SlideShare a Scribd company logo
1 of 55
Download to read offline
Chapter 13: Query Processing



                   Aug 10, 2006



     Database System Concepts, 5th Ed.
          ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
     See www.db­book.com for conditions on re­use 
Chapter 13:  Query Processing
             s Overview 
             s Measures of Query Cost
             s Selection Operation  
             s Sorting 
             s Join Operation 
             s Other Operations
             s Evaluation of Expressions




Database System Concepts ­ 5th Edition.    13.<number>   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Basic Steps in Query Processing

             1. Parsing and translation
             2. Optimization
             3. Evaluation




Database System Concepts ­ 5th Edition.   13.<number>   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Basic Steps in Query Processing 
                               (Cont.)
             s Parsing and translation
                     q   translate the query into its internal form.  This is then translated into 
                         relational algebra.
                     q   Parser checks syntax, verifies relations
             s Evaluation
                     q   The query­execution engine takes a query­evaluation plan, executes 
                         that plan, and returns the answers to the query.




Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>                ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Basic Steps in Query Processing : 
                                  Optimization
             s A relational algebra expression may have many equivalent expressions
                    q    E.g., σbalance<2500(∏balance(account)) is equivalent to 
                                  ∏balance(σbalance<2500(account))
             s Each relational algebra operation can be evaluated using one of several 
                   different algorithms
                    q    Correspondingly, a relational­algebra expression can be evaluated in 
                         many ways. 
             s Annotated expression specifying detailed evaluation strategy is called an 
                   evaluation­plan.
                    q    E.g., can use an index on balance to find accounts with balance < 2500,
                    q    or can perform complete relation scan and discard accounts with 
                         balance ≥ 2500




Database System Concepts ­ 5th Edition.                  13.<number>                ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Basic Steps: Optimization (Cont.)
             s Query Optimization: Amongst all equivalent evaluation plans choose 
                   the one with lowest cost. 
                    q     Cost is estimated using statistical information from the
                          database catalog
                              e.g. number of tuples in each relation, size of tuples, etc.
             s In this chapter we study
                    q    How to measure query costs
                    q    Algorithms for evaluating relational algebra operations
                    q    How to combine algorithms for individual operations in order to 
                         evaluate a complete expression
             s In Chapter 14
                    q    We study how to optimize queries, that is, how to find an 
                         evaluation plan with lowest estimated cost




Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Measures of Query Cost
             s Cost is generally measured as total elapsed time for answering 
                   query
                     q   Many factors contribute to time cost
                              disk accesses, CPU, or even network communication
             s Typically disk access is the predominant cost, and is also relatively 
                   easy to estimate.   Measured by taking into account
                     q         Number of seeks   * average­seek­cost 
                            + Number of blocks read   * average­block­read­cost 
                            + Number of blocks written * average­block­write­cost
                              Cost to write a block is greater than cost to read a block 
                                 – data is read back after being written to ensure that the 
                                   write was successful
                     q   Assumption: single disk  
                              Can modify formulae for multiple disks/RAID arrays
                              Or just use single­disk formulae, but interpret them as  
                               measuring resource consumption instead of time

Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Measures of Query Cost (Cont.)
             s For simplicity we just use the number of block transfers from disk and the 
                   number of seeks as the cost measures
                    q tT – time to transfer one block

                    q    tS – time for one seek
                    q    Cost for b block transfers plus S seeks
                                 b * tT + S * tS 
             s We ignore CPU costs for simplicity
                    q    Real systems do take CPU cost into account
             s We do not include cost to writing output to disk in our cost formulae
             s Several algorithms can reduce disk IO by using extra buffer space 
                    q    Amount of real memory available to buffer depends on other concurrent 
                         queries and OS processes, known only during execution
                              We often use worst case estimates, assuming only the minimum 
                               amount of memory needed for the operation is available
             s Required data may be buffer resident already, avoiding disk I/O
                    q    But hard to take into account for cost estimation

Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>              ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Selection Operation
             s File scan – search algorithms that locate and retrieve records that 
                   fulfill a selection condition.
             s Algorithm A1 (linear search).  Scan each file block and test all records 
                   to see whether they satisfy the selection condition.
                    q    Cost estimate = br block transfers + 1 seek
                              br  denotes number of blocks containing records from relation r
                    q    If selection is on a key attribute, can stop on finding record
                              cost = (br /2) block transfers + 1 seek
                    q    Linear search can be applied regardless of 
                              selection condition or
                              ordering of records in the file, or 
                              availability of indices




Database System Concepts ­ 5th Edition.                  13.<number>           ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Selection Operation (Cont.)
             s A2 (binary search).  Applicable if selection is an equality 
                   comparison on the attribute on which file is ordered. 
                     q   Assume that the blocks of a relation are stored contiguously 
                     q   Cost estimate (number of disk blocks to be scanned):
                              cost of locating the first tuple by a binary search on the 
                               blocks
                                    log2(br) * (tT + tS)
                              If there are multiple records satisfying selection
                                 – Add transfer cost  of the number of blocks containing 
                                   records that satisfy selection condition 
                                 – Will see how to estimate this cost in Chapter 14




Database System Concepts ­ 5th Edition.                      13.<number>            ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Selections Using Indices
             s Index scan – search algorithms that use an index
                     q   selection condition must be on search­key of index.
             s A3 (primary index on candidate key, equality).  Retrieve a single record 
                   that satisfies the corresponding equality condition  
                    q Cost = (hi + 1) * (tT + tS)

             s A4 (primary index on nonkey, equality) Retrieve multiple records. 
                     q   Records will be on consecutive blocks
                         Let b = number of blocks containing matching records
                           

                     q Cost = hi * (tT + tS) + tS + tT * b

             s A5 (equality on search­key of secondary index).
                     q   Retrieve a single record if the search­key is a candidate key
                           Cost = (h  + 1) * (t  + t )
                                      i         T    S

                     q   Retrieve multiple records if search­key is not a candidate key
                              each of n matching records may be on a different block  
                              Cost =  (hi + n) * (tT + tS) 
                                 – Can be very expensive!
Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Selections Involving Comparisons
            s Can implement selections of the form σA≤V (r) or σA ≥ V(r) by using
                   q     a linear file scan or binary search,
                   q     or by using indices in the following ways:
            s A6 (primary index, comparison). (Relation is sorted on A)
                             For σA ≥ V(r)  use index to find first tuple ≥ v  and scan relation 
                              sequentially  from there
                             For σA≤V (r) just scan relation sequentially till first tuple > v; do not use 
                              index
            s A7 (secondary index, comparison). 
                             For σA ≥ V(r)  use index to find first index entry ≥ v and scan index 
                              sequentially  from there, to find pointers to records.
                             For σA≤V (r) just scan leaf pages of index finding pointers to records, 
                              till first entry > v
                             In either case, retrieve records that are pointed to
                               – requires an I/O for each record
                               –  Linear file scan may be cheaper
Database System Concepts ­ 5th Edition.                 13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Implementation of Complex Selections

             s Conjunction:  σθ1∧ θ2∧. . . θn(r)  
             s A8 (conjunctive selection using one index).  
                     q   Select a combination of θi and algorithms A1 through A7 that 
                         results in the least cost for σθi (r).
                     q    Test other conditions on tuple after fetching it into memory buffer.
             s A9 (conjunctive selection using multiple­key index).  
                     q   Use appropriate composite (multiple­key) index if available.
             s A10 (conjunctive selection by intersection of identifiers). 
                     q   Requires indices with record pointers. 
                     q   Use corresponding index for each condition, and take intersection 
                         of all the obtained sets of record pointers. 
                     q   Then fetch records from file
                     q   If some conditions do not have appropriate indices, apply test in 
                         memory.

Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Algorithms for Complex Selections

             s Disjunction:σθ1∨ θ2 ∨. . . θn (r). 
             s A11 (disjunctive selection by union of identifiers). 
                     q   Applicable if all  conditions have available indices.  
                              Otherwise use linear scan.
                     q   Use corresponding index for each condition, and take union of all the 
                         obtained sets of record pointers. 
                     q   Then fetch records from file
             s Negation:  σ¬θ(r)
                     q   Use linear scan on file
                     q   If very few records satisfy ¬θ, and an index is applicable to θ
                               Find satisfying records using index and fetch from file




Database System Concepts ­ 5th Edition.               13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Sorting
             s We may build an index on the relation, and then use the index to read 
                   the relation in sorted order.  May lead to one disk block access for 
                   each tuple.
             s For relations that fit in memory, techniques like quicksort can be used.  
                   For relations that don’t fit in memory, external 
                   sort­merge is a good choice. 




Database System Concepts ­ 5th Edition.           13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
External Sort­Merge
       Let M denote memory size (in pages). 
            1. Create sorted runs.  Let i be 0 initially. 
                   Repeatedly do the following till the end of the relation:
                       (a)  Read M blocks of relation into memory
                       (b)  Sort the in­memory blocks
                       (c)  Write sorted data to run Ri; increment i.
                  Let the final value of i be N
            2. Merge the runs (next slide)…..




Database System Concepts ­ 5th Edition.           13.<number>           ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
External Sort­Merge (Cont.)

