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广铁集团电算信息中心 王奇成 张南飞
编者按：在现有软硬件条件下，充分发挥数据库系统的潜能（数据库性能调优）是DBA（数据库管理员）追求的最高境界。然而，数据库性能调优是一个非常复杂的问题，不仅需要潜心研究数据库的理论知识，更需要参考同行的实践经验。本期我们特别为DBA选登了一篇有关这方面内容的文章，希望对您的工作有所启迪。文中提到的方法，主要针对Sybase数据库，但对DB2、Oracle等大型数据库系统同样也有借鉴意义。
全国铁路客票系统是一个典型的基于数据库的大型应用系统，经过多次的技术改进，现已能够比较全面充分地满足和适应客票发售和预订的需求，是铁路运输管理信息系统中的重点应用。系统采用Client/Server结构，后台使用Sybase数据库和Unix操作系统，中间由自行开发的中间件负责连接交易处理和数据库通信。
这样一个遍及全国大小车站、统管全国的铁路客票发售系统，其重要性不言而喻。特别是节假日铁路售票高峰期，客票主机一旦出现故障，造成停机，便会直接影响售票，极大地影响铁路正常运营。因此，如何深入调整Sybase数据库的性能，保证数据库的高可用性，以满足日益增长的客票网络的需求，是每一个地区中心和每一个车站的数据库管理员的重要课题。本文将结合铁路客票系统，对如何调整优化Sybase数据库的性能进行较深入的论述。
何谓数据库性能调优
数据库性能一般用两个方面的指标来衡量：响应时间和吞吐量。响应越快，吞吐量越大，数据库性能越好。不过，响应时间和吞吐量并不是都能一起得到改善的。Sybase数据库性能调优可以从四个方面进行：
● 操作系统级：对网络性能、操作系统参数、硬件性能等做改进。
● SQL Server级：调整存取方法，改善内存管理和锁管理等。
● 数据库设计级：采用降范式设计，合理设计索引，分布存放数据等。
● 应用程序级：采用高效SQL语句，合理安排事务，应用游标，处理锁。
本文将对除操作系统级以外的三个方面的内容进行讨论，其中SQL Server部分提到的概念只适用于Sybase数据库，但第三、第四方面讨论的内容同样适用于Sybase外的其他数据库。而且，以上各个方面的措施是相互关连的，具体到解决某一个性能问题，要综合应用。
在分析Sybase数据库的性能时，常要用到一些数据库系统本身提供的性能调优工具，以下是最常用的几个系统存储过程：
这里要特别提一下sp_sysmon存储过程，通过它可以得到数据库系统的性能基准报告，但只有在比较稳定的状态下产生时，方可作为参考和对照的依据。另外，为了对数据库性能进行调整，需要十分清楚数据库存储数据的底层细节，如数据页、索引页的物理结构、每一行的大小计算、不同类型列占用的宽度等问题，只有具备了这些知识，才能深入领会各种调优措施。
SQL Server级的调优
数据库性能优化的首要问题是内存管理。数据库占用的共享内存分成数据缓冲区（Data Cache）、存储过程缓冲区（Procedure Cache）等几部分。在ISQL下使用 “sp_configure ‘cache’”可以看到存储过程缓冲区所占百分比（Procedure Cache Percent）和整个数据缓冲区大小（Total Data Cache Size） 等参数。
存储过程缓冲区保存有以下对象的查询计划：存储过程、触发器、视图、规则、缺省、游标等。存储过程不可重入，即每个并发用户调用都会在内存中产生一个拷贝。
当存储过程、触发器、视图被装载到存储过程缓冲区时，被查询优化器优化，建立查询计划。如果存储过程在缓冲区中，被调用就不需要重新编译。如果存储过程缓冲区太小，存储过程就会经常被其他调入内存的存储过程覆盖掉，当再次被调用时，存储过程又被调入内存，再重新编译，用户请求因此不得不等待。最严重的情况，如果存储过程缓冲区不够，存储过程甚至都不能运行。所以在内存足够的情况下，存储过程缓冲参数应尽可能大一些。
数据缓冲区用来缓存数据页和索引页，给服务器增加物理内存以扩大数据缓冲区，是提高数据库性能最有效的方法。当然，如果不能增加内存，就只能通过减少存储过程缓冲区的比例等方法来扩大数据缓冲区了。
