MySQL 8 的新特性 - MySQL 8.0 新特性—哈希连接（Hash Join） - 《SQL》

MySQL8 哈希连接 Hash Join
MySQL 开发组于 2019 年 10 月 14 日正式发布了 MySQL 8.0.18 GA 版本，带来了一些新特性和增强功能。其中最引人注目的莫过于多表连接查询支持 hash join 方式了。先来看看官方的描述：

https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/hash-joins.html

MySQL 实现了用于内连接查询的 hash join 方式。例如，从 MySQL 8.0.18 开始以下查询可以使用 hash join 进行连接查询：

SELECT * 
    FROM t1 
    JOIN t2 
        ON t1.c1=t2.c1;

Hash join 不需要索引的支持。大多数情况下，hash join 比之前的 Block Nested-Loop 算法在没有索引时的等值连接更加高效。
使用以下语句创建三张测试表：

CREATE TABLE t1 (c1 INT, c2 INT);
CREATE TABLE t2 (c1 INT, c2 INT);
CREATE TABLE t3 (c1 INT, c2 INT);

使用EXPLAIN FORMAT=TREE命令可以看到执行计划中的 hash join，例如：

mysql> EXPLAIN FORMAT=TREE
    -> SELECT * 
    ->     FROM t1 
    ->     JOIN t2 
    ->         ON t1.c1=t2.c1\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: -> Inner hash join (t2.c1 = t1.c1)  (cost=0.70 rows=1)
    -> Table scan on t2  (cost=0.35 rows=1)
    -> Hash
        -> Table scan on t1  (cost=0.35 rows=1)

必须使用 EXPLAIN 命令的 FORMAT=TREE 选项才能看到节点中的 hash join。另外，EXPLAIN ANALYZE命令也可以显示 hash join 的使用信息。这也是该版本新增的一个功能。
多个表之间使用等值连接的的查询也会进行这种优化。例如以下查询：

SELECT * 
    FROM t1
    JOIN t2 
        ON (t1.c1 = t2.c1 AND t1.c2 < t2.c2)
    JOIN t3 
        ON (t2.c1 = t3.c1);

在以上示例中，任何其他非等值连接的条件将会在连接操作之后作为过滤器使用。可以通过EXPLAIN FORMAT=TREE命令的输出进行查看：

mysql> EXPLAIN FORMAT=TREE
    -> SELECT * 
    ->     FROM t1
    ->     JOIN t2 
    ->         ON (t1.c1 = t2.c1 AND t1.c2 < t2.c2)
    ->     JOIN t3 
    ->         ON (t2.c1 = t3.c1)\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: -> Inner hash join (t3.c1 = t1.c1)  (cost=1.05 rows=1)
    -> Table scan on t3  (cost=0.35 rows=1)
    -> Hash
        -> Filter: (t1.c2 < t2.c2)  (cost=0.70 rows=1)
            -> Inner hash join (t2.c1 = t1.c1)  (cost=0.70 rows=1)
                -> Table scan on t2  (cost=0.35 rows=1)
                -> Hash
                    -> Table scan on t1  (cost=0.35 rows=1)

从以上输出同样可以看出，包含多个等值连接条件的查询也可以（会）使用多个 hash join 连接。
但是，如果任何连接语句（ON）中没有使用等值连接条件，将不会采用 hash join 连接方式。例如：

mysql> EXPLAIN FORMAT=TREE
    ->     SELECT * 
    ->         FROM t1
    ->         JOIN t2 
    ->             ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->         JOIN t3 
    ->             ON (t2.c1 < t3.c1)\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: <not executable by iterator executor>

