摘要：本文主要分析了MySQL 8.0 EXPLAIN ANALYZE命令的使用，并结合源码介绍其实现思路，帮助数据库使用者和开发者更好的使用、理解该功能。
本文分享自华为云社区《【华为云MySQL技术专栏】MySQL 8.0 EXPLAIN ANALYZE 工具介绍》，作者：GaussDB 数据库。
1. EXPLAIN ANALYZE可以解决什么问题
MySQL 8.0.18 版本开始支持查询分析工具EXPLAIN ANALYZE，该工具不仅会实际执行SQL语句，还会展示SQL语句详细的执行信息，包含执行算子（Iterator）粒度的扫描行数、执行耗时、迭代次数等信息。
EXPLAIN ANALYZE工具是MySQL EXPLAIN FORMAT=TREE 功能的扩展，除了展示执行计划和代价估算之外，还提供了细粒度执行算子的耗时等信息。这使得DBA和开发人员能够基于代价估算和算子实际执行耗时信息，判断执行计划是否合理，并识别出后续的优化点。
2. EXPLAIN ANALYZE如何使用
以TPC-H基准测试中的Q14 查询为例，该SQL为两个表的连接及GROUP BY聚合操作，用于统计发货日志在1996年1月的促销商品收入占比 。
select
100.00 * sum(case
when p_type like 'PROMO%'
then l_extendedprice * (1 - l_discount)
else 0
end) / sum(l_extendedprice * (1 - l_discount)) as promo_revenue
from
lineitem,
part
where
l_partkey = p_partkey
and l_shipdate >= '1996-01-01'
and l_shipdate < date_add( '1996-01-01', interval '1' month);
通过EXPLAIN FORMAT=TREE语句，可以看出执行计划和代价估算信息：
-> Aggregate: sum((lineitem.L_EXTENDEDPRICE * (1 - lineitem.L_DISCOUNT))), sum((case when (part.P_TYPE like 'PROMO%') then (lineitem.L_EXTENDEDPRICE * (1 - lineitem.L_DISCOUNT)) else 0 end))
-> Nested loop inner join (cost=83997.65 rows=66041)
-> Filter: ((lineitem.L_SHIPDATE >= DATE'1996-01-01') and (lineitem.L_SHIPDATE < <cache>(('1996-01-01' + interval '1' month)))) (cost=60883.30 rows=66041)
-> Table scan on lineitem (cost=60883.30 rows=594488)
-> Single-row index lookup on part using PRIMARY (P_PARTKEY=lineitem.L_PARTKEY) (cost=0.25 rows=1)
通过EXPLAIN ANALYZE语句，可以看出每个算子详细的执行信息，如下:
-> Aggregate: sum((lineitem.L_EXTENDEDPRICE * (1 - lineitem.L_DISCOUNT))), sum((case when (part.P_TYPE like 'PROMO%') then (lineitem.L_EXTENDEDPRICE * (1 - lineitem.L_DISCOUNT)) else 0 end)) (actual time=203.753..203.753 rows=1 loops=1)
-> Nested loop inner join (cost=83997.65 rows=66041) (actual time=0.056..200.386 rows=7884 loops=1)
-> Filter: ((lineitem.L_SHIPDATE >= DATE'1996-01-01') and (lineitem.L_SHIPDATE < <cache>(('1996-01-01' + interval '1' month)))) (cost=60883.30 rows=66041) (actual time=0.042..183.957 rows=7884 loops=1)
-> Table scan on lineitem (cost=60883.30 rows=594488) (actual time=0.039..140.993 rows=600572 loops=1)
-> Single-row index lookup on part using PRIMARY (P_PARTKEY=lineitem.L_PARTKEY) (cost=0.25 rows=1) (actual time=0.002..0.002 rows=1 loops=7884)
相比EXPLAIN FORMAT=TREE，EXPLAIN ANALYZE会实际执行SQL语句，并统计每个算子的详细耗时信息，每个算子额外提供如下信息：
(actual time=m_start..m_end rows=m_rows loops=m_loops)
例如，Filter算子过滤lineitem表的L_SHIPDATE字段在 ['1996-01-01', '1996-02-01') 区间的数据。
Filter: ((lineitem.L_SHIPDATE >= DATE'1996-01-01') and (lineitem.L_SHIPDATE < <cache>(('1996-01-01' + interval '1' month))))
(cost=60883.30 rows=66041)
(actual time=0.042..183.957 rows=7884 loops=1)
优化器基于统计信息估算出的代价为 60883.30，预测返回行数为 66041；然而，实际执行后发现，真实的返回行数为7884。其中，Filter算子过滤掉了592688行 (600572 - 7884)。迭代次数为1（对应于Nested Loop Join中外表的扫描次数），返回给上层算子（Nested loop inner join）第一行数据的时间为 0.042 毫秒，返回给上层算子所有数据的时间为 183.957 毫秒。
例如，点查算子Single-row index lookup on part using PRIMARY，作为Nested loop inner join的内表，通过条件part.p_partkey = lineitem.l_partkey循环获取满足条件的行。
Single-row index lookup on part using PRIMARY (P_PARTKEY=lineitem.L_PARTKEY)
(cost=0.25 rows=1)
(actual time=0.002..0.002 rows=1 loops=7884)
优化器估算出的代价为0.25，预测返回行数为 1；然而，实际执行后发现，真实的返回行数为1，但迭代次数为7884，与外表FILTER算子执行后的结果数据量相等，每次迭代只返回上层算子1行。因此，返回给上层算子（Nested loop inner join）第一行数据的时间和所有数据的时间相等，都是0.002毫秒，可以推算出内表点查的累计耗时为 15.768 毫秒(7884 * 0.002毫秒)。
基于以上分析，我们可以看出该SQL语句执行耗时约200 毫秒，lineitem表的全表扫描耗时约140 毫秒，Filter算子耗时约40 毫秒，part表循环点查约16 毫秒。
3. EXPLAIN ANALYZE源码实现
