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[postgresql] / doc / src / sgml / geqo.sgml
index 70d5eec96f6bc51774eb42d033a41441e803410d..e0f8adcd6ed6901653f9fb01196b221af92ee05d 100644 (file)
@@ -1,34 +1,7 @@
-<!--
-$Header: /cvsroot/pgsql/doc/src/sgml/geqo.sgml,v 1.25 2003/11/24 19:08:02 petere Exp $
-Genetic Optimizer
--->
+<!-- doc/src/sgml/geqo.sgml -->
 
  <chapter id="geqo">
-  <chapterinfo>
-   <author>
-    <firstname>Martin</firstname>
-    <surname>Utesch</surname>
-    <affiliation>
-     <orgname>
-      University of Mining and Technology
-     </orgname>
-     <orgdiv>
-      Institute of Automatic Control
-     </orgdiv>
-     <address>
-      <city>
-       Freiberg
-      </city>
-      <country>
-       Germany
-      </country>
-     </address>
-    </affiliation>
-   </author>
-   <date>1997-10-02</date>
-  </chapterinfo>
-
-  <title id="geqo-title">Genetic Query Optimizer</title>
+  <title>Genetic Query Optimizer</title>
 
   <para>
    <note>
@@ -46,46 +19,41 @@ Genetic Optimizer
    <para>
     Among all relational operators the most difficult one to process
     and optimize is the <firstterm>join</firstterm>. The number of
-    alternative plans to answer a query grows exponentially with the
-    number of joins included in it. Further optimization effort is
+    possible query plans grows exponentially with the
+    number of joins in the query. Further optimization effort is
     caused by the support of a variety of <firstterm>join
     methods</firstterm> (e.g., nested loop, hash join, merge join in
     <productname>PostgreSQL</productname>) to process individual joins
-    and a diversity of <firstterm>indexes</firstterm> (e.g., R-tree,
-    B-tree, hash in <productname>PostgreSQL</productname>) as access
-    paths for relations.
+    and a diversity of <firstterm>indexes</firstterm> (e.g.,
+    B-tree, hash, GiST and GIN in <productname>PostgreSQL</productname>) as
+    access paths for relations.
    </para>
 
    <para>
-    The current <productname>PostgreSQL</productname> optimizer
-    implementation performs a <firstterm>near-exhaustive
-    search</firstterm> over the space of alternative strategies. This
-    algorithm, first introduced in the <quote>System R</quote>
-    database, produces a near-optimal join order, but can take an
-    enormous amount of time and memory space when the number of joins
-    in the query grows large. This makes the ordinary
+    The normal <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer
+    performs a <firstterm>near-exhaustive search</firstterm> over the
+    space of alternative strategies. This algorithm, first introduced
+    in IBM's System R database, produces a near-optimal join order,
+    but can take an enormous amount of time and memory space when the
+    number of joins in the query grows large. This makes the ordinary
     <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer
-    inappropriate for database application domains that involve the
-    need for extensive queries, such as artificial intelligence.
+    inappropriate for queries that join a large number of tables.
    </para>
 
    <para>
     The Institute of Automatic Control at the University of Mining and
-    Technology, in Freiberg, Germany, encountered the described problems as its
-    folks wanted to take the <productname>PostgreSQL</productname> DBMS as the backend for a decision
-    support knowledge based system for the maintenance of an electrical
-    power grid. The DBMS needed to handle large join queries for the
-    inference machine of the knowledge based system.
-   </para>
-
-   <para>
-    Performance difficulties in exploring the space of possible query
-    plans created the demand for a new optimization technique to be developed.
+    Technology, in Freiberg, Germany, encountered some problems when
+    it wanted to use <productname>PostgreSQL</productname> as the
+    backend for a decision support knowledge based system for the
+    maintenance of an electrical power grid. The DBMS needed to handle
+    large join queries for the inference machine of the knowledge
+    based system. The number of joins in these queries made using the
+    normal query optimizer infeasible.
    </para>
 
