/8/21 17:49:09

从SQL语句到高效查询：执行计划的奥秘

想象你是一位旅行者，想从北京到上海。你告诉导航软件你的目的地（类似SQL查询），但导航软件需要为你规划具体路线——是走高速公路还是国道？是选择最短距离还是最省时间的路线？这个"路线规划"，就像数据库中的执行计划。

SQL查询的挑战

当用户输入一个SQL查询时，他们只是表达了"我想要什么数据"，而没有指定"如何获取这些数据"。例如：

SELECT name, age FROM users WHERE salary > 5000

这告诉数据库：我需要薪资超过5000的用户的姓名和年龄。但数据库如何高效地找到这些数据呢？

是先读取所有用户记录，再筛选出薪资高的？
还是先通过索引找到高薪用户，再获取他们的姓名和年龄？
如果有几百万用户，两种方法的性能可能相差上千倍！

数据库的"导航系统"

执行计划正是解决这一难题的关键——它将"我要什么数据"转换为"如何高效获取这些数据"的具体步骤。

好的执行计划能带来惊人的性能提升：同样的查询，可能从几分钟缩短到几毫秒。这就是为什么执行计划在数据库引擎中如此重要。

两层设计的智慧

执行计划通常分为两个层次：

逻辑计划：描述查询的逻辑步骤，好比"从北京到上海"
物理计划：确定具体执行算法，相当于"走G2高速，经过济南，预计用时5小时"

这种分层设计非常聪明，原因有三：

关注点分离：先确定要做什么，再决定怎么做
优化灵活性：同一逻辑操作可以有多种物理实现方式
技术升级简化：可以改进物理实现（比如新算法）而不影响上层逻辑

就像你的旅行，先确定要去上海（逻辑目标），再决定是坐飞机、高铁还是自驾（物理实现）。

构建执行计划的核心组件

计划节点：组织成树状结构

执行计划通常构建为树状结构，这种设计很自然地反映了数据处理的流程：

叶子节点：获取数据的来源（如表扫描）
中间节点：处理数据的操作（如过滤、排序）
数据自下而上流动：从数据源到最终结果

这种树状结构非常清晰，每个节点只关心接收数据、处理数据和输出数据，不需要了解整个查询的复杂性。

接口设计：灵活性的基石

我们为执行计划设计了接口而非具体类型，这带来了巨大的灵活性：

type LogicalPlan interface {PlanType() PlanTypeChildren() []LogicalPlanSchema() *SchemaString() string
}

这种接口设计有几个关键好处：

扩展性：可以轻松添加新的计划节点类型
低耦合：不同模块通过接口交互，而非具体实现
测试便利：可以创建模拟实现进行单元测试

想象一下，如果没有这种接口设计，每添加一种新的操作类型（如窗口函数），就需要修改整个系统的代码。

Schema系统：类型的守护者

执行计划需要知道每个操作产生的数据结构，这就是Schema的作用：

type Schema struct {Columns []*Column
}type Column struct {Name     stringTable    stringDataType DataType
}

Schema系统看似简单，但功能强大：

类型检查：确保操作应用于兼容类型（不能对字符串求平均值）
列引用解析：当有多表连接时，确定列来自哪个表
结果描述：告诉客户端返回数据的结构

没有Schema，数据库就像是没有类型检查的语言，可能在运行时才发现致命错误。

表达式系统：计算的引擎

表达式是查询的核心，表示过滤条件、计算列等。设计独立的表达式系统有多重好处：

graph TDA[表达式系统] --> B[列引用: user.age]A --> C[字面量: 5000]A --> D[函数调用: YEAR(birth_date)]A --> E[二元操作: price * quantity]style A fill:#f9f,stroke:#333

统一表示：无论是简单比较还是复杂函数，都用同一套系统表示
类型安全：在执行前检查表达式类型是否正确
优化机会：可以对表达式进行变换和优化

例如，系统可以自动将 price * 0 优化为常量 0，避免不必要的计算。

完整的计划转换流程

当我们把所有组件结合起来，就能实现从SQL到执行计划的完整转换：

这整个流程看似复杂，但每一步都有其不可替代的作用，共同确保数据库能够高效地执行查询。

总结与未来方向

通过这种设计，我们的数据库引擎能够：

将用户的声明式查询转换为高效的执行步骤
灵活应对各种查询模式和数据规模
为后续优化提供坚实基础

未来，我们还可以增强系统的多个方面：

支持更多的操作类型（如聚合、排序）
实现基于成本的查询优化
添加更丰富的表达式函数
优化物理执行策略

理解了执行计划的设计理念，我们就能更好地构建高性能、可扩展的数据库系统。下一篇文章，我们将探讨如何实现对SELECT * 查询的支持，进一步完善我们的执行计划生成器。

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