完成查询优化:谓词下推、投影下推和常量折叠,配置好了benchmark

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LIm1tZz7 committed 2026-09-21 23:44:37 +08:00
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# ChuSQL 基准测试
这个目录放**性能基准测试**,和 `chusql-engine`、`chusql-storage` 的功能代码分开,
因为它回答的问题不一样:功能代码回答"对不对",基准测试回答"快不快、快多少"。
```
benchmark/
├── README.md 本文件:怎么跑、测什么、结果怎么解读
├── chusql-engine/ Haskell 查询层:优化器开/关的对比
│ ├── stack.yaml 把 chusql-engine 作为本地包引入
│ ├── chusql-bench.cabal
│ └── src/Main.hs
└── chusql-storage/ Rust 存储层:预留(见该目录下的 README)
```
---
## 怎么跑
```bash
cd benchmark/chusql-engine
stack run # 默认 users=500 行、orders=500 行
stack run -- 1000 1000 0.5 # 也可以自己指定:users 行数、orders 行数、每批目标秒数
```
第一次跑要编译,之后很快。整个默认跑完约 5 秒。
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## 测什么
四个用例,**每个都跑两遍**:一遍走"翻译出来的原始工序单",一遍走"优化后的工序单"。
两次的结果行数会被打印出来互相对照,**不一致会当场标出来**。
| 用例 | 想看什么 |
| ---- | -------- |
| `JOIN` + `WHERE u.age > 90` | 谓词下推的主场:条件能筛掉约 90% 的行 |
| `JOIN`(无 WHERE) | 只剩投影下推在起作用,收益应该温和 |
| `JOIN` + `WHERE` + `ORDER BY` + `LIMIT` | 规则叠加时的综合效果 |
| 单表 `WHERE age > 90` | 对照组:没有下推空间,优化器只剩固定开销 |
---
## 计时怎么做(两个坑都踩过了)
**坑一:Haskell 是惰性的,不强制求值就等于没测。**
如果只写 `let r = evalRelOp db plan`,`r` 根本没被算出来,测到的是"定义一个变量"的时间。
所以每次必须把结果**算到底**(本项目里是逐行把列数累加起来当校验和)。
**坑二:Windows 上 CPU 时钟的精度只有约 15.6 毫秒。**
优化后的查询只要几毫秒,直接测会得到 `0.0 ms` 这种没意义的数字。
所以计时用的是**自适应批量**:把同一个用例连续跑 `k` 次测一整批,`k` 不断翻倍,
直到一批累计耗时超过目标值(默认 0.3 秒),再折算成单次耗时。
这样时钟精度的误差会被 `k` 摊薄,几毫秒的用例也能测准。
程序会打印实际用了多大的批次(例如"优化后 64 次/批")。
跑正式计时之前还会**预热两遍**,避免把首次构造表数据的开销算进去。
---
## 实测结果
**环境**:Windows,GHC 9.10.3,`-O2`
**数据**:`users` 500 行(`id / name / age`,`age` 只有 0-99 共 100 种取值),
`orders` 500 行(`id / user_id / product`),两表配对共 25 万对。
| 查询 | 结果行数 | 未优化 | 优化后 | 加速 |
| ---- | -------- | ------ | ------ | ---- |
| `JOIN` + `WHERE u.age > 90` | 45 | 125.0 ms | **7.1 ms** | **17.7x** |
| `JOIN`(无 WHERE) | 500 | 132.8 ms | 105.5 ms | 1.3x |
| `JOIN` + `WHERE` + `ORDER BY` + `LIMIT 10` | 10 | 171.9 ms | **10.3 ms** | **16.8x** |
| 单表 `WHERE age > 90` | 45 | 0.111 ms | 0.153 ms | 0.7x |
### 怎么解读
- **前两行的差距来自谓词下推。** 条件筛掉了约 90% 的用户,配对次数从 25 万降到约 2.25 万,
时间直接掉一个数量级。筛得越狠,省得越多。
- **第二行只有投影下推。** 配对次数一点没变(没有条件可下推),只是每一行变窄了,
所以只有 1.3 倍 —— 收益温和但确实是正的。
- **第四行反而略慢。** 单表查询本来就没有下推空间(条件早已贴着扫描),
而优化器自己要走一遍规则,有几十微秒的固定开销(0.153 − 0.111 ≈ 0.04 ms)。
**优化不是零成本的**:查询越大、配对越多,这笔账才越划算。
---
## 加新用例
在 `src/Main.hs` 的 `queries` 列表里加一条 SQL 字符串就行,其余全自动
(会自动翻译、优化、跑两遍、比结果、算加速比)。
想测别的规模,直接命令行传参;想在文档里引用数字,记得把**数据规模一起写上** ——
脱离规模谈"快了几倍"是没有意义的。
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cabal-version: 2.4
name: chusql-bench
version: 1.0.0
synopsis: ChuSQL 查询优化基准测试(对比开/关优化器)