此时，将会采用性能更慢的 block nested loop 连接算法。这与 MySQL 8.0.18 之前版本中没有索引时的情况一样：

mysql> EXPLAIN
    ->     SELECT * 
    ->         FROM t1
    ->         JOIN t2 
    ->             ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->         JOIN t3 
    ->             ON (t2.c1 < t3.c1)\G             
*************************** 1. row ***************************
           id: 1
  select_type: SIMPLE
        table: t1
   partitions: NULL
         type: ALL
possible_keys: NULL
          key: NULL
      key_len: NULL
          ref: NULL
         rows: 1
     filtered: 100.00
        Extra: NULL
*************************** 2. row ***************************
           id: 1
  select_type: SIMPLE
        table: t2
   partitions: NULL
         type: ALL
possible_keys: NULL
          key: NULL
      key_len: NULL
          ref: NULL
         rows: 1
     filtered: 100.00
        Extra: Using where; Using join buffer (Block Nested Loop)
*************************** 3. row ***************************
           id: 1
  select_type: SIMPLE
        table: t3
   partitions: NULL
         type: ALL
possible_keys: NULL
          key: NULL
      key_len: NULL
          ref: NULL
         rows: 1
     filtered: 100.00
        Extra: Using where; Using join buffer (Block Nested Loop)

Hash join 连接同样适用于不指定查询条件时的笛卡尔积（Cartesian product），例如：

mysql> EXPLAIN FORMAT=TREE
    -> SELECT *
    ->     FROM t1
    ->     JOIN t2
    ->     WHERE t1.c2 > 50\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: -> Inner hash join  (cost=0.70 rows=1)
    -> Table scan on t2  (cost=0.35 rows=1)
    -> Hash
        -> Filter: (t1.c2 > 50)  (cost=0.35 rows=1)
            -> Table scan on t1  (cost=0.35 rows=1)

默认配置时，MySQL 所有可能的情况下都会使用 hash join。同时提供了两种控制是否使用 hash join 的方法：

在全局或者会话级别设置服务器系统变量 optimizer_switch 中的 hash_join=on 或者 hash_join=off 选项。默认为 hash_join=on。
在语句级别为特定的连接指定优化器提示 HASH_JOIN 或者 NO_HASH_JOIN。

可以通过系统变量 join_buffer_size 控制 hash join 允许使用的内存数量；hash join 不会使用超过该变量设置的内存数量。如果 hash join 所需的内存超过该阈值，MySQL 将会在磁盘中执行操作。
需要注意的是，如果 hash join 无法在内存中完成，并且打开的文件数量超过系统变量 open_files_limit 的值，连接操作可能会失败。为了解决这个问题，可以使用以下方法之一：

增加 join_buffer_size 的值，确保 hash join 可以在内存中完成。
增加 open_files_limit 的值。

接下来比较一下 hash join 和 block nested loop 的性能，首先分别为 t1、t2 和 t3 生成 1000000 条记录：

set join_buffer_size=2097152000;
SET @@cte_max_recursion_depth = 99999999;
INSERT INTO t1
-- INSERT INTO t2
-- INSERT INTO t3
WITH RECURSIVE t AS (
  SELECT 1 AS c1, 1 AS c2
  UNION ALL
  SELECT t.c1 + 1, t.c1 * 2
    FROM t
   WHERE t.c1 < 1000000
)
SELECT *
  FROM t;

没有索引情况下的 hash join：

mysql> EXPLAIN ANALYZE
    -> SELECT COUNT(*)
    ->   FROM t1
    ->   JOIN t2 
    ->     ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->   JOIN t3 
    ->     ON (t2.c1 = t3.c1)\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: -> Aggregate: count(0)  (actual time=22993.098..22993.099 rows=1 loops=1)
    -> Inner hash join (t3.c1 = t1.c1)  (cost=9952535443663536.00 rows=9952435908880402) (actual time=14489.176..21737.032 rows=1000000 loops=1)
        -> Table scan on t3  (cost=0.00 rows=998412) (actual time=0.103..3973.892 rows=1000000 loops=1)
        -> Hash
            -> Inner hash join (t2.c1 = t1.c1)  (cost=99682753413.67 rows=99682653660) (actual time=5663.592..12236.984 rows=1000000 loops=1)
                -> Table scan on t2  (cost=0.01 rows=998412) (actual time=0.067..3364.105 rows=1000000 loops=1)
                -> Hash
                    -> Table scan on t1  (cost=100539.40 rows=998412) (actual time=0.133..3395.799 rows=1000000 loops=1)
1 row in set (23.22 sec)
mysql> SELECT COUNT(*)
    ->   FROM t1
    ->   JOIN t2 
    ->     ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->   JOIN t3 
    ->     ON (t2.c1 = t3.c1);
+----------+
| COUNT(*) |
+----------+
|  1000000 |
+----------+
1 row in set (12.98 sec)