             1. Merge the runs (N­way merge). We assume (for now) that N < 
                M. 
                    1.    Use N blocks of memory to buffer input runs, and 1 block 
                          to buffer output. Read the first block of each run into its 
                          buffer page
                    2.    repeat
                           1.   Select the first record (in sort order) among all buffer 
                                pages
                           2.   Write the record to the output buffer.  If the output 
                                buffer is full write it to disk.
                           3.   Delete the record from its input buffer page.
                                If the buffer page becomes empty then
                                   read the next block (if any) of the run into the buffer. 
                    3.    until all input buffer pages are empty:

Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>              ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
External Sort­Merge (Cont.)

             s If N ≥ M, several merge passes are required.
                     q   In each pass, contiguous groups of M ­ 1 runs are merged. 
                     q   A pass reduces the number of runs by a factor of M ­1, and 
                         creates runs longer by the same factor. 
                              E.g.  If M=11, and there are 90 runs, one pass reduces 
                               the number of runs to 9, each 10 times the size of the 
                               initial runs
                     q   Repeated passes are performed till all runs have been 
                         merged into one.




Database System Concepts ­ 5th Edition.            13.<number>           ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Example: External Sorting Using Sort­Merge




Database System Concepts ­ 5th Edition.   13.<number>   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
External Merge Sort (Cont.)

             s Cost analysis:
                    q    Total number of merge passes required: logM–1(br/M).
                    q    Block transfers for initial run creation as well as in each 
                         pass is 2br
                              for final pass, we don’t count write cost 
                                – we ignore final write cost for all operations since the 
                                  output of an operation may be sent to the parent 
                                  operation without being written to disk
                              Thus total number of block transfers for external sorting:
                                             br ( 2 logM–1(br / M) + 1)
                    q    Seeks: next slide




Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>             ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
External Merge Sort (Cont.)
             s Cost of seeks
                    q    During run generation: one seek to read each run and one seek to 
                         write each run
                               2 br / M
                    q    During the merge phase
                              Buffer size: bb (read/write bb blocks at a time)
                              Need 2 br / bb seeks for each merge pass 

                                – except the final one which does not require a write
                              Total number of seeks:
                                   2 br / M + br / bb (2 logM–1(br / M) ­1)




Database System Concepts ­ 5th Edition.                   13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Join Operation
             s Several different algorithms to implement joins
                    q    Nested­loop join
                    q    Block nested­loop join
                    q    Indexed nested­loop join
                    q    Merge­join
                    q    Hash­join
             s Choice based on cost estimate
             s Examples use the following information
                    q    Number of records of customer:  10,000     depositor: 5000
                    q    Number of blocks of   customer:       400     depositor:   100




Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>                ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Nested­Loop Join

             s To compute the theta join         r     θ s
                   for each tuple tr in r do begin
                     for each tuple ts  in s do begin
                           test pair (tr,ts) to see if they satisfy the join condition θ 
                       if they do, add tr • ts to the result.
                    end
                   end
             s r  is called the outer relation and s the inner relation of the join.
             s Requires no indices and can be used with any kind of join condition.
             s Expensive since it examines every pair of tuples in the two relations. 




Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Nested­Loop Join (Cont.)
             s     In the worst case, if there is enough memory only to hold one block of each 
                   relation, the estimated cost is 
                                   nr ∗ bs + br 
                   block transfers, plus
                                   nr + br 
                   seeks
             s     If the smaller relation fits entirely in memory, use that as the inner relation.
                    q     Reduces cost to br  + bs block transfers and 2 seeks
             s     Assuming worst case memory availability cost estimate is
                    q    with depositor as outer relation:
                              5000 ∗ 400 + 100 = 2,000,100 block transfers,
                              5000 + 100 = 5100 seeks 
                    q    with customer  as the outer relation 
                              10000 ∗ 100 + 400 = 1,000,400 block transfers and 10,400 seeks
             s     If smaller relation (depositor) fits entirely in memory, the cost estimate will be 500 
                   block transfers.
             s     Block nested­loops algorithm (next slide) is preferable.

Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>                    ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Block Nested­Loop Join
             s Variant of nested­loop join in which every block of inner relation is 
                   paired with every block of outer relation.
                    for each block Br of r do begin
                          for each block Bs of s do begin
                                for each tuple tr in Br  do begin
                                      for each tuple ts in Bs do begin
                                          Check if (tr,ts) satisfy the join condition 
                                if they do, add tr • ts to the result.
                             end
                          end
                       end
                    end




Database System Concepts ­ 5th Edition.                   13.<number>                    ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Block Nested­Loop Join (Cont.)
             s Worst case estimate:  br ∗ bs + br  block transfers + 2 * br  seeks
                     q   Each block in the inner relation s is read once for each block in the 
                         outer relation (instead of once for each tuple in the outer relation
             s Best case: br + bs block transfers + 2 seeks.
             s Improvements to nested loop and block nested loop algorithms:
                     q   In block nested­loop, use M — 2 disk blocks as blocking unit for 
                         outer relations, where M = memory size in blocks; use remaining 
                         two blocks to buffer inner relation and output
                                Cost =   br  / (M­2) ∗ bs + br block transfers +
                                              2 br  / (M­2) seeks
                     q   If equi­join attribute forms a key on inner relation, stop inner loop 
                         on first match
                     q   Scan inner loop forward and backward alternately, to make use of 
                         the blocks remaining in buffer (with LRU replacement)
                     q   Use index on inner relation if available (next slide)


Database System Concepts ­ 5th Edition.                  13.<number>             ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Indexed Nested­Loop Join

             s Index lookups can replace file scans if
                    q    join is an equi­join or natural join and
                    q    an index is available on the inner relation’s join attribute
                              Can construct an index just to compute a join.
             s For each tuple tr in the outer relation r, use the index to look up tuples in s 
                   that satisfy the join condition with tuple tr.
             s Worst case:  buffer has space for only one page of r, and, for each tuple 
                   in r, we perform an index lookup on s.
             s Cost of the join:  br (tT + tS) + nr ∗ c
                    q    Where c is the cost of traversing index and fetching all matching s 
                         tuples for one tuple or r
                    q    c can be estimated as cost of a single selection on s using the join 
                         condition.
             s If indices are available on join attributes of both r and s,
                   use the relation with fewer tuples as the outer relation.
Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>                ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Example of Nested­Loop Join Costs
             s Compute depositor     customer, with depositor as the outer relation.
             s Let customer have a primary B+­tree index on the join attribute 
                   customer­name, which contains 20 entries in each index node.
             s Since customer has 10,000 tuples, the height of the tree is 4, and one 
                   more access is needed to find the actual data
             s depositor has 5000 tuples
             s Cost of block nested loops join
                    q    400*100 + 100 =  40,100 block transfers + 2 * 100 = 200 seeks
                               assuming worst case memory 
                              may be significantly less with more memory
             s  Cost of indexed nested loops join

                    q    100 + 5000 * 5 = 25,100  block transfers and seeks.
                    q    CPU cost likely to be less than that for block nested loops join 



Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Merge­Join

             1.    Sort both relations on their join attribute (if not already sorted on the join 
                   attributes).
             2.    Merge the sorted relations to join them
                    1.    Join step is similar to the merge stage of the sort­merge algorithm.  
                    2.    Main difference is handling of duplicate values in join attribute — every 
                          pair with same value on join attribute must be matched
                    3.    Detailed algorithm in book




Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Merge­Join (Cont.)

             s Can be used only for equi­joins and natural joins
             s Each block needs to be read only once (assuming all tuples for any given 
                   value of the join attributes fit in memory
             s Thus the cost of merge join is: 
                            br + bs  block transfers  + br / bb + bs / bb  seeks
                    q    + the cost of sorting if relations are unsorted.
             s hybrid merge­join: If one relation is sorted, and the other has a 
                   secondary B+­tree index on the join attribute
                    q    Merge the sorted relation with the leaf entries of the B+­tree . 
                    q    Sort the result on the addresses of the unsorted relation’s tuples
                    q    Scan the unsorted relation in physical address order and merge with 
                         previous result, to replace addresses by the actual tuples
                              Sequential scan more efficient than random lookup




Database System Concepts ­ 5th Edition.               13.<number>                      ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash­Join

             s Applicable for equi­joins and natural joins.
             s A hash function h is used to partition tuples of both relations
                    q    Intuition: partitions fit in memory
             s h maps JoinAttrs values to {0, 1, ..., n}, where JoinAttrs denotes the 
                   common attributes of r and s used in the natural join. 
                    q    r0, r1, . . ., rn denote partitions of r tuples
                              Each tuple tr ∈ r is put in partition ri where i = h(tr [JoinAttrs]).

                    q    r0,, r1. . ., rn denotes partitions of s tuples
                              Each tuple ts ∈s is put in partition si, where i = h(ts [JoinAttrs]).


             s Note: In book,  r is denoted as Hri, s is denoted as Hsi  and
                                i                    i 
                    n is denoted as nh. 

Database System Concepts ­ 5th Edition.                 13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash­Join (Cont.)




Database System Concepts ­ 5th Edition.        13.<number>    ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash­Join (Cont.)

             s r  tuples in ri need only to be compared with s tuples in si Need 
                   not be compared with s tuples in any other partition, since:
                     q   an r tuple and an s tuple that satisfy the join condition will 
                         have the same value for the join attributes.
                     q   If that value is hashed to some value i, the r tuple has to be in 
                         ri and the s tuple in si.




Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash­Join Algorithm

             The hash­join of r and s is computed as follows.
        1. Partition the relation s using hashing function h.  
               1.    When partitioning a relation, one block of memory is reserved as the 
                     output buffer for each partition, and one block for input
               2.    If extra memory is available, allocate bb blocks as buffer for input and 
                     each output
        2. Partition r similarly.
        3.  … next slide ..




Database System Concepts ­ 5th Edition.            13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash Join (Cont.)
         Hash Join Algorithm (cont)
              1. For each partition i:
                     (a)   Load si into memory and build an in­memory hash index on it 
                           using the join attribute.  
                            q    This hash index uses a different hash function than the earlier 
                                 one h.
                     (b)   Read the tuples in ri from the disk one by one.  
                            q    For each tuple tr probe the in­memory hash index to find all 
                                 matching tuples ts in si 
                                 q For each matching tuple ts in si 
                                          q   output the concatenation of the attributes of  tr  and  ts

                 Relation s is called the build input and 
                               r  is called the probe input.



Database System Concepts ­ 5th Edition.                      13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hash­Join algorithm (Cont.)

             s The value n and the hash function h is chosen such that each si 
                   should fit in memory.
                    q    Typically n is chosen as bs/M * f  where f is a “fudge factor”, 
                         typically around 1.2
                    q    The probe relation partitions si need not fit in memory
             s Recursive partitioning required if number of partitions n is greater 
                   than number of pages M of memory.
                    q    instead of partitioning n ways, use  M – 1 partitions for s
                    q    Further partition the M – 1 partitions using a different hash 
                         function
                    q    Use same partitioning method on r
                    q    Rarely required:  e.g., recursive partitioning not needed for 
                         relations of 1GB or less with memory size of 2MB, with block size 
                         of 4KB.


Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>                ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Handling of Overflows

             s Partitioning is said to be skewed if some partitions have significantly 
                   more tuples than some others
             s Hash­table overflow occurs in partition si if si does not fit in memory.  
                   Reasons could be
                     q   Many tuples in s with same value for join attributes
                     q   Bad hash function
             s Overflow resolution can be done in build phase
                     q   Partition si is further partitioned using different hash function. 
                     q   Partition ri must be similarly partitioned.
             s Overflow avoidance performs partitioning carefully to avoid overflows 
                   during build phase
                     q   E.g. partition build relation into many partitions, then combine them
             s Both approaches fail with large numbers of duplicates
                     q   Fallback option: use block nested loops join on overflowed  partitions

Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Cost of Hash­Join
             s If recursive partitioning is not required: cost of hash join is
                             3(br + bs) +4 ∗ nh  block transfers +
                            2( br / bb + bs / bb)  seeks
             s If recursive partitioning required:
                    q    number of passes required for partitioning build relation 
                              s is logM–1(bs) – 1
                    q    best to choose the smaller relation as the build relation.
                    q    Total cost estimate is: 
                               2(br + bs logM–1(bs) – 1 + br + bs  block transfers + 
                               2(br / bb + bs / bb) logM–1(bs) – 1  seeks
             s If the entire build input can be kept in main memory no partitioning is 
                   required
                    q    Cost estimate goes down to br + bs.




Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Example of Cost of Hash­Join
                                          customer     depositor
             s Assume that memory size is 20 blocks
             s bdepositor= 100 and bcustomer = 400.
             s depositor is to be used as build input.  Partition it into five partitions, each 
                   of size 20 blocks.  This partitioning can be done in one pass.
             s Similarly, partition customer into five partitions,each of size 80.  This is also 
                   done in one pass.
             s Therefore total cost, ignoring cost of writing partially filled blocks:
                     q   3(100 + 400) = 1500 block transfers  +
                         2( 100/3 + 400/3) = 336 seeks




Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>          ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Hybrid Hash–Join
             s Useful when memory sized are relatively large, and the build input is bigger 
                   than memory.
             s Main feature of hybrid hash join:
                   Keep the first partition of the build relation in memory. 
             s E.g. With memory size of 25 blocks, depositor can be partitioned into five 
                   partitions, each of size 20 blocks.
                    q     Division of memory:
                              The first partition occupies 20 blocks of memory
                              1 block is used for input, and 1 block each for buffering the other 4 
                               partitions.
             s customer is similarly partitioned into five partitions each of size 80
                    q    the first is used right away for probing, instead of being written out
             s Cost of 3(80 + 320) + 20 +80 = 1300 block transfers for
                hybrid hash join, instead of 1500 with plain hash­join.
             s Hybrid hash­join most useful if M >>  bs

Database System Concepts ­ 5th Edition.               13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Complex Joins

             s Join with a conjunctive condition:
                                                  r     θ1∧ θ 2∧... ∧ θ n s
                     q    Either use nested loops/block nested loops, or
                     q    Compute the result of one of the simpler joins r     θi s
                              final result comprises those tuples in the intermediate result 
                               that satisfy the remaining conditions

                                       θ1 ∧ . . . ∧ θi –1 ∧ θi +1 ∧ . . . ∧ θn
             s Join with a disjunctive condition 

                                              r      θ1 ∨ θ2 ∨... ∨ θn s 
                                               

                     q    Either use nested loops/block nested loops, or
                     q    Compute as the union of the records in individual joins r      θ i s:

                               (r      θ1 s) ∪ (r     θ2  s) ∪ . . . ∪ (r     θn  s) 

                          (applies only to the set version of union!)
Database System Concepts ­ 5th Edition.                             13.<number>         ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Other Operations

             s Duplicate elimination can be implemented via hashing or sorting.
                     q   On sorting duplicates will come adjacent to each other, and all but 
                         one set of duplicates can be deleted.  
                     q   Optimization: duplicates can be deleted during run generation as well 
                         as at intermediate merge steps in external sort­merge.
                     q   Hashing is similar – duplicates will come into the same bucket.
             s Projection:
                     q   perform projection on each tuple 
                     q   followed by duplicate elimination. 




Database System Concepts ­ 5th Edition.             13.<number>              ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Other Operations : Aggregation
             s Aggregation can be implemented in a manner similar to duplicate 
                   elimination.
                    q    Sorting or hashing can be used to bring tuples in the same group 
                         together, and then the aggregate functions can be applied on each 
                         group. 
                    q    Optimization: combine tuples in the same group during run 
                         generation and intermediate merges, by computing partial 
                         aggregate values
                              For count, min, max, sum: keep aggregate values on tuples 
                               found so far in the group.  
                                – When combining partial aggregate for count, add up the 
                                  aggregates
                              For avg, keep sum and count, and divide sum by count at the 
                               end




Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>             ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Other Operations : Set Operations
             s     Set operations (∪, ∩ and ):  can either use variant of merge­join after 
                   sorting, or variant of hash­join.
             s     E.g., Set operations using hashing:
                    1. Partition both relations using the same hash function
                    2. Process each partition i as follows.  
                         1. Using a different hashing function, build an in­memory hash index 
                             on ri.
                           2.   Process si as follows
                                q r ∪ s:  
                                   1. Add tuples in si to the hash index if they are not already in it.  

                                      2.   At end of si add the tuples in the hash index to the result.
                                q r ∩ s: 
                                  1. output tuples in si to the result if they are already there in the 
                                       hash index
                                q  r – s: 
                                  1. for each tuple in si, if it is there in the hash index, delete it 
                                       from the index. 
                                  2.  At end of si add remaining tuples in the hash index to the 
                                       result. 

Database System Concepts ­ 5th Edition.                     13.<number>                   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Other Operations : Outer Join

             s Outer join can be computed either as 
                     q   A join followed by addition of null­padded non­participating tuples.
                     q   by modifying the join algorithms.
             s Modifying merge join to compute r         s
                     q   In r         s, non participating tuples are those in r – ΠR(r     s)
                     q   Modify merge­join to compute r         s:  During merging, for every 
                         tuple tr from r that do not match any tuple in s, output tr padded with 
                         nulls.
                     q   Right outer­join and full outer­join can be computed similarly.
             s Modifying hash join to compute r         s
                     q   If  r is probe relation, output non­matching r tuples padded with nulls
                     q   If r is build relation, when probing keep track of which 
                         r  tuples matched s tuples.  
                              At end of si  output non­matched r tuples padded with nulls 


Database System Concepts ­ 5th Edition.               13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Evaluation of Expressions
             s So far: we have seen algorithms for individual operations
             s Alternatives for evaluating an entire expression tree
                    q    Materialization:  generate results of an expression whose inputs 
                         are relations or are already computed, materialize (store) it on 
                         disk.  Repeat.
                    q    Pipelining:  pass on tuples to parent operations even as an 
                         operation is being executed
             s We study above alternatives in more detail




Database System Concepts ­ 5th Edition.           13.<number>              ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Materialization
             s Materialized evaluation:  evaluate one operation at a time, 
                   starting at the lowest­level.  Use intermediate results 
                   materialized into temporary relations to evaluate next­level 
                   operations.
             s E.g., in figure below, compute and store
                                          σ balance<2500 (account )
                   then compute the store its join with customer, and finally 
                   compute the projections on customer­name. 




