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Provide a bit more high-level documentation for the GEQO planner.
[postgresql] / doc / src / sgml / geqo.sgml
1 <!-- $PostgreSQL: pgsql/doc/src/sgml/geqo.sgml,v 1.40 2007/07/21 04:02:41 tgl Exp $ -->
2
3  <chapter id="geqo">
4   <chapterinfo>
5    <author>
6     <firstname>Martin</firstname>
7     <surname>Utesch</surname>
8     <affiliation>
9      <orgname>
10       University of Mining and Technology
11      </orgname>
12      <orgdiv>
13       Institute of Automatic Control
14      </orgdiv>
15      <address>
16       <city>
17        Freiberg
18       </city>
19       <country>
20        Germany
21       </country>
22      </address>
23     </affiliation>
24    </author>
25    <date>1997-10-02</date>
26   </chapterinfo>
27
28   <title id="geqo-title">Genetic Query Optimizer</title>
29
30   <para>
31    <note>
32     <title>Author</title>
33     <para>
34      Written by Martin Utesch (<email>utesch@aut.tu-freiberg.de</email>)
35      for the Institute of Automatic Control at the University of Mining and Technology in Freiberg, Germany.
36     </para>
37    </note>
38   </para>
39
40   <sect1 id="geqo-intro">
41    <title>Query Handling as a Complex Optimization Problem</title>
42
43    <para>
44     Among all relational operators the most difficult one to process
45     and optimize is the <firstterm>join</firstterm>. The number of
46     possible query plans grows exponentially with the
47     number of joins in the query. Further optimization effort is
48     caused by the support of a variety of <firstterm>join
49     methods</firstterm> (e.g., nested loop, hash join, merge join in
50     <productname>PostgreSQL</productname>) to process individual joins
51     and a diversity of <firstterm>indexes</firstterm> (e.g.,
52     B-tree, hash, GiST and GIN in <productname>PostgreSQL</productname>) as 
53     access paths for relations.
54    </para>
55
56    <para>
57     The normal <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer
58     performs a <firstterm>near-exhaustive search</firstterm> over the
59     space of alternative strategies. This algorithm, first introduced
60     in IBM's System R database, produces a near-optimal join order,
61     but can take an enormous amount of time and memory space when the
62     number of joins in the query grows large. This makes the ordinary
63     <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer
64     inappropriate for queries that join a large number of tables.
65    </para>
66
67    <para>
68     The Institute of Automatic Control at the University of Mining and
69     Technology, in Freiberg, Germany, encountered some problems when
70     it wanted to use <productname>PostgreSQL</productname> as the
71     backend for a decision support knowledge based system for the
72     maintenance of an electrical power grid. The DBMS needed to handle
73     large join queries for the inference machine of the knowledge
74     based system. The number of joins in these queries made using the
75     normal query optimizer infeasible.
76    </para>
77
78    <para>
79     In the following we describe the implementation of a
80     <firstterm>genetic algorithm</firstterm> to solve the join
81     ordering problem in a manner that is efficient for queries
82     involving large numbers of joins.
83    </para>
84   </sect1>
85
86   <sect1 id="geqo-intro2">
87    <title>Genetic Algorithms</title>
88
89    <para>
90     The genetic algorithm (<acronym>GA</acronym>) is a heuristic optimization method which
91     operates through
92     nondeterministic, randomized search. The set of possible solutions for the
93     optimization problem is considered as a
94     <firstterm>population</firstterm> of <firstterm>individuals</firstterm>.
95     The degree of adaptation of an individual to its environment is specified
96     by its <firstterm>fitness</firstterm>.
97    </para>
98
99    <para>
100     The coordinates of an individual in the search space are represented
101     by <firstterm>chromosomes</firstterm>, in essence a set of character
102     strings. A <firstterm>gene</firstterm> is a
103     subsection of a chromosome which encodes the value of a single parameter
104     being optimized. Typical encodings for a gene could be <firstterm>binary</firstterm> or
105     <firstterm>integer</firstterm>.
106    </para>
107
108    <para>
109     Through simulation of the evolutionary operations <firstterm>recombination</firstterm>,
110     <firstterm>mutation</firstterm>, and
111     <firstterm>selection</firstterm> new generations of search points are found
112     that show a higher average fitness than their ancestors.