MySQL 8.0 使用火山执行引擎，火山模型是数据库系统中广泛使用的迭代模型。SQL语句经过查询解析生成抽象语法树（AST），然后经过查询优化，最终生成执行树，执行树的每个节点对应一个执行算子（Iterator）。每个算子提供了Init,Read,End接口，每个算子从子节点获取数据，执行该算子的相关工作，并返回结果给父节点。
以MySQL 8.0.22版本为例，它提供了37个执行算子来处理数据读取、多表连接、聚合操作、数据物化等多个操作场景，每个执行算子都继承自一个基类RowIterator。
例如， TableScanIterator（处理全表扫描）和 NestedLoopIterator（处理2表连接）的类图如图1所示：
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图1 TableScanIterator 和 NestedLoopIterator 类图
EXPLAIN ANALYZE 工具的作用是展示SQL语句的执行计划以及详细记录各个算子的执行耗时。在MySQL 8.0中，这一功能的实现是通过新增一个接口模板类TimingIterator，将37个执行算子封装起来，以便统计各个执行算子的详细执行耗时信息。这样做的好处是实现简单，无需对所有算子单独适配，而且不影响非EXPLAIN ANALYZE语句的执行效率。
例如，全表扫描算子TableScanIterator 对应TimingIterator<TableScanIterator>，表连接算子 NestedLoopIterator 对应 TimingIterator<NestedLoopIterator>，其类图如图2所示：
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图2 TimingIterator<TableScanIterator> 和 TimingIterator<NestedLoopIterator> 类图
3.1 执行树生成
数据库优化器在确定了最优的访问路径（AccessPath）之 后，会通过函数 CreateIteratorFromAccessPath 生成执行树，该函数会依据算子类型，调用NewIterator函数生成对应的算子。如果是普通DQL（SELECT）语句，则生成对应的算子；如果是 EXPLAIN ANALYZE语句，则生成一个 TimingIterator< RealIterator> Wapper对象，其中，真实的执行算子被保存在 TimingIterator::m_iterator 中。
例如，EXPLAIN ANALYZE语句，TableScanIterator 会生成TimingIterator<TableScanIterator> 算子，NestedLoopIterator 会生成 TimingIterator<NestedLoopIterator> 算子，执行流程如图3所示。
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图3 执行树生成流程
3.2 统计算子执行耗时
TimingIterator 模板类的主体实现如下表所示，执行的统计信息记录在几个私有成员变量中。
template <class RealIterator>
class TimingIterator final : public RowIterator {
public:
bool Init() override;
int Read() override;
std::string TimingString() const override; // 打印函数，输出算子执行时间信息
private:
uint64_t m_num_rows = 0; // 该算子累计处理的记录数
uint64_t m_num_init_calls = 0; // 调用 Init 函数的次数
// 返回第一行的执行时间
steady_clock::time_point::duration m_time_spent_in_first_row{0};
// 返回所有行的执行时间
steady_clock::time_point::duration m_time_spent_in_other_rows{0};
bool m_first_row; // 是否为第一行数据
RealIterator m_iterator; // 真实的执行算子
};
在SQL语句实际执行过程中，通过 Init 和 Read 函数的调度来记录详细执行信息，具体实现如下:
template <class RealIterator>
bool TimingIterator<RealIterator>::Init() {
++m_num_init_calls; // Init 函数的调用次数递增
steady_clock::time_point start = now();
bool err = m_iterator.Init(); // 调用真实执行算子的Init函数
steady_clock::time_point end = now();
m_time_spent_in_first_row += end - start; // 累计获取第一行数据的时间
m_first_row = true;
return err;
}
template <class RealIterator>
int TimingIterator<RealIterator>::Read() {
steady_clock::time_point start = now();
int err = m_iterator.Read(); // 调用真实执行算子的Read 函数
steady_clock::time_point end = now();
if (m_first_row) {
m_time_spent_in_first_row += end - start; // 更新获取第一行数据的时间
m_first_row = false; // 获取第一行数据结束
} else {
m_time_spent_in_other_rows += end - start; // 更新获取所有行数据的时间
}
if (err == 0) {
++m_num_rows; // 刷新该算子累计处理的记录数
}
return err;
}
3.3 打印算子执行耗时
SQL语句执行结束后，会调用函数 TimingIterator<RealIterator>::TimingString 打印算子执行耗时信息，调用堆栈信息如下表所示：
dispatch_command
mysql_parse
mysql_execute_command
Sql_cmd_dml::execute
Sql_cmd_dml::execute_inner
explain_query
ExplainIterator
PrintQueryPlan
ExplainAccessPath
TimingIterator<RealIterator>::TimingString
TimingIterator<RealIterator>::TimingString 函数，会基于执行阶段的统计打印以下信息：
-
该算子返回第一行数据的实际时间(毫秒)
-
该算子返回所有数据的实际时间(毫秒)
-
该算子实际的返回行数
-
该算子实际的迭代次数
4. 总结
综上，我们分析了MySQL 8.0 EXPLAIN ANALYZE命令的使用，并结合源码介绍其实现思路，帮助数据库使用者和开发者更好的使用、理解该功能。
当遇到慢查询时，我们也可借助于EXPLAIN ANALYZE工具观察执行计划是否合理、分析SQL执行的主要耗时点，进而去优化SQL执行。
参考资料
https://dev.mysql.com/doc/relnotes/mysql/8.0/en/news-8-0-18.html
https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=4168
https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/using-explain.html
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