要把数据提前读入内存，有两种方式，即预取策略或大I/O策略(Prefetch Strategy)和取后马上丢弃策略(Fetch-and-Discard)、提示策略(Hints)等几种。可以在以下三个级别上分别设置表数据的预取策略(Prefetch Strategy，即大I/O策略）：对象级、会话级、查询级。如果三个级别上都有设置，它们发生作用的优先顺序是：对象级 > 会话级 > 查询级。
在决策支持系统应用中常常需要较大的I/O，这时应该开放large I/O strategy预取策略。如果一个应用倾向于OLTP特征，用户可以在会话级关掉Prefetch来提高性能。同样，对于OLTP应用，还可关闭large I/O strategy预取策略。如果所取页不会有重用的情况，应开放fetch-and-discard策略。
锁的优化是数据库级调优的另一个重要内容。锁优化最重要的工作是设置页级锁升级成表级锁的阀限。要尽量避免页锁很快升级成表级锁，同时减少锁的争夺。
管理临时库和多引擎（Multiple Network Engines）也是数据库级调优的一个重要内容。管理临时库的一个重要原则是要避免临时表跨多个设备，可以把tempdb从master设备中分离出来，放到一个单独的设备上去。这样可以减少存取系统表时对I/O资源的争夺。多引擎是指操作系统使用了多个CPU。如果有多个CPU，可用sp_configure 来配置数据库的参数：在线引擎数(Max Online Engines)。可以扩展系统的网络I/O容量，将网络I/O分布到各个引擎，从而提高性能，以允许更多的用户连接。
为了改善数据库的性能，设备的优化也必不可少。把最常插入的表分区放在多个设备上，这样可以创建多个页链，从而改善多个并发插入时的性能，因为每一个插入都要找到页链，页链有多个，就允许多个插入同时进行。这一点，尤其适用于客票系统的存根表和订票存根表，所带来的性能改善会非常明显。
物理I/O的代价远大于逻辑I/O，所以要尽量减少磁盘进行物理I/O的次数，尽量多进行内存中的逻辑I/O。可以使用“statistics io”工具和sp_sysmon来观察磁盘I/O。可以配置使用大的I/O来减少物理I/O的次数，方法有三个，分别是用更多的磁盘、表和索引分开到不同的磁盘和增加一次I/O系统参数值的大小。
SQL Server总是为I/O请求建立一个磁盘检查的调度环。用sp_configure“I/O polling process count”来提高数值，加长环，可以降低引擎的检查次数，提高吞吐量。但较小的值一般有助于减少响应时间。
数据库设计级的调优
在数据库的基础理论中，倡导使用规范化的数据库设计方法，简称范式设计。用范式来设计数据库，可以减少数据冗余度，减少插入、更新和删除异常，也可以提高性能。但是有时为了提高某些特定的性能，有意打破范式设计，这样可以达到最好的效果。但这种情况下，一定要注意数据完整性维护的问题。降范式设计这种方式一般可以提高检索速度，但会略微降低数据修改性能。对于应用开发来说，有些情况下，降范式设计还能简化应用程序的编码。具体而言，降范式设计一般能带来如下好处：减少表连接的需要，减少外部键和索引，减少表的数量，聚合列可以预先计算等。有如下方法可以实现降范式设计：
● 增加冗余列。
● 增加导出列，从一个或多个表的几个列中导出另外一个列。
● 收拢表，几个表合成一个表。
● 复制表，即制作表的副本。
● 将表分开, 分为垂直和水平两种。
水平分开可以考虑把表中不太活跃的数据放置在一个表中，而把经常变动的数据放在另外一个表中。垂直分开则是把多个列分成几组，每一组列成一个表。
但是，降范式设计会带来数据相关性问题，必须仔细考虑。有以下几点措施可以帮助解决：
● 尽量在空闲时刷新只读表。
● 多用批处理。
● 用触发器来维护。
是否要采用降范式设计，必须根据具体应用综合考虑。这种设计理念往往紧密结合具体应用，和应用的相关度很高，所以要求数据库分析员兼具业务分析员的角色。
应用程序级的调优
如何进行应用程序级别的调优，是一个十分复杂的问题，也没有统一的方法，这里是我们通常可以采用的几个方法，供读者参考。
1．有效使用索引
