MySQL的Query Rewrite：如何利用它实现基于规则的查询优化，例如常量折叠（Constant Folding）？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL Query Rewrite：解锁基于规则的查询优化

大家好！今天，我们来深入探讨MySQL Query Rewrite，一个强大且经常被低估的工具，它允许我们根据预定义的规则修改查询，从而实现各种查询优化。我们将重点关注如何利用它进行基于规则的查询优化，特别是常量折叠（Constant Folding）。

什么是MySQL Query Rewrite？

MySQL Query Rewrite是一种机制，它允许你在查询执行之前，根据预定义的规则自动重写查询。这些规则存储在query_rewrite表中，MySQL在解析查询后，但在执行之前，会检查这些规则，并应用匹配的规则来修改查询。

Query Rewrite 的核心概念

模式（Pattern）： 描述需要被匹配的SQL查询结构。这是一个包含通配符的SQL片段。
重写（Rewrite）： 描述如何修改匹配的SQL查询。
条件（Condition）： 一个可选的布尔表达式，用于限制规则的应用范围。
启用（Enabled）： 指示该规则是否处于活动状态。
一次性（Once）： 如果设置为true，该规则只会被应用一次。否则，它可能会被多次应用。

Query Rewrite 的优点

透明性：应用程序无需修改代码即可受益于查询优化。
灵活性： 可以根据具体需求自定义优化规则。
集中管理： 所有优化规则都集中存储在query_rewrite表中，方便管理和维护。
可移植性： 规则可以轻松地在不同的MySQL实例之间迁移。

Query Rewrite 的局限性

复杂性： 编写和维护复杂的规则可能很困难。
性能影响： 规则匹配过程可能会对查询性能产生一定的影响。因此，需要谨慎设计规则，避免不必要的开销。
调试难度： 如果查询被错误地重写，调试起来可能会比较困难。

Query Rewrite 的使用场景

除了常量折叠，Query Rewrite 还可以用于：

视图展开： 将视图定义替换为实际的查询。
索引提示： 强制MySQL使用特定的索引。
访问控制： 根据用户权限修改查询，以限制访问敏感数据。
审计： 在查询中插入审计信息。
分表路由： 根据查询条件将查询路由到不同的分表。
查询改写以适应旧应用程序: 适应旧应用程序中不兼容的SQL语法。

常量折叠（Constant Folding）

常量折叠是一种优化技术，它在编译时或查询优化阶段计算常量表达式的值，而不是在运行时计算。例如，WHERE age > 10 + 5 可以被优化为 WHERE age > 15。

为什么常量折叠很重要？

减少CPU开销： 避免在运行时重复计算常量表达式。
简化查询： 使查询更容易理解和优化。
提高索引利用率： 常量折叠可以将常量表达式转换为常量值，从而提高索引的利用率。

利用 Query Rewrite 实现常量折叠

MySQL优化器通常会自动执行常量折叠。但是，在某些情况下，它可能无法识别或应用常量折叠。 Query Rewrite 可以用来显式地执行常量折叠，确保所有常量表达式都被优化。

示例：简单的常量折叠

假设我们有一个查询：

SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1;

我们可以使用 Query Rewrite 将 10 * 1.1 折叠为 11：

INSERT INTO query_rewrite.rules (pattern, replacement, enabled, name) VALUES
  ('SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1', 'SELECT * FROM products WHERE price > 11', 1, 'constant_folding_example');

让我们详细解释一下：

pattern: SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1 – 这是我们要匹配的SQL查询模式。
replacement: SELECT * FROM products WHERE price > 11 – 这是替换后的SQL查询。
enabled: 1 – 表示该规则已启用。
name: constant_folding_example – 规则的名称，方便管理。

创建Query Rewrite规则的步骤

启用 Query Rewrite： 确保query_rewrite插件已安装并启用。默认情况下，它可能没有启用。你可以通过以下命令检查和启用它：

SHOW PLUGINS; -- 检查插件是否已安装
INSTALL PLUGIN query_rewrite SONAME 'query_rewrite.so'; -- 安装插件 (如果未安装)
SET GLOBAL query_rewrite_inbox = 1; -- 启用插件

插入规则： 使用 INSERT INTO query_rewrite.rules 语句将规则插入到 query_rewrite 表中。
刷新规则： 执行 FLUSH QUERY REWRITE 命令，使规则生效。
测试规则： 执行原始查询，并使用 EXPLAIN 命令来查看查询计划，确认规则是否被应用。或者检查 general log 或者 audit log。

