Improve tuplesort.c to support variable merge order. The original coding
authorTom Lane
Sun, 19 Feb 2006 05:54:06 +0000 (05:54 +0000)
committerTom Lane
Sun, 19 Feb 2006 05:54:06 +0000 (05:54 +0000)
with fixed merge order (fixed number of "tapes") was based on obsolete
assumptions, namely that tape drives are expensive.  Since our "tapes"
are really just a couple of buffers, we can have a lot of them given
adequate workspace.  This allows reduction of the number of merge passes
with consequent savings of I/O during large sorts.

Simon Riggs with some rework by Tom Lane

src/backend/optimizer/path/costsize.c
src/backend/utils/sort/tuplesort.c
src/include/utils/tuplesort.h

index f946c69b9b7ae0ca30d36f45af8433a0d1254e58..331068d46433326193fa85caeba48575cd1b654e 100644 (file)
@@ -49,7 +49,7 @@
  * Portions Copyright (c) 1994, Regents of the University of California
  *
  * IDENTIFICATION
- *   $PostgreSQL: pgsql/src/backend/optimizer/path/costsize.c,v 1.153 2006/02/05 02:59:16 tgl Exp $
+ *   $PostgreSQL: pgsql/src/backend/optimizer/path/costsize.c,v 1.154 2006/02/19 05:54:06 tgl Exp $
  *
  *-------------------------------------------------------------------------
  */
 #include "utils/selfuncs.h"
 #include "utils/lsyscache.h"
 #include "utils/syscache.h"
+#include "utils/tuplesort.h"
 
 
 #define LOG2(x)  (log(x) / 0.693147180559945)
-#define LOG6(x)  (log(x) / 1.79175946922805)
 
 /*
  * Some Paths return less than the nominal number of rows of their parent
@@ -767,11 +767,10 @@ cost_functionscan(Path *path, PlannerInfo *root, RelOptInfo *baserel)
  * If the total volume exceeds work_mem, we switch to a tape-style merge
  * algorithm.  There will still be about t*log2(t) tuple comparisons in
  * total, but we will also need to write and read each tuple once per
- * merge pass. We expect about ceil(log6(r)) merge passes where r is the
- * number of initial runs formed (log6 because tuplesort.c uses six-tape
- * merging).  Since the average initial run should be about twice work_mem,
- * we have
- *     disk traffic = 2 * relsize * ceil(log6(p / (2*work_mem)))
+ * merge pass.  We expect about ceil(logM(r)) merge passes where r is the
+ * number of initial runs formed and M is the merge order used by tuplesort.c.
+ * Since the average initial run should be about twice work_mem, we have
+ *     disk traffic = 2 * relsize * ceil(logM(p / (2*work_mem)))
  *     cpu = comparison_cost * t * log2(t)
  *
  * The disk traffic is assumed to be half sequential and half random
@@ -824,10 +823,14 @@ cost_sort(Path *path, PlannerInfo *root,
    {
        double      npages = ceil(nbytes / BLCKSZ);
        double      nruns = (nbytes / work_mem_bytes) * 0.5;
-       double      log_runs = ceil(LOG6(nruns));
+       double      mergeorder = tuplesort_merge_order(work_mem_bytes);
+       double      log_runs;
        double      npageaccesses;
 
