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    SQL Server 高性能寫入的一些總結

    作者: JK_Rush  來源: 博客園  發布時間: 2013-03-05 14:09  閱讀: 18419 次  推薦: 70   原文鏈接   [收藏]  

      1.1.1 摘要

      在開發過程中,我們不時會遇到系統性能瓶頸問題,而引起這一問題原因可以很多,有可能是代碼不夠高效、有可能是硬件或網絡問題,也有可能是數據庫設計的問題。

      本篇博文將針對一些常用的數據庫性能調休方法進行介紹,而且,為了編寫高效的SQL代碼,我們需要掌握一些基本代碼優化的技巧,所以,我們將從一些基本優化技巧進行介紹。

      本文目錄

      1.1.2 正文

      假設,我們要設計一個博客系統,其中包含一個用戶表(User),它用來存儲用戶的賬戶名、密碼、顯示名稱和注冊日期等信息。

      由于時間的關系,我們已經把User表設計好了,它包括賬戶名、密碼(注意:這里沒有考慮隱私信息的加密存儲)、顯示名稱和注冊日期等,具體設計如下:

    -- =============================================
    -- Author:        JKhuang
    -- Create date: 7/8/2012
    -- Description:    A table stores the user information.
    -- =============================================
    CREATE TABLE [dbo].[jk_users](
         -- This is the reference to Users table, it is primary key.
        [ID] [bigint] IDENTITY(1,1) NOT NULL,
        [user_login] [varchar](60) NOT NULL,
        [user_pass] [varchar](64) NOT NULL,
        [user_nicename] [varchar](50) NOT NULL,
        [user_email] [varchar](100) NOT NULL,
        [user_url] [varchar](100) NOT NULL,
    
        -- This field get the default from function GETDATE().
        [user_registered] [datetime] NOT NULL CONSTRAINT [DF_jk_users_user_registered]  DEFAULT (getdate()),
        [user_activation_key] [varchar](60) NOT NULL,
        [user_status] [int] NOT NULL CONSTRAINT [DF_jk_users_user_status]  DEFAULT ((0)),
        [display_name] [varchar](250) NOT NULL
    )

    optimization0圖1 Users表設計

      上面,我們定義了Users表,它包含賬戶名、密碼、顯示名稱和注冊日期等10個字段,其中,ID是一個自增的主鍵,user_resistered用來記錄用戶的注冊時間,它設置了默認值GETDATE()。

      接下來,我們將通過客戶端代碼實現數據存儲到Users表中,具體的代碼如下:

    //// Creates a database connection.
    var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN1"].ToString());
    conn.Open();
    
    //// This is a massive SQL injection vulnerability, 
    //// don't ever write your own SQL statements with string formatting!
    string sql = String.Format(
          @"INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key)
            VALUES ('{0}', '{1}', '{2}', '{3}', '{4}', '{5}', '{6}', '{7}')",
          userLogin, userPass, userNicename, userEmail, userStatus, displayName, userUrl, userActivationKey);
    var cmd = new SqlCommand(sql, conn);
    cmd.ExecuteNonQuery();
    
    //// Because this call to Close() is not wrapped in a try/catch/finally clause, 
    //// it could be missed if an exception occurs above.  Don't do this!
    conn.Close();

      代碼中的問題

      上面,我們使用再普通不過的ADO.NET方式實現數據寫入功能,但大家是否發現代碼存在問題或可以改進的地方呢?

      首先,我們在客戶端代碼中,創建一個數據庫連接,它需要占用一定的系統資源,當操作完畢之后我們需要釋放占用的系統資源,當然,我們可以手動釋放資源,具體實現如下:

    //// Creates a database connection.
    var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN1"].ToString());
    conn.Open();
    
    //// This is a massive SQL injection vulnerability, 
    //// don't ever write your own SQL statements with string formatting!
    string sql = String.Format(
          @"INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key)
            VALUES ('{0}', '{1}', '{2}', '{3}', '{4}', '{5}', '{6}', '{7}')",
          userLogin, userPass, userNicename, userEmail, userStatus, displayName, userUrl, userActivationKey);
    var cmd = new SqlCommand(sql, conn);
    cmd.ExecuteNonQuery();
    
    //// If throws an exception on cmd dispose.
    cmd.Dispose();
    //// conn can't be disposed.
    conn.Close();
    conn.Dispose();

      假如,在釋放SqlCommand資源時拋出異常,那么在它后面的資源SqlConnection將得不到釋放。我們仔細想想當發生異常時,可以通過try/catch捕獲異常,所以無論是否發生異常都可以使用finally檢查資源是否已經釋放了,具體實現如下:

    SqlCommand cmd = null;
    SqlConnection conn = null;
    try
    {
        //// Creates a database connection.
        conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN1"].ToString());
        conn.Open();
    
        //// This is a massive SQL injection vulnerability, 
        //// don't ever write your own SQL statements with string formatting!
        string sql = String.Format(
              @"INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key)
            VALUES ('{0}', '{1}', '{2}', '{3}', '{4}', '{5}', '{6}', '{7}')",
              userLogin, userPass, userNicename, userEmail, userStatus, displayName, userUrl, userActivationKey);
        cmd = new SqlCommand(sql, conn);
        cmd.ExecuteNonQuery();
    }
    finally
    {
        //// Regardless of whether there is an exception,
        //// we will dispose the resource. 
        if (cmd != null) cmd.Dispose();
        if (conn != null) conn.Dispose();
    }

      通過上面的finally方式處理了異常情況是很普遍的,但為了更安全釋放資源,使得我們增加了finally和if語句,那么是否有更簡潔的方法實現資源的安全釋放呢?

      其實,我們可以使用using語句實現資源的釋放,具體實現如下:

      using語句:定義一個范圍,將在此范圍之外釋放一個或多個對象。

    string sql = String.Format(
          @"INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key)
            VALUES ('{0}', '{1}', '{2}', '{3}', '{4}', '{5}', '{6}', '{7}')",
                  userLogin, userPass, userNicename, userEmail, userStatus, displayName, userUrl, userActivationKey);
    
    //// Creates a database connection.
    using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN1"].ToString()))
    using (var cmd = new SqlCommand(sql, conn))
    {
        //// Your code here.
    }

      上面的代碼使用了using語句實現資源的釋放,那么是否所有對象都可以使用using語句實現釋放呢?

      只有類型實現了IDisposable接口并且重寫Dispose()方法可以使用using語句實現資源釋放,由于SqlConnection和SqlCommand實現了IDisposable接口,那么我們可以使用using語句實現資源釋放和異常處理。

      在客戶端代碼中,我們使用拼接SQL語句方式實現數據寫入,由于SQL語句是動態執行的,所以惡意用戶可以通過拼接SQL的方式實施SQL注入攻擊

      對于SQL注入攻擊,我們可以通過以下方式防御:

    • 正則表達校驗用戶輸入
    • 參數化存儲過程
    • 參數化SQL語句
    • 添加數據庫新架構
    • LINQ to SQL

      接下來,我們將通過參數化SQL語句防御SQL注入攻擊,大家也可以使用其他的方法防御SQL注入攻擊,具體實現代碼如下:

    //// Creates a database connection.
    using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN1"].ToString()))
    {
        conn.Open();
        string sql = string.Format(
                 @"INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, 
                    user_status,display_name, user_url, user_activation_key)");
    
        using (var cmd = new SqlCommand(sql, conn))
        {
            //// Parameterized SQL to defense injection attacks
            cmd.Parameters.Add("@user_login", userLogin);
            cmd.Parameters.Add("@user_pass", userPass);
            cmd.Parameters.Add("@user_nicename", userNicename);
            cmd.Parameters.Add("@user_email", userEmail);
            cmd.Parameters.Add("@user_status", userStatus);
            cmd.Parameters.Add("@display_name", displayName);
            cmd.Parameters.Add("@user_url", userUrl);
            cmd.Parameters.Add("@user_activation_key", userActivationKey);
            cmd.ExecuteNonQuery();
        }
    }

      上面通過參數化SQL語句和using語句對代碼進行改進,現在代碼的可讀性更強了,而且也避免了SQL注入攻擊和資源釋放等問題。

      接下來,讓我們簡單的測試一下代碼執行時間,首先我們在代碼中添加方法Stopwatch.StartNew()和Stopwatch.Stop()來計算寫入代碼的執行時間,具體代碼如下:

        //// calc insert 10000 records consume time.
        var sw = Stopwatch.StartNew();
    