更复杂的常量折叠示例

假设我们有一个查询，其中包含更复杂的常量表达式：

SELECT * FROM orders WHERE order_date BETWEEN '2023-01-01' AND DATE_ADD('2023-01-01', INTERVAL 30 DAY);

我们可以使用 Query Rewrite 将 DATE_ADD('2023-01-01', INTERVAL 30 DAY) 折叠为一个具体的日期：

INSERT INTO query_rewrite.rules (pattern, replacement, enabled, name) VALUES
('SELECT * FROM orders WHERE order_date BETWEEN '2023-01-01' AND DATE_ADD('2023-01-01', INTERVAL 30 DAY)', 'SELECT * FROM orders WHERE order_date BETWEEN '2023-01-01' AND '2023-01-31'', 1, 'constant_folding_date_example');

FLUSH QUERY REWRITE;

使用条件（Condition）来限制规则的应用

我们可以使用 condition 字段来限制规则的应用范围。例如，我们可以只对特定的数据库应用常量折叠规则：

INSERT INTO query_rewrite.rules (pattern, replacement, enabled, name, condition) VALUES
('SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1', 'SELECT * FROM products WHERE price > 11', 1, 'constant_folding_db_example', 'DATABASE() = 'mydatabase'');

FLUSH QUERY REWRITE;

在这个例子中，只有当当前数据库是 mydatabase 时，该规则才会被应用。

使用通配符

为了使规则更加通用，我们可以使用通配符。 MySQL Query Rewrite 支持以下通配符：

?: 匹配任何单个字符。
%: 匹配任何零个或多个字符。
[abc]: 匹配字符 ‘a’、’b’ 或 ‘c’。
[^abc]: 匹配除字符 ‘a’、’b’ 和 ‘c’ 之外的任何字符。

示例：使用通配符进行常量折叠

假设我们想要对所有包含 WHERE column > constant * constant 形式的查询应用常量折叠。我们可以使用以下规则：

INSERT INTO query_rewrite.rules (pattern, replacement, enabled, name) VALUES
('SELECT * FROM % WHERE % > ? * ?', 'SELECT * FROM % WHERE % > calculate_product(?, ?)', 1, 'constant_folding_wildcard_example');

FLUSH QUERY REWRITE;

重要提示： calculate_product(?, ?) 必须是一个已经定义好的 MySQL 函数，用来计算两个常量参数的乘积。这是因为 Query Rewrite 本身不能执行任意的表达式计算。

自定义函数进行复杂计算

如上例所示，Query Rewrite 自身无法执行计算，所以需要配合自定义函数。假设我们需要将 column > A * B + C 替换为 column > D，其中 D = A * B + C，我们需要创建一个自定义函数 calculate_expression(A, B, C) 来计算 A * B + C 的值。

DELIMITER //
CREATE FUNCTION calculate_expression(a DECIMAL(10,2), b DECIMAL(10,2), c DECIMAL(10,2))
RETURNS DECIMAL(10,2)
DETERMINISTIC
BEGIN
  RETURN a * b + c;
END//
DELIMITER ;

INSERT INTO query_rewrite.rules (pattern, replacement, enabled, name) VALUES
('SELECT * FROM % WHERE % > ? * ? + ?', 'SELECT * FROM % WHERE % > calculate_expression(?, ?, ?)', 1, 'constant_folding_function_example');

FLUSH QUERY REWRITE;

使用 EXPLAIN 验证 Query Rewrite 效果

验证 Query Rewrite 规则是否生效的最简单方法是使用 EXPLAIN 命令。 EXPLAIN 命令会显示 MySQL 的查询执行计划，包括查询是否被重写。

例如：

EXPLAIN SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1;

如果 Query Rewrite 规则已成功应用，你会在 EXPLAIN 输出中看到重写后的查询。此外，可以检查 general log 或者 audit log，确认查询是否被重写。

Query Rewrite 的管理

查看规则： 使用 SELECT * FROM query_rewrite.rules 语句查看所有已定义的规则。
修改规则： 使用 UPDATE query_rewrite.rules 语句修改规则。
删除规则： 使用 DELETE FROM query_rewrite.rules 语句删除规则。
启用/禁用规则： 使用 UPDATE query_rewrite.rules SET enabled = 1/0 语句启用或禁用规则。