-       if (log_runs < 1.0)
+       /* Compute logM(r) as log(r) / log(M) */
+       if (nruns > mergeorder)
+           log_runs = ceil(log(nruns) / log(mergeorder));
+       else
            log_runs = 1.0;
        npageaccesses = 2.0 * npages * log_runs;
        /* Assume half are sequential (cost 1), half are not */
index 94d2c24fbb1b7f2ef8185efc95efc173c986dfe2..8e2d693164c98749786e18add27653781c935944 100644 (file)
@@ -48,7 +48,7 @@
  * each source run; we repeatedly output the smallest tuple and insert the
  * next tuple from its source tape (if any).  When the heap empties, the merge
  * is complete.  The basic merge algorithm thus needs very little memory ---
- * only M tuples for an M-way merge, and M is at most six in the present code.
+ * only M tuples for an M-way merge, and M is constrained to a small number.
  * However, we can still make good use of our full workMem allocation by
  * pre-reading additional tuples from each source tape.  Without prereading,
  * our access pattern to the temporary file would be very erratic; on average
  * on-the-fly as the caller repeatedly calls tuplesort_gettuple; this
  * saves one cycle of writing all the data out to disk and reading it in.
  *
+ * Before Postgres 8.2, we always used a seven-tape polyphase merge, on the
+ * grounds that 7 is the "sweet spot" on the tapes-to-passes curve according
+ * to Knuth's figure 70 (section 5.4.2).  However, Knuth is assuming that
+ * tape drives are expensive beasts, and in particular that there will always
+ * be many more runs than tape drives.  In our implementation a "tape drive"
+ * doesn't cost much more than a few Kb of memory buffers, so we can afford
+ * to have lots of them.  In particular, if we can have as many tape drives
+ * as sorted runs, we can eliminate any repeated I/O at all.  In the current
+ * code we determine the number of tapes M on the basis of workMem: we want
+ * workMem/M to be large enough that we read a fair amount of data each time
+ * we preread from a tape, so as to maintain the locality of access described
+ * above.  Nonetheless, with large workMem we can have many tapes.
+ *
  *
  * Portions Copyright (c) 1996-2005, PostgreSQL Global Development Group
  * Portions Copyright (c) 1994, Regents of the University of California
  *
  * IDENTIFICATION
- *   $PostgreSQL: pgsql/src/backend/utils/sort/tuplesort.c,v 1.57 2006/01/05 01:56:29 momjian Exp $
+ *   $PostgreSQL: pgsql/src/backend/utils/sort/tuplesort.c,v 1.58 2006/02/19 05:54:06 tgl Exp $
  *
  *-------------------------------------------------------------------------
  */
@@ -120,11 +133,18 @@ typedef enum
 } TupSortStatus;
 
 /*
- * We use a seven-tape polyphase merge, which is the "sweet spot" on the
- * tapes-to-passes curve according to Knuth's figure 70 (section 5.4.2).
+ * Parameters for calculation of number of tapes to use --- see inittapes().
+ *
+ * In this calculation we assume that each tape will cost us about 3 blocks
+ * worth of buffer space (which is an underestimate for very large data
+ * volumes, but it's probably close enough --- see logtape.c).
+ *
+ * MERGE_BUFFER_SIZE is how much data we'd like to read from each
+ * tape during a preread cycle (see discussion at top of file).
  */
-#define MAXTAPES       7       /* Knuth's T */
-#define TAPERANGE      (MAXTAPES-1)    /* Knuth's P */
+#define MINTAPES       7       /* minimum number of tapes */
+#define TAPE_BUFFER_OVERHEAD       (BLCKSZ * 3)
+#define MERGE_BUFFER_SIZE          (BLCKSZ * 32)
 
 /*
  * Private state of a Tuplesort operation.
@@ -135,6 +155,8 @@ struct Tuplesortstate
    bool        randomAccess;   /* did caller request random access? */
    long        availMem;       /* remaining memory available, in bytes */
    long        allowedMem;     /* total memory allowed, in bytes */
+   int         maxTapes;       /* number of tapes (Knuth's T) */
+   int         tapeRange;      /* maxTapes-1 (Knuth's P) */
    LogicalTapeSet *tapeset;    /* logtape.c object for tapes in a temp file */
 
    /*
@@ -179,7 +201,7 @@ struct Tuplesortstate
     * SORTEDINMEM, the tuples are in final sorted order; in states BUILDRUNS
     * and FINALMERGE, the tuples are organized in "heap" order per Algorithm
     * H.  (Note that memtupcount only counts the tuples that are part of the
-    * heap --- during merge passes, memtuples[] entries beyond TAPERANGE are
+    * heap --- during merge passes, memtuples[] entries beyond tapeRange are
     * never in the heap and are used to hold pre-read tuples.)  In state
     * SORTEDONTAPE, the array is not used.
     */
@@ -204,6 +226,11 @@ struct Tuplesortstate
     */
    int         currentRun;
 