113    </para>
114
115    <para>
116     According to the <systemitem class="resource">comp.ai.genetic</> <acronym>FAQ</acronym> it cannot be stressed too
117     strongly that a <acronym>GA</acronym> is not a pure random search for a solution to a
118     problem. A <acronym>GA</acronym> uses stochastic processes, but the result is distinctly
119     non-random (better than random). 
120    </para>
121
122    <figure id="geqo-diagram">
123     <title>Structured Diagram of a Genetic Algorithm</title>
124
125     <informaltable frame="none">
126      <tgroup cols="2">
127       <tbody>
128        <row>
129         <entry>P(t)</entry>
130         <entry>generation of ancestors at a time t</entry>
131        </row>
132
133        <row>
134         <entry>P''(t)</entry>
135         <entry>generation of descendants at a time t</entry>
136        </row>
137       </tbody>
138      </tgroup>
139     </informaltable>
140
141 <literallayout class="monospaced">
142 +=========================================+
143 |&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;  Algorithm GA  &lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;&lt;|
144 +=========================================+
145 | INITIALIZE t := 0                       |
146 +=========================================+
147 | INITIALIZE P(t)                         |
148 +=========================================+
149 | evaluate FITNESS of P(t)                |
150 +=========================================+
151 | while not STOPPING CRITERION do         |
152 |   +-------------------------------------+
153 |   | P'(t)  := RECOMBINATION{P(t)}       |
154 |   +-------------------------------------+
155 |   | P''(t) := MUTATION{P'(t)}           |
156 |   +-------------------------------------+
157 |   | P(t+1) := SELECTION{P''(t) + P(t)}  |
158 |   +-------------------------------------+
159 |   | evaluate FITNESS of P''(t)          |
160 |   +-------------------------------------+
161 |   | t := t + 1                          |
162 +===+=====================================+
163 </literallayout>
164    </figure>
165   </sect1>
166
167   <sect1 id="geqo-pg-intro">
168    <title>Genetic Query Optimization (<acronym>GEQO</acronym>) in PostgreSQL</title>
169
170    <para>
171     The <acronym>GEQO</acronym> module approaches the query
172     optimization problem as though it were the well-known traveling salesman
173     problem (<acronym>TSP</acronym>).
174     Possible query plans are encoded as integer strings. Each string
175     represents the join order from one relation of the query to the next.
176     For example, the join tree
177 <literallayout class="monospaced">
178    /\
179   /\ 2
180  /\ 3
181 4  1
182 </literallayout>
183     is encoded by the integer string '4-1-3-2',
184     which means, first join relation '4' and '1', then '3', and
185     then '2', where 1, 2, 3, 4 are relation IDs within the
186     <productname>PostgreSQL</productname> optimizer.
187    </para>
188
189    <para>
190     Specific characteristics of the <acronym>GEQO</acronym>
191     implementation in <productname>PostgreSQL</productname>
192     are:
193
194     <itemizedlist spacing="compact" mark="bullet">
195      <listitem>
196       <para>
197        Usage of a <firstterm>steady state</firstterm> <acronym>GA</acronym> (replacement of the least fit
198        individuals in a population, not whole-generational replacement)
199        allows fast convergence towards improved query plans. This is
200        essential for query handling with reasonable time;
201       </para>
202      </listitem>
203
204      <listitem>
205       <para>
206        Usage of <firstterm>edge recombination crossover</firstterm>
207        which is especially suited to keep edge losses low for the
208        solution of the <acronym>TSP</acronym> by means of a
209        <acronym>GA</acronym>;
210       </para>
211      </listitem>
212
213      <listitem>
214       <para>
215        Mutation as genetic operator is deprecated so that no repair
216        mechanisms are needed to generate legal <acronym>TSP</acronym> tours.
217       </para>
218      </listitem>
219     </itemizedlist>
220    </para>
221
222    <para>
223     Parts of the <acronym>GEQO</acronym> module are adapted from D. Whitley's
224     Genitor algorithm.
225    </para>
226
227    <para>
228     The <acronym>GEQO</acronym> module allows
229     the <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer to
230     support large join queries effectively through
231     non-exhaustive search.