Database System Concepts ­ 5th Edition.                  13.<number>        ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Materialization (Cont.)
             s Materialized evaluation is always applicable
             s Cost of writing results to disk and reading them back can be quite high
                    q    Our cost formulas for operations ignore cost of writing results to 
                         disk, so
                              Overall cost  =  Sum of costs of individual operations + 
                                                        cost of writing intermediate results to disk
             s Double buffering: use two output buffers for each operation, when one 
                   is full write it to disk while the other is getting filled
                    q    Allows overlap of disk writes with computation and reduces 
                         execution time




Database System Concepts ­ 5th Edition.                   13.<number>                   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Pipelining

             s Pipelined evaluation :  evaluate several operations simultaneously, 
                   passing the results of one operation on to the next.
             s E.g., in previous expression tree, don’t store result of

                    
                                      σ balance< 2500 (account )
                       q   instead, pass tuples directly to the join..  Similarly, don’t store result of 
                           join, pass tuples directly to projection. 
             s Much cheaper than materialization: no need to store a temporary relation 
                   to disk.
             s Pipelining may not always be possible – e.g., sort, hash­join. 
             s For pipelining to be effective, use evaluation algorithms that generate 
                   output tuples even as tuples are received for inputs to the operation. 
             s Pipelines can be executed in two ways:  demand driven and producer 
                   driven 




Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>                 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Pipelining (Cont.)

             s In demand driven  or lazy evaluation
                    q    system repeatedly requests next tuple  from top level operation
                    q    Each operation requests  next tuple from children operations as 
                         required, in order to output its next tuple
                    q    In between calls, operation has to maintain “state” so it knows what 
                         to return next
             s In producer­driven or eager pipelining
                    q    Operators produce tuples eagerly and pass them up to their parents
                              Buffer maintained between operators, child puts tuples in buffer, 
                               parent removes tuples from buffer
                              if buffer is full, child waits till there is space in the buffer, and then 
                               generates more tuples
                    q    System schedules operations that have space in output buffer and 
                         can process more input tuples
             s Alternative name: pull and push models of pipelining


Database System Concepts ­ 5th Edition.                 13.<number>                  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Pipelining (Cont.)
             s Implementation of demand­driven pipelining
                    q    Each operation is implemented as an iterator implementing the 
                         following operations
                              open()
                                – E.g. file scan: initialize file scan
                                   »  state: pointer to beginning of file

                                – E.g.merge join: sort relations;
                                   »  state: pointers to beginning of sorted relations
                               next()
                                – E.g. for file scan: Output next tuple, and advance and store 
                                  file pointer
                                – E.g. for merge join:  continue with merge from earlier state 
                                  till 
                                  next output tuple is found.  Save pointers as iterator state.
                              close()



Database System Concepts ­ 5th Edition.                13.<number>              ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Evaluation Algorithms for Pipelining
             s Some algorithms are not able to output results even as they get input 
                   tuples
                     q   E.g. merge join, or hash join
                     q   intermediate results written to disk and then read back
             s Algorithm variants to generate (at least some) results on the fly, as input 
                   tuples are read in
                     q   E.g. hybrid hash join generates output tuples even as probe relation 
                         tuples in the in­memory partition (partition 0) are read in
                     q   Pipelined join technique: Hybrid hash join, modified to buffer 
                         partition 0 tuples of both relations in­memory, reading them as they 
                         become available, and output results of any matches between 
                         partition 0 tuples
                              When a new r0 tuple is found, match it with existing s0 tuples, 
                               output matches, and save it in r0
                              Symmetrically for s0 tuples
Database System Concepts ­ 5th Edition.               13.<number>               ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
End of Chapter




Database System Concepts, 5th Ed.
     ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
See www.db­book.com for conditions on re­use 
Figure 13.2




Database System Concepts ­ 5th Edition.     13.<number>   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
Complex Joins
             s Join involving three relations:  loan    depositor     customer
             s Strategy 1.  Compute depositor    customer; use result to compute 
                   loan    (depositor    customer)
             s Strategy 2.  Computer loan    depositor first, and then join the result 
                   with customer.
             s Strategy 3.  Perform the pair of joins at once.  Build and index on 
                   loan for loan­number, and on customer for customer­name.
                    q    For each tuple t in depositor, look up the corresponding tuples 
                         in customer and the corresponding tuples in loan.
                    q    Each tuple of deposit is examined exactly once.
             s Strategy 3 combines two operations into one special­purpose 
                   operation that is more efficient than implementing two joins of two 
                   relations.




Database System Concepts ­ 5th Edition.              13.<number>             ©Silberschatz, Korth and Sudarshan

More Related Content

What's hot

The Pregel Programming Model with Spark GraphX
The Pregel Programming Model with Spark GraphXThe Pregel Programming Model with Spark GraphX
The Pregel Programming Model with Spark GraphXAndrea Iacono
 
Mapreduce by examples
Mapreduce by examplesMapreduce by examples
Mapreduce by examplesAndrea Iacono
 
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasets
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasetsDistributed approximate spectral clustering for large scale datasets
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasetsBita Kazemi
 
Temporal Pattern Mining
Temporal Pattern MiningTemporal Pattern Mining
Temporal Pattern MiningPrakhar Dhama
 
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduce
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduceScalable and Adaptive Graph Querying with MapReduce
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduceKyong-Ha Lee
 
Introduction to Map-Reduce
Introduction to Map-ReduceIntroduction to Map-Reduce
Introduction to Map-ReduceBrendan Tierney
 
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized Engine
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized EngineApache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized Engine
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized EngineDataWorks Summit
 
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...Kyong-Ha Lee
 
CS 542 -- Query Execution
CS 542 -- Query ExecutionCS 542 -- Query Execution
CS 542 -- Query ExecutionJ Singh
 
Db2425082511
Db2425082511Db2425082511
Db2425082511IJMER
 
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext Indexing
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext IndexingUsing SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext Indexing
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext IndexingJay Luker
 
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series database
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series databaseApache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series database
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series databaseFlorian Lautenschlager
 
Mapreduce Algorithms
Mapreduce AlgorithmsMapreduce Algorithms
Mapreduce AlgorithmsAmund Tveit
 
Unit 3 writable collections
Unit 3 writable collectionsUnit 3 writable collections
Unit 3 writable collectionsvishal choudhary
 
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminar
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminarAug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminar
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminarbalmanme
 

What's hot (20)

Map/Reduce intro
Map/Reduce introMap/Reduce intro
Map/Reduce intro
 
The Pregel Programming Model with Spark GraphX
The Pregel Programming Model with Spark GraphXThe Pregel Programming Model with Spark GraphX
The Pregel Programming Model with Spark GraphX
 
Mapreduce by examples
Mapreduce by examplesMapreduce by examples
Mapreduce by examples
 
Hadoop exercise
Hadoop exerciseHadoop exercise
Hadoop exercise
 
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasets
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasetsDistributed approximate spectral clustering for large scale datasets
Distributed approximate spectral clustering for large scale datasets
 
Temporal Pattern Mining
Temporal Pattern MiningTemporal Pattern Mining
Temporal Pattern Mining
 
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduce
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduceScalable and Adaptive Graph Querying with MapReduce
Scalable and Adaptive Graph Querying with MapReduce
 
Introduction to Map-Reduce
Introduction to Map-ReduceIntroduction to Map-Reduce
Introduction to Map-Reduce
 
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized Engine
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized EngineApache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized Engine
Apache Tajo: Query Optimization Techniques and JIT-based Vectorized Engine
 
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...
SASUM: A Sharing-based Approach to Fast Approximate Subgraph Matching for Lar...
 
CS 542 -- Query Execution
CS 542 -- Query ExecutionCS 542 -- Query Execution
CS 542 -- Query Execution
 
Db2425082511
Db2425082511Db2425082511
Db2425082511
 
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext Indexing
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext IndexingUsing SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext Indexing
Using SweetSpotSimilarity for Solr Fulltext Indexing
 
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series database
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series databaseApache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series database
Apache Solr as a compressed, scalable, and high performance time series database
 
Run time administration
Run time administrationRun time administration
Run time administration
 
Unit 2 part-2
Unit 2 part-2Unit 2 part-2
Unit 2 part-2
 
Mapreduce Algorithms
Mapreduce AlgorithmsMapreduce Algorithms
Mapreduce Algorithms
 
Unit 3 writable collections
Unit 3 writable collectionsUnit 3 writable collections
Unit 3 writable collections
 
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminar
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminarAug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminar
Aug17presentation.v2 2009-aug09-lblc sseminar
 
Os5
Os5Os5
Os5
 

Viewers also liked

RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)
RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)
RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)Muhammad T Q Nafis
 
Recommender systems using collaborative filtering
Recommender systems using collaborative filteringRecommender systems using collaborative filtering
Recommender systems using collaborative filteringD Yogendra Rao
 
Query processing and Query Optimization
Query processing and Query OptimizationQuery processing and Query Optimization
Query processing and Query OptimizationNiraj Gandha
 
Introduction to Data Warehousing
Introduction to Data WarehousingIntroduction to Data Warehousing
Introduction to Data WarehousingEdureka!
 