+   /*
+    * Unless otherwise noted, all pointer variables below are pointers
+    * to arrays of length maxTapes, holding per-tape data.
+    */
+
    /*
     * These variables are only used during merge passes.  mergeactive[i] is
     * true if we are reading an input run from (actual) tape number i and
@@ -218,11 +245,10 @@ struct Tuplesortstate
     * in these lists, because memtuples[0] is part of the merge heap and is
     * never a pre-read tuple.
     */
-   bool        mergeactive[MAXTAPES];  /* Active input run source? */
-   int         mergenext[MAXTAPES];    /* first preread tuple for each source */
-   int         mergelast[MAXTAPES];    /* last preread tuple for each source */
-   long        mergeavailmem[MAXTAPES];        /* availMem for prereading
-                                                * tapes */
+   bool       *mergeactive;    /* Active input run source? */
+   int        *mergenext;      /* first preread tuple for each source */
+   int        *mergelast;      /* last preread tuple for each source */
+   long       *mergeavailmem;  /* availMem for prereading tapes */
    long        spacePerTape;   /* actual per-tape target usage */
    int         mergefreelist;  /* head of freelist of recycled slots */
    int         mergefirstfree; /* first slot never used in this merge */
@@ -234,10 +260,10 @@ struct Tuplesortstate
     */
    int         Level;          /* Knuth's l */
    int         destTape;       /* current output tape (Knuth's j, less 1) */
-   int         tp_fib[MAXTAPES];       /* Target Fibonacci run counts (A[]) */
-   int         tp_runs[MAXTAPES];      /* # of real runs on each tape */
-   int         tp_dummy[MAXTAPES];     /* # of dummy runs for each tape (D[]) */
-   int         tp_tapenum[MAXTAPES];   /* Actual tape numbers (TAPE[]) */
+   int        *tp_fib;         /* Target Fibonacci run counts (A[]) */
+   int        *tp_runs;        /* # of real runs on each tape */
+   int        *tp_dummy;       /* # of dummy runs for each tape (D[]) */
+   int        *tp_tapenum;     /* Actual tape numbers (TAPE[]) */
 
    /*
     * These variables are used after completion of sorting to keep track of
@@ -259,8 +285,8 @@ struct Tuplesortstate
     */
    TupleDesc   tupDesc;
    int         nKeys;
-   ScanKey     scanKeys;
-   SortFunctionKind *sortFnKinds;
+   ScanKey     scanKeys;           /* array of length nKeys */
+   SortFunctionKind *sortFnKinds;  /* array of length nKeys */
 
    /*
     * These variables are specific to the IndexTuple case; they are set by
@@ -448,7 +474,10 @@ tuplesort_begin_common(int workMem, bool randomAccess)
 
    state->currentRun = 0;
 
-   /* Algorithm D variables will be initialized by inittapes, if needed */
+   /*
+    * maxTapes, tapeRange, and Algorithm D variables will be initialized by
+    * inittapes(), if needed
+    */
 
    state->result_tape = -1;    /* flag that result tape has not been formed */
 
@@ -1041,6 +1070,29 @@ tuplesort_getdatum(Tuplesortstate *state, bool forward,
    return true;
 }
 
+/*
+ * tuplesort_merge_order - report merge order we'll use for given memory
+ *
+ * This is exported for use by the planner.  allowedMem is in bytes.
+ *
+ * This must match the calculation in inittapes.  The only reason we
+ * don't fold the code together is that inittapes wants to know if the
+ * MINTAPES limitation applies or not.
+ */
+int
+tuplesort_merge_order(long allowedMem)
+{
+   int         maxTapes;
+
+   /* see inittapes for comments */
+   maxTapes = (int) ((allowedMem - TAPE_BUFFER_OVERHEAD) /
+                     (MERGE_BUFFER_SIZE + TAPE_BUFFER_OVERHEAD)) + 1;
+
+   maxTapes = Max(maxTapes, MINTAPES);
+
+   /* The merge order is one less than the number of tapes */
+   return maxTapes - 1;
+}
 