build-type: Simple
executable chusql-bench
main-is: Main.hs
hs-source-dirs: src
build-depends: base >= 4.14 && < 5
, chusql-engine
default-language: Haskell2010
ghc-options: -O2 -Wall
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View File
@@ -0,0 +1,118 @@
module Main where
import ChuSQL.Algebra.Eval (evalRelOp)
import ChuSQL.Algebra.Optimize (optimize)
import ChuSQL.Algebra.Planner (translate)
import ChuSQL.Model
import ChuSQL.SQLSyntax.Parser (parseQuery)
import Control.Exception (evaluate)
import System.CPUTime (getCPUTime)
import System.Environment (getArgs)
import Text.Printf (printf)
mkUsers :: Int -> Table
mkUsers n =
Table
{ tableName = "users"
, tableCols = ["id", "name", "age"]
, tableRows =
[ [("id", VInt i), ("name", VStr ("user" ++ show i)), ("age", VInt (i `mod` 100))]
| i <- [1 .. n]
]
}
mkOrders :: Int -> Int -> Table
mkOrders n m =
Table
{ tableName = "orders"
, tableCols = ["id", "user_id", "product"]
, tableRows =
[ [("id", VInt j), ("user_id", VInt (1 + (j - 1) `mod` n)), ("product", VStr ("item" ++ show (j `mod` 50)))]
| j <- [1 .. m]
]
}
checksum :: Either String [Row] -> Int
checksum (Left _) = -1
checksum (Right rows) = go 0 rows
where
go acc [] = acc
go acc (r : rs) = go (acc + length r) rs
rowCount :: Either String [Row] -> Int
rowCount (Left _) = -1
rowCount (Right rows) = length rows
runOnce :: Database -> String -> Bool -> IO Int
runOnce db sql useOpt = do
let result = case parseQuery sql >>= translate db of
Left e -> Left e
Right plan -> evalRelOp db (if useOpt then optimize db plan else plan)
forced <- evaluate (checksum result)
return forced
resultRows :: Database -> String -> Bool -> IO Int
resultRows db sql useOpt = do
let result = case parseQuery sql >>= translate db of
Left e -> Left e
Right plan -> evalRelOp db (if useOpt then optimize db plan else plan)
_ <- evaluate (checksum result)
return (rowCount result)
timed :: IO a -> IO Double
timed act = do
t0 <- getCPUTime
_ <- act
t1 <- getCPUTime
return (fromIntegral (t1 - t0) / 1e12)
benchOp :: Double -> IO Int -> IO (Double, Int)
benchOp target act = loop 1
where
loop k = do
t <- timed (mapM_ (const act) [1 .. k])
if t < target then loop (k * 2) else return (t / fromIntegral k, k)
report :: Database -> Double -> String -> IO ()
report db target sql = do
nUn <- resultRows db sql False
nOp <- resultRows db sql True
(tUn, kUn) <- benchOp target (runOnce db sql False)
(tOp, kOp) <- benchOp target (runOnce db sql True)
let speedup = if tOp <= 0 then 0 else tUn / tOp
mismatch = if nUn == nOp then "" else " <<< 结果不一致!"