Types of Database Models
Types of Database ModelsTypes of Database Models
Types of Database ModelsMurassa Gillani
 
Top 5 Computer Crime's
Top 5 Computer Crime'sTop 5 Computer Crime's
Top 5 Computer Crime'sMar Soriano
 
Data mining & data warehousing
Data mining & data warehousingData mining & data warehousing
Data mining & data warehousingShubha Brota Raha
 
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro Analytics
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro AnalyticsCollaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro Analytics
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro AnalyticsNavisro Analytics
 
Query processing and optimization (updated)
Query processing and optimization (updated)Query processing and optimization (updated)
Query processing and optimization (updated)Ravinder Kamboj
 
Object oriented database model
Object oriented database modelObject oriented database model
Object oriented database modelPAQUIAAIZEL
 
Object Oriented Dbms
Object Oriented DbmsObject Oriented Dbms
Object Oriented Dbmsmaryeem
 

Viewers also liked (20)

RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)
RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)
RDBMS, theory class - 1 (UIU CSI 221)
 
Ch9
Ch9Ch9
Ch9
 
Recommender systems using collaborative filtering
Recommender systems using collaborative filteringRecommender systems using collaborative filtering
Recommender systems using collaborative filtering
 
BIS05 Introduction to SQL
BIS05 Introduction to SQLBIS05 Introduction to SQL
BIS05 Introduction to SQL
 
Query processing and Query Optimization
Query processing and Query OptimizationQuery processing and Query Optimization
Query processing and Query Optimization
 
Introduction to Data Warehousing
Introduction to Data WarehousingIntroduction to Data Warehousing
Introduction to Data Warehousing
 
Types of Database Models
Types of Database ModelsTypes of Database Models
Types of Database Models
 
Top 5 Computer Crime's
Top 5 Computer Crime'sTop 5 Computer Crime's
Top 5 Computer Crime's
 
Data mining & data warehousing
Data mining & data warehousingData mining & data warehousing
Data mining & data warehousing
 
DML Commands
DML CommandsDML Commands
DML Commands
 
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro Analytics
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro AnalyticsCollaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro Analytics
Collaborative Filtering and Recommender Systems By Navisro Analytics
 
Data warehousing and Data mining
Data warehousing and Data mining Data warehousing and Data mining
Data warehousing and Data mining
 
Query processing and optimization (updated)
Query processing and optimization (updated)Query processing and optimization (updated)
Query processing and optimization (updated)
 
Computer crime
 Computer crime Computer crime
Computer crime
 
Object oriented database model
Object oriented database modelObject oriented database model
Object oriented database model
 
Object Oriented Dbms
Object Oriented DbmsObject Oriented Dbms
Object Oriented Dbms
 
Types Of Computer Crime
Types Of Computer CrimeTypes Of Computer Crime
Types Of Computer Crime
 
SQL : introduction
SQL : introductionSQL : introduction
SQL : introduction
 
Data models
Data modelsData models
Data models
 
SQL Basics
SQL BasicsSQL Basics
SQL Basics
 

Similar to Ch13 (20)

Algorithm ch13.ppt
Algorithm ch13.pptAlgorithm ch13.ppt
Algorithm ch13.ppt
 
VNSISPL_DBMS_Concepts_ch13
VNSISPL_DBMS_Concepts_ch13VNSISPL_DBMS_Concepts_ch13
VNSISPL_DBMS_Concepts_ch13
 
Korth_Query_processing.pptx
Korth_Query_processing.pptxKorth_Query_processing.pptx
Korth_Query_processing.pptx
 
ch12.ppt
ch12.pptch12.ppt
ch12.ppt
 
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.ppt
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.ppt1a_query_processing_sil_7ed_ch15.ppt
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.ppt
 
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.pptx
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.pptx1a_query_processing_sil_7ed_ch15.pptx
1a_query_processing_sil_7ed_ch15.pptx
 
ch13
ch13ch13
ch13
 
Ch21
Ch21Ch21
Ch21
 
Lesson11 transactions
Lesson11 transactionsLesson11 transactions
Lesson11 transactions
 
Ch12
Ch12Ch12
Ch12
 
Query processing System
Query processing SystemQuery processing System
Query processing System
 
Ch19
Ch19Ch19
Ch19
 
Introduction To DBMS
Introduction To DBMSIntroduction To DBMS
Introduction To DBMS
 
Large-Scale Text Processing Pipeline with Spark ML and GraphFrames: Spark Sum...
Large-Scale Text Processing Pipeline with Spark ML and GraphFrames: Spark Sum...Large-Scale Text Processing Pipeline with Spark ML and GraphFrames: Spark Sum...
Large-Scale Text Processing Pipeline with Spark ML and GraphFrames: Spark Sum...
 
Ch1
Ch1Ch1
Ch1
 
Ch1
Ch1Ch1
Ch1
 
Ch4
Ch4Ch4
Ch4
 
Overview of query evaluation
Overview of query evaluationOverview of query evaluation
Overview of query evaluation
 
13. Query Processing in DBMS
13. Query Processing in DBMS13. Query Processing in DBMS
13. Query Processing in DBMS
 
Ch23
Ch23Ch23
Ch23
 

More from Subhankar Chowdhury (14)

Ch20
Ch20Ch20
Ch20
 
Ch17
Ch17Ch17
Ch17
 
Ch16
Ch16Ch16
Ch16
 
Ch15
Ch15Ch15
Ch15
 
Ch14
Ch14Ch14
Ch14
 
Ch11
Ch11Ch11
Ch11
 
Ch10
Ch10Ch10
Ch10
 
Ch8
Ch8Ch8
Ch8
 
Ch7
Ch7Ch7
Ch7
 
Ch6
Ch6Ch6
Ch6
 
Ch5
Ch5Ch5
Ch5
 
Ch3
Ch3Ch3
Ch3
 
Ch2
Ch2Ch2
Ch2
 
Ch22
Ch22Ch22
Ch22
 

Recently uploaded

How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERP
How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERPHow to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERP
How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERPCeline George
 
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdf
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdfInclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdf
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdfTechSoup
 
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parents
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for ParentsChoosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parents
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parentsnavabharathschool99
 
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdf
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdfICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdf
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdfVanessa Camilleri
 
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17Celine George
 
Activity 2-unit 2-update 2024. English translation
Activity 2-unit 2-update 2024. English translationActivity 2-unit 2-update 2024. English translation
Activity 2-unit 2-update 2024. English translationRosabel UA
 
Field Attribute Index Feature in Odoo 17
Field Attribute Index Feature in Odoo 17Field Attribute Index Feature in Odoo 17
Field Attribute Index Feature in Odoo 17Celine George
 
Active Learning Strategies (in short ALS).pdf
Active Learning Strategies (in short ALS).pdfActive Learning Strategies (in short ALS).pdf
Active Learning Strategies (in short ALS).pdfPatidar M
 
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATION
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATIONTHEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATION
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATIONHumphrey A Beña
 
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4MiaBumagat1
 
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSE
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSEDust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSE
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSEaurabinda banchhor
 
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-design
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-designKeynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-design
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-designMIPLM
 
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...Postal Advocate Inc.
 
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptxmary850239
 
The Contemporary World: The Globalization of World Politics
The Contemporary World: The Globalization of World PoliticsThe Contemporary World: The Globalization of World Politics
The Contemporary World: The Globalization of World PoliticsRommel Regala
 
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptx
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptxROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptx
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptxVanesaIglesias10
 
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)Mark Reed
 

Recently uploaded (20)

How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERP
How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERPHow to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERP
How to do quick user assign in kanban in Odoo 17 ERP
 
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdf
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdfInclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdf
Inclusivity Essentials_ Creating Accessible Websites for Nonprofits .pdf
 
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parents
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for ParentsChoosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parents
Choosing the Right CBSE School A Comprehensive Guide for Parents
 
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdf
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdfICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdf
ICS2208 Lecture6 Notes for SL spaces.pdf
 
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17
Incoming and Outgoing Shipments in 3 STEPS Using Odoo 17
 
FINALS_OF_LEFT_ON_C'N_EL_DORADO_2024.pptx
FINALS_OF_LEFT_ON_C'N_EL_DORADO_2024.pptxFINALS_OF_LEFT_ON_C'N_EL_DORADO_2024.pptx
FINALS_OF_LEFT_ON_C'N_EL_DORADO_2024.pptx
 
Activity 2-unit 2-update 2024. English translation
Activity 2-unit 2-update 2024. English translationActivity 2-unit 2-update 2024. English translation
Activity 2-unit 2-update 2024. English translation
 
Field Attribute Index Feature in Odoo 17
Field Attribute Index Feature in Odoo 17Field Attribute Index Feature in Odoo 17
Field Attribute Index Feature in Odoo 17
 
Active Learning Strategies (in short ALS).pdf
Active Learning Strategies (in short ALS).pdfActive Learning Strategies (in short ALS).pdf
Active Learning Strategies (in short ALS).pdf
 
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATION
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATIONTHEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATION
THEORIES OF ORGANIZATION-PUBLIC ADMINISTRATION
 
YOUVE GOT EMAIL_FINALS_EL_DORADO_2024.pptx
YOUVE GOT EMAIL_FINALS_EL_DORADO_2024.pptxYOUVE GOT EMAIL_FINALS_EL_DORADO_2024.pptx
YOUVE GOT EMAIL_FINALS_EL_DORADO_2024.pptx
 
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4
ANG SEKTOR NG agrikultura.pptx QUARTER 4
 
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSE
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSEDust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSE
Dust Of Snow By Robert Frost Class-X English CBSE
 
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-design
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-designKeynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-design
Keynote by Prof. Wurzer at Nordex about IP-design
 
YOUVE_GOT_EMAIL_PRELIMS_EL_DORADO_2024.pptx
YOUVE_GOT_EMAIL_PRELIMS_EL_DORADO_2024.pptxYOUVE_GOT_EMAIL_PRELIMS_EL_DORADO_2024.pptx
YOUVE_GOT_EMAIL_PRELIMS_EL_DORADO_2024.pptx
 
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...
USPS® Forced Meter Migration - How to Know if Your Postage Meter Will Soon be...
 