        //// Creates a database connection.
        using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN2"].ToString()))
        {
            conn.Open();
            int cnt = 0;
            while (cnt++ < 10000)
            {
                string sql = string.Format(@"INSERT INTO jk_users 
                     (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key)
                     VALUES (@user_login, @user_pass, @user_nicename, @user_email, @user_status, @display_name, @user_url, @user_activation_key)");
    
                using (var cmd = new SqlCommand(sql, conn))
                {
                    //// Parameterized SQL to defense injection attacks
                    cmd.Parameters.Add("@user_login", userLogin);
                    cmd.Parameters.Add("@user_pass", userPass);
                    cmd.Parameters.Add("@user_nicename", userNicename);
                    cmd.Parameters.Add("@user_email", userEmail);
                    cmd.Parameters.Add("@user_status", userStatus);
                    cmd.Parameters.Add("@display_name", displayName);
                    cmd.Parameters.Add("@user_url", userUrl);
                    cmd.Parameters.Add("@user_activation_key", userActivationKey);
                    cmd.ExecuteNonQuery();
                }
            }
        }
    
        sw.Stop();
    }

      上面,我們往數據庫中寫入了10000條數據,執行時間為 7.136秒(我的機器很破了),這樣系統性能還是可以滿足許多公司的需求了。

      假如,用戶請求量增大了,我們還能保證系統能滿足需求嗎?事實上,我們不應該滿足于現有的系統性能,因為我們知道代碼的執行效率還有很大的提升空間。

      接下來,將進一步介紹代碼改善的方法。

    optimization1圖2 數據寫入Users表

      為了使數據庫獲得更快的寫入速度,我們必須了解數據庫在進行寫入操作時的主要耗時。

      數據庫性能開銷

      連接時間

      當我們執行conn.Open()時,首先,必須建立物理通道(例如套接字或命名管道),必須與服務器進行初次握手,必須分析連接字符串信息,必須由服務器對連接進行身份驗證,必須運行檢查以便在當前事務中登記,等等

      這一系列操作可能需要一兩秒鐘時間,如果我們每次執行conn.Open()都有進行這一系列操作是很耗費時間的,為了使打開的連接成本最低,ADO.NET使用稱為連接池的優化方法。

      連接池:減少新連接需要打開的次數,只要用戶在連接上調用Open()方法,池進程就會檢查池中是否有可用的連接,如果某個池連接可用,那么將該連接返回給調用者,而不是創建新連接;應用程序在該連接上調用Close()Dispose()時,池進程會將連接返回到活動連接池集中,而不是真正關閉連接,連接返回到池中之后,即可在下一個Open調用中重復使用。

      解析器的開銷

      當我們向SQL Server傳遞SQL語句INSERT INTO …時,它需要對SQL語句進行解析,由于SQL Server解析器執行速度很快,所以解析時間往往是可以忽略不計,但我們仍然可以通過使用存儲過程,而不是直SQL語句來減少解析器的開銷。

      數據庫連接

      為了提供ACID(事務的四個特性),SQL Server必須確保所有的數據庫更改是有序的。它是通過使用鎖來確保該數據庫插入、刪除或更新操作之間不會相互沖突(關于數據庫的鎖請參考這里)。

      由于,大多數數據庫都是面向多用戶的環境,當我們對User表進行插入操作時,也許有成千上百的用戶也在對User表進行操作,所以說,SQL Server必須確保這些操作是有序進行的。

      那么,當SQL Server正在做所有這些事情時,它會產生鎖,以確保用戶獲得有意義的結果。SQL Server保證每條語句執行時,數據庫是完全可預測的(例如:預測SQL執行方式)和管理鎖都需要耗費一定的時間。

      約束處理

      在插入數據時,每個約束(如:外鍵、默認值、SQL CHECK等)需要額外的時間來檢測數據是否符合約束;由于SQL Server為了保證每個插入、更新或刪除的記錄都符合約束條件,所以,我們需要考慮是否應該在數據量大的表中增加約束條件。

      Varchar

      VARCHAR是數據庫常用的類型,但它也可能導致意想不到的性能開銷;每次我們存儲可變長度的列,那么SQL Server必須做更多的內存管理;字符串可以很容易地消耗數百字節的內存的,如果我們在一個VARCHAR列中設置索引,那么SQL Server執行B-樹搜索時,就需要進行O(字符串長度)次比較,然而,整數字段比較次數只受限于內存延遲和CPU頻率。

      磁盤IO

      SQL Server最終會將數據寫入到磁盤中,首先,SQL Server把數據寫入到事務日志中,當執行備份時,事務日志會合并到永久的數據庫文件中;這一系列操作由后臺完成,它不會影響到數據查詢的速度,但每個事物都必須擁有屬于自己的磁盤空間,所以我們可以通過給事務日志和主數據文件分配獨立的磁盤空間減少IO開銷,當然,最好解決辦法是盡可能減少事務的數量。