printf "%s\n" sql
printf
" 结果行数 %-6d | 未优化 %9.3f ms | 优化后 %9.3f ms | 加速 %6.1fx%s\n"
nOp
(tUn * 1000)
(tOp * 1000)
speedup
mismatch
printf " (实测批次:未优化 %d 次/批,优化后 %d 次/批)\n\n" kUn kOp
queries :: [String]
queries =
[ "SELECT u.name FROM users u JOIN orders o ON u.id = o.user_id WHERE u.age > 90"
, "SELECT u.name, o.product FROM users u JOIN orders o ON u.id = o.user_id"
, "SELECT u.name FROM users u JOIN orders o ON u.id = o.user_id WHERE u.age > 90 ORDER BY o.product LIMIT 10"
, "SELECT name FROM users WHERE age > 90"
]
warmupSql :: String
warmupSql = "SELECT name FROM users"
main :: IO ()
main = do
args <- getArgs
let pick i d = if length args > i then read (args !! i) else d
n = pick 0 500
m = pick 1 500
target = pick 2 (0.3 :: Double)
db = [("users", mkUsers n), ("orders", mkOrders n m)]
printf "数据规模:users = %d 行,orders = %d 行\n" n m
printf "计时方式:CPU 时间;每个用例自动加倍批量次数,直到一批累计耗时超过 %.2f 秒,再折算成单次耗时\n" target
printf "(先跑一遍预热,避免把首次构造数据的开销算进去)\n\n"
_ <- runOnce db warmupSql False
_ <- runOnce db warmupSql True
mapM_ (report db target) queries
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View File
@@ -0,0 +1,5 @@
resolver: lts-24.59
packages:
- .
- ../../chusql-engine
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View File
@@ -0,0 +1,12 @@
# This file was autogenerated by Stack.
# You should not edit this file by hand.
# For more information, please see the documentation at:
# https://docs.haskellstack.org/en/stable/topics/lock_files
packages: []
snapshots:
- completed:
sha256: 0f728e30e843d7f00460ad56858b995a3b227fca683659c7df9f2fc3988a3ce1
size: 732465
url: https://raw.githubusercontent.com/commercialhaskell/stackage-snapshots/master/lts/24/59.yaml
original: lts-24.59
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@@ -0,0 +1,36 @@
# chusql-storage 基准测试(预留)
这个目录预留给 **Rust 存储层** 的基准测试代码,目前 `chusql-storage/` 还没有开工,
所以这里先占位。
## 计划放什么
`chusql-storage` 做的是磁盘那一层的事情,性能指标和查询层完全不同 ——
查询层关心"少算几行",存储层关心"少读几次盘"。所以基准要分开测:
| 待测模块 | 关心的指标 |
| -------- | ---------- |
| 页管理 | 单页读写延迟、顺序读 vs 随机读吞吐 |
| B+ 树 | 插入/查找/范围扫描的耗时随数据量增长的趋势 |
| 缓冲池 | 命中率、缺页次数、替换策略(LRU 等)的对比 |
| WAL | 追加写吞吐、日志落盘延迟、恢复耗时 |
| 崩溃恢复 | 从日志重放的时间、恢复后数据一致性 |
## 用什么
Rust 侧的基准测试一般用 [criterion](https://github.com/bheisler/criterion.rs):
```
benchmark/chusql-storage/
├── Cargo.toml
└── benches/
├── page.rs
├── btree.rs
├── buffer_pool.rs
└── wal.rs
```
跑法:`cargo bench`
另外还要和 Haskell 层对齐口径:查询层的基准是"整条查询的耗时",
存储层的基准是"单次 IO / 单次查找的耗时",两边不要混在一起比。