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx
4.18.24 Movement Legacies, Reflection, and Review.pptx
 
The Contemporary World: The Globalization of World Politics
The Contemporary World: The Globalization of World PoliticsThe Contemporary World: The Globalization of World Politics
The Contemporary World: The Globalization of World Politics
 
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptx
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptxROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptx
ROLES IN A STAGE PRODUCTION in arts.pptx
 
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)
Influencing policy (training slides from Fast Track Impact)
 

Ch13

  • 1. Chapter 13: Query Processing Aug 10, 2006 Database System Concepts, 5th Ed. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan See www.db­book.com for conditions on re­use 
  • 2. Chapter 13:  Query Processing s Overview  s Measures of Query Cost s Selection Operation   s Sorting  s Join Operation  s Other Operations s Evaluation of Expressions Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 3. Basic Steps in Query Processing 1. Parsing and translation 2. Optimization 3. Evaluation Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 4. Basic Steps in Query Processing  (Cont.) s Parsing and translation q translate the query into its internal form.  This is then translated into  relational algebra. q Parser checks syntax, verifies relations s Evaluation q The query­execution engine takes a query­evaluation plan, executes  that plan, and returns the answers to the query. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 5. Basic Steps in Query Processing :  Optimization s A relational algebra expression may have many equivalent expressions q E.g., σbalance<2500(∏balance(account)) is equivalent to           ∏balance(σbalance<2500(account)) s Each relational algebra operation can be evaluated using one of several  different algorithms q Correspondingly, a relational­algebra expression can be evaluated in  many ways.  s Annotated expression specifying detailed evaluation strategy is called an  evaluation­plan. q E.g., can use an index on balance to find accounts with balance < 2500, q or can perform complete relation scan and discard accounts with  balance ≥ 2500 Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 6. Basic Steps: Optimization (Cont.) s Query Optimization: Amongst all equivalent evaluation plans choose  the one with lowest cost.  q  Cost is estimated using statistical information from the  database catalog  e.g. number of tuples in each relation, size of tuples, etc. s In this chapter we study q How to measure query costs q Algorithms for evaluating relational algebra operations q How to combine algorithms for individual operations in order to  evaluate a complete expression s In Chapter 14 q We study how to optimize queries, that is, how to find an  evaluation plan with lowest estimated cost Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 7. Measures of Query Cost s Cost is generally measured as total elapsed time for answering  query q Many factors contribute to time cost  disk accesses, CPU, or even network communication s Typically disk access is the predominant cost, and is also relatively  easy to estimate.   Measured by taking into account q       Number of seeks   * average­seek­cost         + Number of blocks read   * average­block­read­cost         + Number of blocks written * average­block­write­cost  Cost to write a block is greater than cost to read a block  – data is read back after being written to ensure that the  write was successful q Assumption: single disk    Can modify formulae for multiple disks/RAID arrays  Or just use single­disk formulae, but interpret them as   measuring resource consumption instead of time Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 8. Measures of Query Cost (Cont.) s For simplicity we just use the number of block transfers from disk and the  number of seeks as the cost measures q tT – time to transfer one block q tS – time for one seek q Cost for b block transfers plus S seeks         b * tT + S * tS  s We ignore CPU costs for simplicity q Real systems do take CPU cost into account s We do not include cost to writing output to disk in our cost formulae s Several algorithms can reduce disk IO by using extra buffer space  q Amount of real memory available to buffer depends on other concurrent  queries and OS processes, known only during execution  We often use worst case estimates, assuming only the minimum  amount of memory needed for the operation is available s Required data may be buffer resident already, avoiding disk I/O q But hard to take into account for cost estimation Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 9. Selection Operation s File scan – search algorithms that locate and retrieve records that  fulfill a selection condition. s Algorithm A1 (linear search).  Scan each file block and test all records  to see whether they satisfy the selection condition. q Cost estimate = br block transfers + 1 seek  br  denotes number of blocks containing records from relation r q If selection is on a key attribute, can stop on finding record  cost = (br /2) block transfers + 1 seek q Linear search can be applied regardless of   selection condition or  ordering of records in the file, or   availability of indices Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 10. Selection Operation (Cont.) s A2 (binary search).  Applicable if selection is an equality  comparison on the attribute on which file is ordered.  q Assume that the blocks of a relation are stored contiguously  q Cost estimate (number of disk blocks to be scanned):  cost of locating the first tuple by a binary search on the  blocks log2(br) * (tT + tS)  If there are multiple records satisfying selection – Add transfer cost  of the number of blocks containing  records that satisfy selection condition  – Will see how to estimate this cost in Chapter 14 Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 11. Selections Using Indices s Index scan – search algorithms that use an index q selection condition must be on search­key of index. s A3 (primary index on candidate key, equality).  Retrieve a single record  that satisfies the corresponding equality condition   q Cost = (hi + 1) * (tT + tS) s A4 (primary index on nonkey, equality) Retrieve multiple records.  q Records will be on consecutive blocks Let b = number of blocks containing matching records  q Cost = hi * (tT + tS) + tS + tT * b s A5 (equality on search­key of secondary index). q Retrieve a single record if the search­key is a candidate key  Cost = (h  + 1) * (t  + t ) i T S q Retrieve multiple records if search­key is not a candidate key  each of n matching records may be on a different block    Cost =  (hi + n) * (tT + tS)  – Can be very expensive! Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 12. Selections Involving Comparisons s Can implement selections of the form σA≤V (r) or σA ≥ V(r) by using q  a linear file scan or binary search, q  or by using indices in the following ways: s A6 (primary index, comparison). (Relation is sorted on A)  For σA ≥ V(r)  use index to find first tuple ≥ v  and scan relation  sequentially  from there  For σA≤V (r) just scan relation sequentially till first tuple > v; do not use  index s A7 (secondary index, comparison).   For σA ≥ V(r)  use index to find first index entry ≥ v and scan index  sequentially  from there, to find pointers to records.  For σA≤V (r) just scan leaf pages of index finding pointers to records,  till first entry > v  In either case, retrieve records that are pointed to – requires an I/O for each record –  Linear file scan may be cheaper Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 13. Implementation of Complex Selections s Conjunction:  σθ1∧ θ2∧. . . θn(r)   s A8 (conjunctive selection using one index).   q Select a combination of θi and algorithms A1 through A7 that  results in the least cost for σθi (r). q  Test other conditions on tuple after fetching it into memory buffer. s A9 (conjunctive selection using multiple­key index).   q Use appropriate composite (multiple­key) index if available. s A10 (conjunctive selection by intersection of identifiers).  q Requires indices with record pointers.  q Use corresponding index for each condition, and take intersection  of all the obtained sets of record pointers.  q Then fetch records from file q If some conditions do not have appropriate indices, apply test in  memory. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 14. Algorithms for Complex Selections s Disjunction:σθ1∨ θ2 ∨. . . θn (r).  s A11 (disjunctive selection by union of identifiers).  q Applicable if all  conditions have available indices.    Otherwise use linear scan. q Use corresponding index for each condition, and take union of all the  obtained sets of record pointers.  q Then fetch records from file s Negation:  σ¬θ(r) q Use linear scan on file q If very few records satisfy ¬θ, and an index is applicable to θ   Find satisfying records using index and fetch from file Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 15. Sorting s We may build an index on the relation, and then use the index to read  the relation in sorted order.  May lead to one disk block access for  each tuple. s For relations that fit in memory, techniques like quicksort can be used.   For relations that don’t fit in memory, external  sort­merge is a good choice.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 16. External Sort­Merge Let M denote memory size (in pages).  1. Create sorted runs.  Let i be 0 initially.   Repeatedly do the following till the end of the relation:      (a)  Read M blocks of relation into memory      (b)  Sort the in­memory blocks      (c)  Write sorted data to run Ri; increment i. Let the final value of i be N 2. Merge the runs (next slide)….. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 17. External Sort­Merge (Cont.) 1. Merge the runs (N­way merge). We assume (for now) that N <  M.  1. Use N blocks of memory to buffer input runs, and 1 block  to buffer output. Read the first block of each run into its  buffer page 2. repeat 1. Select the first record (in sort order) among all buffer  pages 2. Write the record to the output buffer.  If the output  buffer is full write it to disk. 3. Delete the record from its input buffer page. If the buffer page becomes empty then    read the next block (if any) of the run into the buffer.  3. until all input buffer pages are empty: Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 18. External Sort­Merge (Cont.) s If N ≥ M, several merge passes are required. q In each pass, contiguous groups of M ­ 1 runs are merged.  q A pass reduces the number of runs by a factor of M ­1, and  creates runs longer by the same factor.   E.g.  If M=11, and there are 90 runs, one pass reduces  the number of runs to 9, each 10 times the size of the  initial runs q Repeated passes are performed till all runs have been  merged into one. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 20. External Merge Sort (Cont.) s Cost analysis: q Total number of merge passes required: logM–1(br/M). q Block transfers for initial run creation as well as in each  pass is 2br  for final pass, we don’t count write cost  – we ignore final write cost for all operations since the  output of an operation may be sent to the parent  operation without being written to disk  Thus total number of block transfers for external sorting: br ( 2 logM–1(br / M) + 1) q Seeks: next slide Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 21. External Merge Sort (Cont.) s Cost of seeks q During run generation: one seek to read each run and one seek to  write each run   2 br / M q During the merge phase  Buffer size: bb (read/write bb blocks at a time)  Need 2 br / bb seeks for each merge pass  – except the final one which does not require a write  Total number of seeks:     2 br / M + br / bb (2 logM–1(br / M) ­1) Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 22. Join Operation s Several different algorithms to implement joins q Nested­loop join q Block nested­loop join q Indexed nested­loop join q Merge­join q Hash­join s Choice based on cost estimate s Examples use the following information q Number of records of customer:  10,000     depositor: 5000 q Number of blocks of   customer:       400     depositor:   100 Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 23. Nested­Loop Join s To compute the theta join         r     θ s for each tuple tr in r do begin for each tuple ts  in s do begin test pair (tr,ts) to see if they satisfy the join condition θ  if they do, add tr • ts to the result. end end s r  is called the outer relation and s the inner relation of the join. s Requires no indices and can be used with any kind of join condition. s Expensive since it examines every pair of tuples in the two relations.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 24. Nested­Loop Join (Cont.) s In the worst case, if there is enough memory only to hold one block of each  relation, the estimated cost is                  nr ∗ bs + br  block transfers, plus                 nr + br  seeks s If the smaller relation fits entirely in memory, use that as the inner relation. q  Reduces cost to br  + bs block transfers and 2 seeks s Assuming worst case memory availability cost estimate is q with depositor as outer relation:  5000 ∗ 400 + 100 = 2,000,100 block transfers,  5000 + 100 = 5100 seeks  q with customer  as the outer relation   10000 ∗ 100 + 400 = 1,000,400 block transfers and 10,400 seeks s If smaller relation (depositor) fits entirely in memory, the cost estimate will be 500  block transfers. s Block nested­loops algorithm (next slide) is preferable. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 25. Block Nested­Loop Join s Variant of nested­loop join in which every block of inner relation is  paired with every block of outer relation. for each block Br of r do begin for each block Bs of s do begin for each tuple tr in Br  do begin for each tuple ts in Bs do begin Check if (tr,ts) satisfy the join condition  if they do, add tr • ts to the result. end end end end Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 26. Block Nested­Loop Join (Cont.) s Worst case estimate:  br ∗ bs + br  block transfers + 2 * br  seeks q Each block in the inner relation s is read once for each block in the  outer relation (instead of once for each tuple in the outer relation s Best case: br + bs block transfers + 2 seeks. s Improvements to nested loop and block nested loop algorithms: q In block nested­loop, use M — 2 disk blocks as blocking unit for  outer relations, where M = memory size in blocks; use remaining  two blocks to buffer inner relation and output    Cost =   br  / (M­2) ∗ bs + br block transfers +                2 br  / (M­2) seeks q If equi­join attribute forms a key on inner relation, stop inner loop  on first match q Scan inner loop forward and backward alternately, to make use of  the blocks remaining in buffer (with LRU replacement) q Use index on inner relation if available (next slide) Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 27. Indexed Nested­Loop Join s Index lookups can replace file scans if q join is an equi­join or natural join and q an index is available on the inner relation’s join attribute  Can construct an index just to compute a join. s For each tuple tr in the outer relation r, use the index to look up tuples in s  that satisfy the join condition with tuple tr. s Worst case:  buffer has space for only one page of r, and, for each tuple  in r, we perform an index lookup on s. s Cost of the join:  br (tT + tS) + nr ∗ c q Where c is the cost of traversing index and fetching all matching s  tuples for one tuple or r q c can be estimated as cost of a single selection on s using the join  condition. s If indices are available on join attributes of both r and s, use the relation with fewer tuples as the outer relation. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 28. Example of Nested­Loop Join Costs s Compute depositor     customer, with depositor as the outer relation. s Let customer have a primary B+­tree index on the join attribute  customer­name, which contains 20 entries in each index node. s Since customer has 10,000 tuples, the height of the tree is 4, and one  more access is needed to find the actual data s depositor has 5000 tuples s Cost of block nested loops join q 400*100 + 100 =  40,100 block transfers + 2 * 100 = 200 seeks   assuming worst case memory   may be significantly less with more memory s  Cost of indexed nested loops join q 100 + 5000 * 5 = 25,100  block transfers and seeks. q CPU cost likely to be less than that for block nested loops join  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 29. Merge­Join 1. Sort both relations on their join attribute (if not already sorted on the join  attributes). 2. Merge the sorted relations to join them 1. Join step is similar to the merge stage of the sort­merge algorithm.   2. Main difference is handling of duplicate values in join attribute — every  pair with same value on join attribute must be matched 3. Detailed algorithm in book Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 30. Merge­Join (Cont.) s Can be used only for equi­joins and natural joins s Each block needs to be read only once (assuming all tuples for any given  value of the join attributes fit in memory s Thus the cost of merge join is:           br + bs  block transfers  + br / bb + bs / bb  seeks q + the cost of sorting if relations are unsorted. s hybrid merge­join: If one relation is sorted, and the other has a  secondary B+­tree index on the join attribute q Merge the sorted relation with the leaf entries of the B+­tree .  q Sort the result on the addresses of the unsorted relation’s tuples q Scan the unsorted relation in physical address order and merge with  previous result, to replace addresses by the actual tuples  Sequential scan more efficient than random lookup Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 31. Hash­Join s Applicable for equi­joins and natural joins. s A hash function h is used to partition tuples of both relations q Intuition: partitions fit in memory s h maps JoinAttrs values to {0, 1, ..., n}, where JoinAttrs denotes the  common attributes of r and s used in the natural join.  q r0, r1, . . ., rn denote partitions of r tuples  Each tuple tr ∈ r is put in partition ri where i = h(tr [JoinAttrs]). q r0,, r1. . ., rn denotes partitions of s tuples  Each tuple ts ∈s is put in partition si, where i = h(ts [JoinAttrs]). s Note: In book,  r is denoted as Hri, s is denoted as Hsi  and i    i   n is denoted as nh.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 32. Hash­Join (Cont.) Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 33. Hash­Join (Cont.) s r  tuples in ri need only to be compared with s tuples in si Need  not be compared with s tuples in any other partition, since: q an r tuple and an s tuple that satisfy the join condition will  have the same value for the join attributes. q If that value is hashed to some value i, the r tuple has to be in  ri and the s tuple in si. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 34. Hash­Join Algorithm The hash­join of r and s is computed as follows. 1. Partition the relation s using hashing function h.   1. When partitioning a relation, one block of memory is reserved as the  output buffer for each partition, and one block for input 2. If extra memory is available, allocate bb blocks as buffer for input and  each output 2. Partition r similarly. 3.  … next slide .. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 35. Hash Join (Cont.) Hash Join Algorithm (cont) 1. For each partition i: (a) Load si into memory and build an in­memory hash index on it  using the join attribute.   q This hash index uses a different hash function than the earlier  one h. (b) Read the tuples in ri from the disk one by one.   q For each tuple tr probe the in­memory hash index to find all  matching tuples ts in si  q For each matching tuple ts in si  q output the concatenation of the attributes of  tr  and  ts Relation s is called the build input and           r  is called the probe input. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 36. Hash­Join algorithm (Cont.) s The value n and the hash function h is chosen such that each si  should fit in memory. q Typically n is chosen as bs/M * f  where f is a “fudge factor”,  typically around 1.2 q The probe relation partitions si need not fit in memory s Recursive partitioning required if number of partitions n is greater  than number of pages M of memory. q instead of partitioning n ways, use  M – 1 partitions for s q Further partition the M – 1 partitions using a different hash  function q Use same partitioning method on r q Rarely required:  e.g., recursive partitioning not needed for  relations of 1GB or less with memory size of 2MB, with block size  of 4KB. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 37. Handling of Overflows s Partitioning is said to be skewed if some partitions have significantly  more tuples than some others s Hash­table overflow occurs in partition si if si does not fit in memory.   Reasons could be q Many tuples in s with same value for join attributes q Bad hash function s Overflow resolution can be done in build phase q Partition si is further partitioned using different hash function.  q Partition ri must be similarly partitioned. s Overflow avoidance performs partitioning carefully to avoid overflows  during build phase q E.g. partition build relation into many partitions, then combine them s Both approaches fail with large numbers of duplicates q Fallback option: use block nested loops join on overflowed  partitions Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 38. Cost of Hash­Join s If recursive partitioning is not required: cost of hash join is           3(br + bs) +4 ∗ nh  block transfers +          2( br / bb + bs / bb)  seeks s If recursive partitioning required: q number of passes required for partitioning build relation       s is logM–1(bs) – 1 q best to choose the smaller relation as the build relation. q Total cost estimate is:        2(br + bs logM–1(bs) – 1 + br + bs  block transfers +        2(br / bb + bs / bb) logM–1(bs) – 1  seeks s If the entire build input can be kept in main memory no partitioning is  required q Cost estimate goes down to br + bs. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 39. Example of Cost of Hash­Join customer     depositor s Assume that memory size is 20 blocks s bdepositor= 100 and bcustomer = 400. s depositor is to be used as build input.  Partition it into five partitions, each  of size 20 blocks.  This partitioning can be done in one pass. s Similarly, partition customer into five partitions,each of size 80.  This is also  done in one pass. s Therefore total cost, ignoring cost of writing partially filled blocks: q 3(100 + 400) = 1500 block transfers  + 2( 100/3 + 400/3) = 336 seeks Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 40. Hybrid Hash–Join s Useful when memory sized are relatively large, and the build input is bigger  than memory. s Main feature of hybrid hash join:       Keep the first partition of the build relation in memory.  s E.g. With memory size of 25 blocks, depositor can be partitioned into five  partitions, each of size 20 blocks. q  Division of memory:  The first partition occupies 20 blocks of memory  1 block is used for input, and 1 block each for buffering the other 4  partitions. s customer is similarly partitioned into five partitions each of size 80 q the first is used right away for probing, instead of being written out s Cost of 3(80 + 320) + 20 +80 = 1300 block transfers for  hybrid hash join, instead of 1500 with plain hash­join. s Hybrid hash­join most useful if M >>  bs Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 41. Complex Joins s Join with a conjunctive condition: r     θ1∧ θ 2∧... ∧ θ n s q Either use nested loops/block nested loops, or q Compute the result of one of the simpler joins r     θi s  final result comprises those tuples in the intermediate result  that satisfy the remaining conditions  θ1 ∧ . . . ∧ θi –1 ∧ θi +1 ∧ . . . ∧ θn s Join with a disjunctive condition  r      θ1 ∨ θ2 ∨... ∨ θn s    q Either use nested loops/block nested loops, or q Compute as the union of the records in individual joins r      θ i s: (r      θ1 s) ∪ (r     θ2  s) ∪ . . . ∪ (r     θn  s)     (applies only to the set version of union!) Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 42. Other Operations s Duplicate elimination can be implemented via hashing or sorting. q On sorting duplicates will come adjacent to each other, and all but  one set of duplicates can be deleted.   q Optimization: duplicates can be deleted during run generation as well  as at intermediate merge steps in external sort­merge. q Hashing is similar – duplicates will come into the same bucket. s Projection: q perform projection on each tuple  q followed by duplicate elimination.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 43. Other Operations : Aggregation s Aggregation can be implemented in a manner similar to duplicate  elimination. q Sorting or hashing can be used to bring tuples in the same group  together, and then the aggregate functions can be applied on each  group.  q Optimization: combine tuples in the same group during run  generation and intermediate merges, by computing partial  aggregate values  For count, min, max, sum: keep aggregate values on tuples  found so far in the group.   – When combining partial aggregate for count, add up the  aggregates  For avg, keep sum and count, and divide sum by count at the  end Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 44. Other Operations : Set Operations s Set operations (∪, ∩ and ):  can either use variant of merge­join after  sorting, or variant of hash­join. s E.g., Set operations using hashing: 1. Partition both relations using the same hash function 2. Process each partition i as follows.   1. Using a different hashing function, build an in­memory hash index  on ri. 2. Process si as follows q r ∪ s:   1. Add tuples in si to the hash index if they are not already in it.   2. At end of si add the tuples in the hash index to the result. q r ∩ s:  1. output tuples in si to the result if they are already there in the  hash index q  r – s:  1. for each tuple in si, if it is there in the hash index, delete it  from the index.  2.  At end of si add remaining tuples in the hash index to the  result.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 45. Other Operations : Outer Join s Outer join can be computed either as  q A join followed by addition of null­padded non­participating tuples. q by modifying the join algorithms. s Modifying merge join to compute r         s q In r         s, non participating tuples are those in r – ΠR(r     s) q Modify merge­join to compute r         s:  During merging, for every  tuple tr from r that do not match any tuple in s, output tr padded with  nulls. q Right outer­join and full outer­join can be computed similarly. s Modifying hash join to compute r         s q If  r is probe relation, output non­matching r tuples padded with nulls q If r is build relation, when probing keep track of which  r  tuples matched s tuples.    At end of si  output non­matched r tuples padded with nulls  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 46. Evaluation of Expressions s So far: we have seen algorithms for individual operations s Alternatives for evaluating an entire expression tree q Materialization:  generate results of an expression whose inputs  are relations or are already computed, materialize (store) it on  disk.  Repeat. q Pipelining:  pass on tuples to parent operations even as an  operation is being executed s We study above alternatives in more detail Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 47. Materialization s Materialized evaluation:  evaluate one operation at a time,  starting at the lowest­level.  Use intermediate results  materialized into temporary relations to evaluate next­level  operations. s E.g., in figure below, compute and store σ balance<2500 (account ) then compute the store its join with customer, and finally  compute the projections on customer­name.  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 48. Materialization (Cont.) s Materialized evaluation is always applicable s Cost of writing results to disk and reading them back can be quite high q Our cost formulas for operations ignore cost of writing results to  disk, so  Overall cost  =  Sum of costs of individual operations +                           cost of writing intermediate results to disk s Double buffering: use two output buffers for each operation, when one  is full write it to disk while the other is getting filled q Allows overlap of disk writes with computation and reduces  execution time Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 49. Pipelining s Pipelined evaluation :  evaluate several operations simultaneously,  passing the results of one operation on to the next. s E.g., in previous expression tree, don’t store result of   σ balance< 2500 (account ) q instead, pass tuples directly to the join..  Similarly, don’t store result of  join, pass tuples directly to projection.  s Much cheaper than materialization: no need to store a temporary relation  to disk. s Pipelining may not always be possible – e.g., sort, hash­join.  s For pipelining to be effective, use evaluation algorithms that generate  output tuples even as tuples are received for inputs to the operation.  s Pipelines can be executed in two ways:  demand driven and producer  driven  Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 50. Pipelining (Cont.) s In demand driven  or lazy evaluation q system repeatedly requests next tuple  from top level operation q Each operation requests  next tuple from children operations as  required, in order to output its next tuple q In between calls, operation has to maintain “state” so it knows what  to return next s In producer­driven or eager pipelining q Operators produce tuples eagerly and pass them up to their parents  Buffer maintained between operators, child puts tuples in buffer,  parent removes tuples from buffer  if buffer is full, child waits till there is space in the buffer, and then  generates more tuples q System schedules operations that have space in output buffer and  can process more input tuples s Alternative name: pull and push models of pipelining Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 51. Pipelining (Cont.) s Implementation of demand­driven pipelining q Each operation is implemented as an iterator implementing the  following operations  open() – E.g. file scan: initialize file scan »  state: pointer to beginning of file – E.g.merge join: sort relations; »  state: pointers to beginning of sorted relations   next() – E.g. for file scan: Output next tuple, and advance and store  file pointer – E.g. for merge join:  continue with merge from earlier state  till  next output tuple is found.  Save pointers as iterator state.  close() Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 52. Evaluation Algorithms for Pipelining s Some algorithms are not able to output results even as they get input  tuples q E.g. merge join, or hash join q intermediate results written to disk and then read back s Algorithm variants to generate (at least some) results on the fly, as input  tuples are read in q E.g. hybrid hash join generates output tuples even as probe relation  tuples in the in­memory partition (partition 0) are read in q Pipelined join technique: Hybrid hash join, modified to buffer  partition 0 tuples of both relations in­memory, reading them as they  become available, and output results of any matches between  partition 0 tuples  When a new r0 tuple is found, match it with existing s0 tuples,  output matches, and save it in r0  Symmetrically for s0 tuples Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 53. End of Chapter Database System Concepts, 5th Ed. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan See www.db­book.com for conditions on re­use 
  • 54. Figure 13.2 Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan
  • 55. Complex Joins s Join involving three relations:  loan    depositor     customer s Strategy 1.  Compute depositor    customer; use result to compute  loan    (depositor    customer) s Strategy 2.  Computer loan    depositor first, and then join the result  with customer. s Strategy 3.  Perform the pair of joins at once.  Build and index on  loan for loan­number, and on customer for customer­name. q For each tuple t in depositor, look up the corresponding tuples  in customer and the corresponding tuples in loan. q Each tuple of deposit is examined exactly once. s Strategy 3 combines two operations into one special­purpose  operation that is more efficient than implementing two joins of two  relations. Database System Concepts ­ 5th Edition. 13.<number> ©Silberschatz, Korth and Sudarshan