      正如大家所看到的,我們通過優化聯接時間、 解析器的開銷、 數據庫聯接、約束處理,、Varchar和磁盤IO等方法來優化數據庫,接下來,我們將對前面的例子進行進一步的優化。

      使用存儲過程

      前面例子中,我們把SQL代碼直接Hardcode在客戶端代碼中,那么,數據庫就需要使用解析器解析客戶端中SQL語句,所以我們可以改用使用存儲過程,從而,減少解析器的時間開銷;更重要的一點是,由于SQL是動態執行的,所以我們修改存儲過程中的SQL語句也無需重新編譯和發布程序。

      User表中的字段user_registered設置了默認值(GETDATE()),那么我們通過消除表默認值約束來提高系統的性能,簡而言之,我們需要提供字段user_registered的值。

      接下來,讓我們省去User表中的默認值約束和增加存儲過程,具體代碼如下:

    -- =============================================
    -- Author:        JKhuang
    -- Create date: 08/16/2012
    -- Description:    Creates stored procedure to insert
    -- data into table jk_users.
    -- =============================================
    ALTER PROCEDURE [dbo].[SP_Insert_jk_users] 
        @user_login varchar(60), 
        @user_pass varchar(64), 
        @user_nicename varchar(50), 
        @user_email varchar(100), 
        @user_url varchar(100), 
        @user_activation_key varchar(60),
        @user_status int, 
        @display_name varchar(250)
         
    AS
    BEGIN
        SET NOCOUNT ON;
    
    -- The stored procedure allows SQL server to avoid virtually all parser work
    INSERT INTO jk_users 
           (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_status,display_name, user_url, user_activation_key, user_registered)
           VALUES (@user_login, @user_pass, @user_nicename, @user_email, @user_status, @display_name, @user_url, @user_activation_key, GETDATE());
    END
    

      上面我們定義了存儲過程SP_Insert_jk_users向表中插入數據,當我們重新執行代碼時,發現數據插入的時間縮短為6.7401秒。

    optimization2圖3數據寫入時間

      使用數據庫事務

      想想數據是否可以延長寫入到數據庫中,是否可以批量地寫入呢?如果允許延遲一段時間才寫入到數據庫中,那么我們可以使用Transaction來延遲數據寫入。

      數據庫事務是數據庫管理系統執行過程中的一個邏輯單位,由一個有限的數據庫操作序列構成。 SQL Server確保事務執行成功后,數據寫入到數據庫中,反之,事務將回滾。

      如果我們對數據庫進行十次獨立的操作,那么SQL Server就需要分配十次鎖開銷,但如果把這些操作都封裝在一個事務中,那么SQL Server只需要分配一次鎖開銷。

        //// calc insert 10000 records consume time.
        var sw = Stopwatch.StartNew();
    
        //// Creates a database connection.
        using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN2"].ToString()))
        {
            conn.Open();
            int cnt = 0;
            SqlTransaction trans = conn.BeginTransaction();
            while (cnt++ < 10000)
            {
                using (var cmd = new SqlCommand("SP_Insert_jk_users", conn))
                {
                    //// Parameterized SQL to defense injection attacks
                    cmd.CommandType = CommandType.StoredProcedure;
    
                    //// Uses transcation to batch insert data.
                    //// To avoid lock and connection overhead.
                    cmd.Transaction = trans;
                    cmd.Parameters.Add("@user_login", userLogin);
                    cmd.Parameters.Add("@user_pass", userPass);
                    cmd.Parameters.Add("@user_nicename", userNicename);
                    cmd.Parameters.Add("@user_email", userEmail);
                    cmd.Parameters.Add("@user_status", userStatus);
                    cmd.Parameters.Add("@display_name", displayName);
                    cmd.Parameters.Add("@user_url", userUrl);
                    cmd.Parameters.Add("@user_activation_key", userActivationKey);
                    cmd.ExecuteNonQuery();
                }
            }
    
            //// If no exception, commit transcation.
            trans.Commit();
        }
    
        sw.Stop();
    }

    optimization3圖4 數據寫入時間

      使用SqlBulkCopy

      通過使用事務封裝了寫入操作,當我們重新運行代碼,發現數據寫入的速度大大提高了,只需4.5109秒,由于一個事務只需分配一次鎖資源,減少了分配鎖和數據庫聯接的耗時。

      當然,我們可以也使用SqlBulkCopy實現大量數據的寫入操作,具體實現代碼如下:

    var sw = Stopwatch.StartNew();
    