232    </para>
233
234   <sect2>
235    <title>Generating Possible Plans with <acronym>GEQO</acronym></title>
236
237    <para>
238     The <acronym>GEQO</acronym> planning process uses the standard planner
239     code to generate plans for scans of individual relations.  Then join
240     plans are developed using the genetic approach.  As shown above, each
241     candidate join plan is represented by a sequence in which to join
242     the base relations.  In the initial stage, the <acronym>GEQO</acronym>
243     code simply generates some possible join sequences at random.  For each
244     join sequence considered, the standard planner code is invoked to
245     estimate the cost of performing the query using that join sequence.
246     (For each step of the join sequence, all three possible join strategies
247     are considered; and all the initially-determined relation scan plans
248     are available.  The estimated cost is the cheapest of these
249     possibilities.)  Join sequences with lower estimated cost are considered
250     <quote>more fit</> than those with higher cost.  The genetic algorithm
251     discards the least fit candidates.  Then new candidates are generated
252     by combining genes of more-fit candidates &mdash; that is, by using
253     randomly-chosen portions of known low-cost join sequences to create
254     new sequences for consideration.  This process is repeated until a
255     preset number of join sequences have been considered; then the best
256     one found at any time during the search is used to generate the finished
257     plan.
258    </para>
259
260    <para>
261     This process is inherently nondeterministic, because of the randomized
262     choices made during both the initial population selection and subsequent
263     <quote>mutation</> of the best candidates.  Hence different plans may
264     be selected from one run to the next, resulting in varying run time
265     and varying output row order.
266    </para>
267
268   </sect2>
269
270   <sect2 id="geqo-future">
271    <title>Future Implementation Tasks for
272     <productname>PostgreSQL</> <acronym>GEQO</acronym></title>
273
274      <para>
275       Work is still needed to improve the genetic algorithm parameter
276       settings.
277       In file <filename>src/backend/optimizer/geqo/geqo_main.c</filename>,
278       routines
279       <function>gimme_pool_size</function> and <function>gimme_number_generations</function>,
280       we have to find a compromise for the parameter settings
281       to satisfy two competing demands:
282       <itemizedlist spacing="compact">
283        <listitem>
284         <para>
285          Optimality of the query plan
286         </para>
287        </listitem>
288        <listitem>
289         <para>
290          Computing time
291         </para>
292        </listitem>
293       </itemizedlist>
294      </para>
295
296      <para>
297       In the current implementation, the fitness of each candidate join
298       sequence is estimated by running the standard planner's join selection
299       and cost estimation code from scratch.  To the extent that different
300       candidates use similar sub-sequences of joins, a great deal of work
301       will be repeated.  This could be made significantly faster by retaining
302       cost estimates for sub-joins.  The problem is to avoid expending
303       unreasonable amounts of memory on retaining that state.
304      </para>
305
306      <para>
307       At a more basic level, it is not clear that solving query optimization
308       with a GA algorithm designed for TSP is appropriate.  In the TSP case,
309       the cost associated with any substring (partial tour) is independent
310       of the rest of the tour, but this is certainly not true for query
311       optimization.  Thus it is questionable whether edge recombination
312       crossover is the most effective mutation procedure.
313      </para>
314
315    </sect2>
316   </sect1>
317
318  <sect1 id="geqo-biblio">
319   <title>Further Reading</title>
320
321   <para>
322    The following resources contain additional information about
323    genetic algorithms:
324
325    <itemizedlist>
326     <listitem>
327      <para>
328       <ulink url="http://www.cs.bham.ac.uk/Mirrors/ftp.de.uu.net/EC/clife/www/location.htm">
329       The Hitch-Hiker's Guide to Evolutionary Computation</ulink>, (FAQ for <ulink
330       url="news://comp.ai.genetic"></ulink>)
331      </para>
332     </listitem>
333    
334     <listitem>
335      <para>
336       <ulink url="http://www.red3d.com/cwr/evolve.html">
337       Evolutionary Computation and its application to art and design</ulink>, by
338       Craig Reynolds
339      </para>
340     </listitem>
341
342     <listitem>
343      <para>
344       <xref linkend="ELMA04">
345      </para>
346     </listitem>
347
348     <listitem>
349      <para>
350       <xref linkend="FONG">
351      </para>
352     </listitem>
353    </itemizedlist>
354   </para>
355
356  </sect1>
357 </chapter>