最佳实践

谨慎使用通配符： 过度使用通配符可能会导致规则匹配到不希望匹配的查询，从而产生意外的结果。
测试规则： 在生产环境中应用规则之前，务必在测试环境中进行充分的测试。
监控性能： 监控查询性能，确保 Query Rewrite 没有引入性能问题。
注释规则： 为每个规则添加清晰的注释，说明其用途和原理。
版本控制： 将 Query Rewrite 规则纳入版本控制系统，以便跟踪变更和回滚。
定期审查： 定期审查 Query Rewrite 规则，确保其仍然有效和必要。
避免过度优化： 不要试图优化每一个查询。只关注那些对性能影响最大的查询。
结合其他优化技术： Query Rewrite 应该与其他优化技术（例如索引优化、查询重构）结合使用，以达到最佳的性能。

高级技巧

使用 once 标志： 如果一个规则只需要应用一次，可以将 once 标志设置为 true。这可以避免规则被多次应用，从而提高性能。
利用用户信息： 可以在 condition 字段中使用 USER() 函数来根据当前用户应用不同的规则。
动态规则： 可以通过编写存储过程来动态地创建、修改和删除 Query Rewrite 规则。

案例研究：优化分页查询

假设我们有一个分页查询：

SELECT * FROM products LIMIT 100, 10;

这个查询会扫描前 110 行，然后只返回最后 10 行。这可能会导致性能问题，特别是当 offset 很大时。

我们可以使用 Query Rewrite 将这个查询重写为一个使用 id 范围的查询：

SELECT * FROM products WHERE id BETWEEN (SELECT id FROM products LIMIT 100, 1) AND (SELECT id FROM products LIMIT 109, 1);

这个重写后的查询可以利用 id 上的索引，从而提高性能。

注意事项

Query Rewrite 是一个强大的工具，但也需要谨慎使用。
错误的规则可能会导致查询失败或返回错误的结果。
在生产环境中应用规则之前，务必进行充分的测试。
监控查询性能，确保 Query Rewrite 没有引入性能问题。

代码示例：创建一个存储过程来管理 Query Rewrite 规则

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE add_rewrite_rule(
  IN rule_name VARCHAR(255),
  IN rule_pattern TEXT,
  IN rule_replacement TEXT,
  IN rule_condition TEXT
)
BEGIN
  INSERT INTO query_rewrite.rules (name, pattern, replacement, enabled, condition)
  VALUES (rule_name, rule_pattern, rule_replacement, 1, rule_condition);
  FLUSH QUERY REWRITE;
END//
DELIMITER ;

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE remove_rewrite_rule(IN rule_name VARCHAR(255))
BEGIN
  DELETE FROM query_rewrite.rules WHERE name = rule_name;
  FLUSH QUERY REWRITE;
END//
DELIMITER ;

你可以使用这些存储过程来方便地添加和删除 Query Rewrite 规则。

Query Rewrite 的替代方案

虽然 Query Rewrite 是一个强大的工具，但它并不是唯一的选择。还有其他一些技术可以用于查询优化，例如：

手动重构查询： 这是最直接的方法，但需要修改应用程序代码。
使用 ORM 框架： ORM 框架可以自动生成优化的 SQL 查询。
使用查询优化器提示： MySQL 允许你使用查询优化器提示来影响查询执行计划。
使用物化视图： 物化视图可以预先计算和存储查询结果，从而提高查询性能。

表格：Query Rewrite 规则示例

规则名称	模式	重写	条件	启用
constant_folding_price	`SELECT * FROM products WHERE price > 10 * 1.1`	`SELECT * FROM products WHERE price > 11`		1
date_folding	`SELECT * FROM orders WHERE order_date = DATE('2023-10-26')`	`SELECT * FROM orders WHERE order_date = '2023-10-26'`		1
db_specific	`SELECT * FROM users WHERE status = 'active'`	`SELECT * FROM users WHERE status = 1`	`DATABASE() = 'users_db'`	1

总结

Query Rewrite 是一个强大的工具，它可以用来实现各种查询优化，包括常量折叠。通过定义规则，我们可以自动地重写查询，从而提高性能和简化查询。但是，需要谨慎使用 Query Rewrite，并进行充分的测试，以避免引入问题。使用自定义函数可以扩展 Query Rewrite 的功能，允许执行更复杂的常量折叠和其他优化。结合其他优化技术可以达到最佳的性能。

MySQL Query Rewrite：解锁基于规则的查询优化

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