实际运行花费了 12.98 秒。这个时候如果使用 block nested loop：

mysql> EXPLAIN FORMAT=TREE
    -> SELECT /*+  NO_HASH_JOIN(t1, t2, t3) */ COUNT(*)
    ->   FROM t1
    ->   JOIN t2 
    ->     ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->   JOIN t3 
    ->     ON (t2.c1 = t3.c1)\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: <not executable by iterator executor>
1 row in set (0.00 sec)
SELECT /*+  NO_HASH_JOIN(t1, t2, t3) */ COUNT(*)
  FROM t1
  JOIN t2 
    ON (t1.c1 = t2.c1)
  JOIN t3 
    ON (t2.c1 = t3.c1);

EXPLAIN 显示无法使用 hash join。查询跑了几十分钟也没有出结果，其中一个 CPU 使用率到了 100%；因为一直在执行嵌套循环（1000000 的 3 次方）。
再看有索引时的 block nested loop 方法，增加索引：

mysql> CREATE index idx1 ON t1(c1);
Query OK, 0 rows affected (7.39 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
mysql> CREATE index idx2 ON t2(c1);
Query OK, 0 rows affected (6.77 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
mysql> CREATE index idx3 ON t3(c1);
Query OK, 0 rows affected (7.23 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

查看执行计划并运行相同的查询语句：

mysql> EXPLAIN ANALYZE
    -> SELECT COUNT(*)
    ->   FROM t1
    ->   JOIN t2 
    ->     ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->   JOIN t3 
    ->     ON (t2.c1 = t3.c1)\G
*************************** 1. row ***************************
EXPLAIN: -> Aggregate: count(0)  (actual time=47684.034..47684.035 rows=1 loops=1)
    -> Nested loop inner join  (cost=2295573.22 rows=998412) (actual time=0.116..46363.599 rows=1000000 loops=1)
        -> Nested loop inner join  (cost=1198056.31 rows=998412) (actual time=0.087..25788.696 rows=1000000 loops=1)
            -> Filter: (t1.c1 is not null)  (cost=100539.40 rows=998412) (actual time=0.050..5557.847 rows=1000000 loops=1)
                -> Index scan on t1 using idx1  (cost=100539.40 rows=998412) (actual time=0.043..3253.769 rows=1000000 loops=1)
            -> Index lookup on t2 using idx2 (c1=t1.c1)  (cost=1.00 rows=1) (actual time=0.012..0.015 rows=1 loops=1000000)
        -> Index lookup on t3 using idx3 (c1=t1.c1)  (cost=1.00 rows=1) (actual time=0.012..0.015 rows=1 loops=1000000)
1 row in set (47.68 sec)
mysql> SELECT COUNT(*)
    ->   FROM t1
    ->   JOIN t2 
    ->     ON (t1.c1 = t2.c1)
    ->   JOIN t3 
    ->     ON (t2.c1 = t3.c1);
+----------+
| COUNT(*) |
+----------+
|  1000000 |
+----------+
1 row in set (19.56 sec)

实际运行花费了 19.56 秒。所以在这个场景中的测试结果如下：

Hash Join(无索引)	Block Nested Loop(无索引)	Block Nested Loop(有索引)
12.98s	未返回	19.56s

再增加一个 Oracle 12c 中无索引时 hash join 结果：1.282 s。
再增加一个 PostgreSQL 11.5 中无索引时 hash join 结果：6.234 s。
再增加一个 SQL 2017 中无索引时 hash join 结果：5.207 s。