查询条件和索引的配合使用，对SQL语句的性能至关重要。下面是两种常见的情况：
（1）如果查询条件中包括索引的第一个列，而且结果列都在索引列中，系统使用匹配索引定位，会定位到索引的页级，这时可从索引页中直接提取结果，不需要使用数据页。
（2）如果查询条件中不包括索引的第一个列，而且结果列都在索引列中，系统使用非匹配索引扫描，不扫描数据页，从索引页中直接提取结果。这种情况也不使用数据页。
2． 创建高效率查询
可以充分利用索引的where 条件书写格式为 “column operator expression”, 这里的operator 一般是：=, >, <, >=, <=, is null 。而如果operator 是!=、!> ,便不能充分利用索引。
如果要充分利用索引，在 column 中就不要包括函数和其他操作。expression 必须是常量或可以转化成常量。查询优化器认为，between 相当于“ >= ”和“ <=”，“like 'Ger%' ”相当于“ >= 'Ger' and < 'Ges'”。但是“ like '%ber' ”因为没有给出首字母，就不能转化成这种结果。
在书写SQL语句时，对于表连接的情况，注意尽量少写冗余条件。一般要在SARGs（搜索参数）的列上放置一个索引。如果被查询列都包括在索引列中，这种查询叫索引覆盖查询。这种查询效率比较高，应尽量使用这种查询。在做表连接查询时，在外表的连接列上建立索引，可以大大加快速度。而且，查询速度也和表的排列顺序有关，如果行数大的表放在后面，可以提高速度。
3．孤立级0的妙用
当应用需要较好的并发性，并且近似的查询结果也可接受的情况下，SQL语句可以使用孤立级（Isolation Level 0），尤其是对于有多个处理器环境下的OLTP应用。Isolation Level 0扫描不获取锁，所以不需要内部重扫描，因而大大提高效率。
在客票系统的余票查询应用中，因为余票查询的结果是一个动态而近似的参考数值，只对很短的一段时间内有效，供指导售票之用，不需要很精确，所以对于余票查询模块，包括综合查询中的子功能，计划管理中的子功能，尤其是前台售票中的子功能，采用了孤立级技术，很好地改善了售票高峰期售票程序长久没有反应、相互等待的现象。但需注意，Isolation Level 0忽略查询优化器，依赖惟一索引，所以要慎重创建SQL语句，最好由有丰富经验的程序员来完成。
4．存储过程的重编译
存储过程执行的时候带上参数 “with recompile”, 可以让查询优化器更新查询计划。当在表上增加索引，或者执行了“update statistics”指令后运行 “sp_recomplie table_name”， 则所有依赖于此表的存储过程下次运行时被重新编译，即更新它们的查询计划。如果存储过程中会创建临时表，它总是重新生成查询计划。
当表中被查询计划使用的索引或者对象被删除后，存储过程总会自动重新编译。要注意如有必要，应尽可能经常地编译存储过程，使存储过程的查询计划和数据库的数据存放结构保持一致。
对于客票系统，每次备份删除数据，增加或重建索引后，要执行“update statistics”指令，然后运行 “sp_recomplie table_name”来更新相关存储过程的查询计划。
5．使用游标时的性能考虑
因为游标会引起页级和表级锁，且消耗网络资源，又有较多的处理指令，所以除非必要，尽量不用游标，而采用等价的SQL语句，即使SQL语句会涉及到多个表扫描，仍然会更好。对于客票系统中大量的存储过程，尤其是使用最频繁的取票、取车次等几个存储过程，进行了重点优化，减少了游标的使用。
最后要特别指出的是，在数据库性能调优时，一定要建立周密的调整计划和性能基准报告，不能想到哪一项就调整那一项。有时候，SQL Server级选项的设置还需要重新启动数据库，所以要 规划调整时间，尽量在不影响生产的情况下做完可做的工作，然后利用停机时间做影响全局的工作。在调整数据库性能时，还可能带来影响业务正常运行的风险，所以务必要由经验丰富的管理员慎重实施。
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