PostgreSQL17优化器改进（3）在使用包含操作符<@和@>时优化范围查询
本文将介绍PostgreSQL 17服务端优化器在使用包含操作符<@和@>时优化范围查询。其实在在第一眼看到官网网站的对于该优化点的时候，可能是由于缺乏对于范围类型的认知，因此也不太清楚具体优化的场景，但是通过详细的阅读官网沟通邮件及官网文档，也基本搞明白了PostgreSQL17 的优化场景。下面是整理的功能测试用例及不支持的场景的测试用例。
创建测试用例需要的表
CREATE TABLE rang_integer (num integer);
insert into rang_integer select generate_series(-100000, 100000);
CREATE index idx_rang_integer ON rang_integer( num );
ANALYZE rang_integer;
PostgreSQL16.3中的执行计划
在PostgreSQL16.3中，测试用例将对比BETWEEN and语句和范围操作符@>、@< 的执行计划和执行用时。
testdb=> EXPLAIN ANALYZE SELECT num FROM rang_integer WHERE num BETWEEN -10 AND 8;
QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Index Only Scan using idx_rang_integer on rang_integer (cost=0.42..4.80 rows=19 width=4) (actual time=0.470..0.475 rows=19 loops=1)
Index Cond: ((num >= '-10'::integer) AND (num <= 8))
Heap Fetches: 0
Planning Time: 0.191 ms
Execution Time: 0.502 ms
(5 rows)
Time: 1.721 ms
testdb=>
testdb=>
testdb=> EXPLAIN ANALYZE SELECT num FROM rang_integer WHERE num <@ int4range(-10, 8);
QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Seq Scan on rang_integer (cost=0.00..3385.01 rows=1000 width=4) (actual time=17.626..36.529 rows=18 loops=1)
Filter: (num <@ '[-10,8)'::int4range)
Rows Removed by Filter: 199983
Planning Time: 0.113 ms
Execution Time: 36.552 ms
(5 rows)
Time: 37.285 ms
在PostgreSQL16.3版本中检查一个元素是否包含在一个范围中时，使用@>或<@操作符的性能比BETWEEN AND的查询性能都差且差距比较大；通过执行计划我们也可以看出，在使用范围操作符时，扫描方式使用的是Seq Scan on rang_integer ，未使用到范围过滤条件上的索引。
PostgreSQL17.0Beta 1中的执行计划
在PostgreSQL17中，同样测试用例将对比BETWEEN and语句和范围操作符@>、@< 的执行计划和执行用时。
testdb=> EXPLAIN ANALYZE SELECT num FROM rang_integer WHERE num BETWEEN -10 AND 8;
QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Index Only Scan using idx_rang_integer on rang_integer (cost=0.42..4.84 rows=21 width=4) (actual time=0.281..0.286 rows=19 loops=1)
Index Cond: ((num >= '-10'::integer) AND (num <= 8))
Heap Fetches: 0
Planning Time: 0.192 ms
Execution Time: 0.315 ms
(5 rows)
Time: 1.205 ms
testdb=>
testdb=> ^C
testdb=> EXPLAIN ANALYZE SELECT num FROM rang_integer WHERE num <@ int4range(-10, 8);
QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Index Only Scan using idx_rang_integer on rang_integer (cost=0.42..4.82 rows=20 width=4) (actual time=0.034..0.039 rows=18 loops=1)
Index Cond: ((num >= '-10'::integer) AND (num < 8))
Heap Fetches: 0
Planning Time: 0.207 ms
Execution Time: 0.061 ms
(5 rows)
Time: 0.794 ms
在PostgreSQL17版本中，优化范围值的查询后，通过对比 PostgreSQL16.3和PostgreSQL17的范围操作符查询，执行耗时由原来的37.285ms降低到0.794 ms，执行SQL的耗时大概提升了40倍多。我们再查看PostgreSQL17版本中的执行计划，发现在使用范围操作符时过滤数据时，已经用到之前新建的索引idx_rang_integer，因此查询才得到了提升。
PostgreSQL17.0Beta 1中不支持的场景
检查可变用例是否优化
这些用例是官网文档中提供的，通过下面的测试可知，对于值可变的情况，未进行优化
testdb=> select now();
now
-------------------------------
2024-06-11 17:06:07.074701+08
(1 row)
Time: 0.331 ms
testdb=> explain (verbose, costs off)
testdb-> select now() <@ tstzrange('2024-06-10 00:00', '2024-06-20 00:00');
QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Result
Output: ((now() >= '2024-06-10 00:00:00+08'::timestamp with time zone) AND (now() < '2024-06-20 00:00:00+08'::timestamp with time zone))
(2 rows)
Time: 0.610 ms
testdb=> explain (verbose, costs off) -- unsafe!
testdb-> select clock_timestamp() <@ tstzrange('2024-06-10 00:00', '2024-06-20 00:00');
QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------
Result
Output: (clock_timestamp() <@ '["2024-06-10 00:00:00+08","2024-06-20 00:00:00+08")'::tstzrange)
(2 rows)
Time: 0.532 ms
testdb=> explain (verbose, costs off)
testdb-> select clock_timestamp() <@ tstzrange('2024-01-20 00:00', NULL);
QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------------------------
Result
Output: (clock_timestamp() >= '2024-01-20 00:00:00+08'::timestamp with time zone)
(2 rows)
Time: 0.714 ms
总结
在PostgreSQL 17中为范围操作符<@和@>添加优化器支持函数，这些支持函数将优化具有恒定范围值的表达式转换为对范围边界值的直接比较，其实就是启用了过滤条件上的索引。但是，有些情况也是不支持的，如果对可变的或代价高的元素表达式进行双重求值，则跳过该转换。