    <para>
     In the following we describe the implementation of a
-    <firstterm>Genetic Algorithm</firstterm> to solve the join
+    <firstterm>genetic algorithm</firstterm> to solve the join
     ordering problem in a manner that is efficient for queries
     involving large numbers of joins.
    </para>
@@ -96,8 +64,7 @@ Genetic Optimizer
 
    <para>
     The genetic algorithm (<acronym>GA</acronym>) is a heuristic optimization method which
-    operates through
-    determined, randomized search. The set of possible solutions for the
+    operates through randomized search. The set of possible solutions for the
     optimization problem is considered as a
     <firstterm>population</firstterm> of <firstterm>individuals</firstterm>.
     The degree of adaptation of an individual to its environment is specified
@@ -124,7 +91,7 @@ Genetic Optimizer
     According to the <systemitem class="resource">comp.ai.genetic</> <acronym>FAQ</acronym> it cannot be stressed too
     strongly that a <acronym>GA</acronym> is not a pure random search for a solution to a
     problem. A <acronym>GA</acronym> uses stochastic processes, but the result is distinctly
-    non-random (better than random). 
+    non-random (better than random).
    </para>
 
    <figure id="geqo-diagram">
@@ -148,7 +115,7 @@ Genetic Optimizer
 
 <literallayout class="monospaced">
 +=========================================+
-|>>>>>>>>>>>  Algorithm GA  <<<<<<<<<<<<<<|
+|&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;|
 +=========================================+
 | INITIALIZE t := 0                       |
 +=========================================+
@@ -176,11 +143,12 @@ Genetic Optimizer
    <title>Genetic Query Optimization (<acronym>GEQO</acronym>) in PostgreSQL</title>
 
    <para>
-    The <acronym>GEQO</acronym> module is intended for the solution of the query
-    optimization problem similar to a traveling salesman problem (<acronym>TSP</acronym>).
+    The <acronym>GEQO</acronym> module approaches the query
+    optimization problem as though it were the well-known traveling salesman
+    problem (<acronym>TSP</acronym>).
     Possible query plans are encoded as integer strings. Each string
     represents the join order from one relation of the query to the next.
-    E. g., the query tree
+    For example, the join tree
 <literallayout class="monospaced">
    /\
   /\ 2
@@ -193,11 +161,6 @@ Genetic Optimizer
     <productname>PostgreSQL</productname> optimizer.
    </para>
 
-   <para>
-    Parts of the <acronym>GEQO</acronym> module are adapted from D. Whitley's Genitor
-    algorithm.
-   </para>
-
    <para>
     Specific characteristics of the <acronym>GEQO</acronym>
     implementation in <productname>PostgreSQL</productname>
@@ -231,6 +194,11 @@ Genetic Optimizer
     </itemizedlist>
    </para>
 
+   <para>
+    Parts of the <acronym>GEQO</acronym> module are adapted from D. Whitley's
+    Genitor algorithm.
+   </para>
+
    <para>
     The <acronym>GEQO</acronym> module allows
     the <productname>PostgreSQL</productname> query optimizer to
@@ -238,6 +206,46 @@ Genetic Optimizer
     non-exhaustive search.
    </para>
 