    //// Creates a database connection.
    using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN2"].ToString()))
    {
        conn.Open();
        using (var bulkCopy = new SqlBulkCopy(conn))
        {
            //// Maping the data columns.
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_login", "user_login");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_pass", "user_pass");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_nicename", "user_nicename");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_email", "user_email");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_url", "user_url");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_registered", "user_registered");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_activation_key", "user_activation_key");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("user_status", "user_status");
            bulkCopy.ColumnMappings.Add("display_name", "display_name");
            bulkCopy.DestinationTableName = "dbo.jk_users";
            //// Insert data into datatable.
            bulkCopy.WriteToServer(dataRows);
        }
        sw.Stop();
    }

    optimization4圖5 數據寫入時間

      上面,我們通過事務和SqlBulkCopy實現數據批量寫入數據庫中,但事實上,每次我們調用cmd.ExecuteNonQuery()方法都會產生一個往返消息,從客戶端應用程序到數據庫中,所以我們想是否存在一種方法只發送一次消息就完成寫入的操作呢?

      使用表參數

      如果,大家使用SQL Server 2008,它提供一個新的功能表變量(Table Parameters)可以將整個表數據匯集成一個參數傳遞給存儲過程或SQL語句。它的注意性能開銷是將數據匯集成參數(O(數據量))。

      現在,我們修改之前的代碼,在SQL Server中定義我們的表變量,具體定義如下:

    -- =============================================
    -- Author:        JKhuang
    -- Create date: 08/16/2012
    -- Description:    Declares a user table paramter.
    -- =============================================
    CREATE TYPE jk_users_bulk_insert AS TABLE (
        user_login varchar(60),
        user_pass varchar(64),
        user_nicename varchar(50),
        user_email varchar(100),
        user_url varchar(100),
        user_activation_key varchar(60),
        user_status int,
        display_name varchar(250)
    )
    

      上面,我們定義了一個表參數jk_users_bulk_insert,接著我們定義一個存儲過程接受表參數jk_users_bulk_insert,具體定義如下:

    -- =============================================
    -- Author:        JKhuang
    -- Create date: 08/16/2012
    -- Description:    Creates a stored procedure, receive
    -- a jk_users_bulk_insert argument.
    -- =============================================
    CREATE PROCEDURE sp_insert_jk_users 
    @usersTable jk_users_bulk_insert READONLY 
    AS
    
    INSERT INTO jk_users (user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_url, 
    user_activation_key, user_status, display_name, user_registered) 
    
    SELECT user_login, user_pass, user_nicename, user_email, user_url, 
    user_activation_key, user_status, display_name, GETDATE() 
    FROM @usersTable

      接下我們在客戶端代碼中,調用存儲過程并且將表作為參數方式傳遞給存儲過程。

    var sw = Stopwatch.StartNew();
    using (var conn = new SqlConnection(ConfigurationManager.ConnectionStrings["SQLCONN2"].ToString()))
    {
        conn.Open();
        //// Invokes the stored procedure.
        using (var cmd = new SqlCommand("sp_insert_jk_users", conn))
        {
            cmd.CommandType = CommandType.StoredProcedure;
    
            //// Adding a "structured" parameter allows you to insert tons of data with low overhead
            var param = new SqlParameter("@userTable", SqlDbType.Structured) { Value = dt };
            cmd.Parameters.Add(param);
            cmd.ExecuteNonQuery();
        }
    }
    
    sw.Stop();

      現在,我們重新執行寫入操作發現寫入效率與SqlBulkCopy相當。

      1.1.3 總結

      本文通過博客系統用戶表設計的例子,介紹我們在設計過程中容易犯的錯誤和代碼的缺陷,例如:SQL注入、數據庫資源釋放等問題;進而使用一些常用的代碼優化技巧對代碼進行優化,并且通過分析數據庫寫入的性能開銷(連接時間、解析器、數據庫連接、約束處理、VARCHAR和磁盤IO),我們使用存儲過程、數據庫事務、SqlBulkCopy和表參數等方式降低數據庫的開銷。

      參考

      [1] http://beginner-sql-tutorial.com/sql-query-tuning.htm

      [2] http://www.dzone.com/links/r/sql_optimization_tipsquestions.html

      [3] http://blackrabbitcoder.net/archive/2010/11/11/c.net-little-wonders---a-presentation.aspx

      [4] http://www.altdevblogaday.com/2012/05/16/sql-server-high-performance-inserts/

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    標簽:SQL Server

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