+  <sect2>
+   <title>Generating Possible Plans with <acronym>GEQO</acronym></title>
+
+   <para>
+    The <acronym>GEQO</acronym> planning process uses the standard planner
+    code to generate plans for scans of individual relations.  Then join
+    plans are developed using the genetic approach.  As shown above, each
+    candidate join plan is represented by a sequence in which to join
+    the base relations.  In the initial stage, the <acronym>GEQO</acronym>
+    code simply generates some possible join sequences at random.  For each
+    join sequence considered, the standard planner code is invoked to
+    estimate the cost of performing the query using that join sequence.
+    (For each step of the join sequence, all three possible join strategies
+    are considered; and all the initially-determined relation scan plans
+    are available.  The estimated cost is the cheapest of these
+    possibilities.)  Join sequences with lower estimated cost are considered
+    <quote>more fit</> than those with higher cost.  The genetic algorithm
+    discards the least fit candidates.  Then new candidates are generated
+    by combining genes of more-fit candidates &mdash; that is, by using
+    randomly-chosen portions of known low-cost join sequences to create
+    new sequences for consideration.  This process is repeated until a
+    preset number of join sequences have been considered; then the best
+    one found at any time during the search is used to generate the finished
+    plan.
+   </para>
+
+   <para>
+    This process is inherently nondeterministic, because of the randomized
+    choices made during both the initial population selection and subsequent
+    <quote>mutation</> of the best candidates.  To avoid surprising changes
+    of the selected plan, each run of the GEQO algorithm restarts its
+    random number generator with the current <xref linkend="guc-geqo-seed">
+    parameter setting.  As long as <varname>geqo_seed</> and the other
+    GEQO parameters are kept fixed, the same plan will be generated for a
+    given query (and other planner inputs such as statistics).  To experiment
+    with different search paths, try changing <varname>geqo_seed</>.
+   </para>
+
+  </sect2>
+
   <sect2 id="geqo-future">
    <title>Future Implementation Tasks for
     <productname>PostgreSQL</> <acronym>GEQO</acronym></title>
@@ -245,29 +253,49 @@ Genetic Optimizer
      <para>
       Work is still needed to improve the genetic algorithm parameter
       settings.
-      In file <filename>backend/optimizer/geqo/geqo_params.c</filename>, routines
+      In file <filename>src/backend/optimizer/geqo/geqo_main.c</filename>,
+      routines
       <function>gimme_pool_size</function> and <function>gimme_number_generations</function>,
       we have to find a compromise for the parameter settings
       to satisfy two competing demands:
       <itemizedlist spacing="compact">
        <listitem>
-       <para>
-        Optimality of the query plan
-       </para>
+        <para>
+         Optimality of the query plan
+        </para>
        </listitem>
        <listitem>
-       <para>
-        Computing time
-       </para>
+        <para>
+         Computing time
+        </para>
        </listitem>
       </itemizedlist>
      </para>
 
+     <para>
+      In the current implementation, the fitness of each candidate join
+      sequence is estimated by running the standard planner's join selection
+      and cost estimation code from scratch.  To the extent that different
+      candidates use similar sub-sequences of joins, a great deal of work
+      will be repeated.  This could be made significantly faster by retaining
+      cost estimates for sub-joins.  The problem is to avoid expending
+      unreasonable amounts of memory on retaining that state.
+     </para>
+
+     <para>
+      At a more basic level, it is not clear that solving query optimization
+      with a GA algorithm designed for TSP is appropriate.  In the TSP case,
+      the cost associated with any substring (partial tour) is independent
+      of the rest of the tour, but this is certainly not true for query
+      optimization.  Thus it is questionable whether edge recombination
+      crossover is the most effective mutation procedure.
+     </para>
+
    </sect2>
   </sect1>
 
  <sect1 id="geqo-biblio">
-  <title>Further Readings</title>
+  <title>Further Reading</title>
 
   <para>
    The following resources contain additional information about
@@ -276,23 +304,23 @@ Genetic Optimizer
    <itemizedlist>
     <listitem>
      <para>
-      <ulink url="http://surf.de.uu.net/encore/www/">The Hitch-Hiker's
-      Guide to Evolutionary Computation</ulink> (FAQ for <ulink
-      url="news://comp.ai.genetic">comp.ai.genetic</ulink>)
+      <ulink url="http://www.aip.de/~ast/EvolCompFAQ/">
+      The Hitch-Hiker's Guide to Evolutionary Computation</ulink>, (FAQ for <ulink
+      url="news://comp.ai.genetic"></ulink>)
      </para>
     </listitem>
-   
+
     <listitem>
      <para>
-      <ulink url="http://www.red3d.com/cwr/evolve.html">Evolutionary
-       Computation and its application to art and design</ulink> by
+      <ulink url="http://www.red3d.com/cwr/evolve.html">
+      Evolutionary Computation and its application to art and design</ulink>, by
       Craig Reynolds
      </para>
     </listitem>
 
     <listitem>
      <para>
-      <xref linkend="ELMA99">
+      <xref linkend="ELMA04">
      </para>
     </listitem>
 
@@ -306,20 +334,3 @@ Genetic Optimizer
 
  </sect1>
 </chapter>
-
-<!-- Keep this comment at the end of the file
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