 /*
  * inittapes - initialize for tape sorting.
@@ -1050,16 +1102,64 @@ tuplesort_getdatum(Tuplesortstate *state, bool forward,
 static void
 inittapes(Tuplesortstate *state)
 {
-   int         ntuples,
+   int         maxTapes,
+               ntuples,
                j;
 
+   /*
+    * Determine the number of tapes to use based on allowed memory.
+    *
+    * We need T+1 tapes to do a T-way merge, and we want MERGE_BUFFER_SIZE
+    * tuple workspace for each input tape of the merge.  The output tape
+    * doesn't account for tuple workspace but it does need tape buffer space.
+    *
+    * Keep this code in sync with tuplesort_merge_order!
+    */
+   maxTapes = (int) ((state->allowedMem - TAPE_BUFFER_OVERHEAD) /
+                     (MERGE_BUFFER_SIZE + TAPE_BUFFER_OVERHEAD)) + 1;
+
+   /*
+    * We will use at least MINTAPES regardless, but otherwise we decrease
+    * availMem to reflect the space that goes into buffers.
+    */
+   if (maxTapes >= MINTAPES)
+   {
+       /* maxTapes is OK, adjust availMem */
+       USEMEM(state, maxTapes * TAPE_BUFFER_OVERHEAD);
+   }
+   else
+   {
+       /*
+        * Force minimum tape count.  In this path we ignore the tape buffers
+        * in our space calculation, to avoid driving availMem permanently
+        * negative if allowedMem is really tiny.  (This matches the pre-8.2
+        * behavior which was to ignore the tape buffers always, on the
+        * grounds that they were fixed-size overhead.)
+        */
+       maxTapes = MINTAPES;
+   }
+   state->maxTapes = maxTapes;
+   state->tapeRange = maxTapes - 1;
+
 #ifdef TRACE_SORT
    if (trace_sort)
-       elog(LOG, "switching to external sort: %s",
-            pg_rusage_show(&state->ru_start));
+       elog(LOG, "switching to external sort with %d tapes: %s",
+            maxTapes, pg_rusage_show(&state->ru_start));
 #endif
 
-   state->tapeset = LogicalTapeSetCreate(MAXTAPES);
+   /*
+    * Create the tape set and allocate the per-tape data arrays.
+    */
+   state->tapeset = LogicalTapeSetCreate(maxTapes);
+
+   state->mergeactive = (bool *) palloc0(maxTapes * sizeof(bool));
+   state->mergenext = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
+   state->mergelast = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
+   state->mergeavailmem = (long *) palloc0(maxTapes * sizeof(long));
+   state->tp_fib = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
+   state->tp_runs = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
+   state->tp_dummy = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
+   state->tp_tapenum = (int *) palloc0(maxTapes * sizeof(int));
 
    /*
     * Allocate the memtupindex array, same size as memtuples.
@@ -1087,15 +1187,15 @@ inittapes(Tuplesortstate *state)
    /*
     * Initialize variables of Algorithm D (step D1).
     */
-   for (j = 0; j < MAXTAPES; j++)
+   for (j = 0; j < maxTapes; j++)
    {
        state->tp_fib[j] = 1;
        state->tp_runs[j] = 0;
        state->tp_dummy[j] = 1;
        state->tp_tapenum[j] = j;
    }
-   state->tp_fib[TAPERANGE] = 0;
-   state->tp_dummy[TAPERANGE] = 0;
+   state->tp_fib[state->tapeRange] = 0;
+   state->tp_dummy[state->tapeRange] = 0;
 
    state->Level = 1;
    state->destTape = 0;
@@ -1130,7 +1230,7 @@ selectnewtape(Tuplesortstate *state)
    /* Step D4: increase level */
    state->Level++;
    a = state->tp_fib[0];
-   for (j = 0; j < TAPERANGE; j++)
+   for (j = 0; j < state->tapeRange; j++)
    {
        state->tp_dummy[j] = a + state->tp_fib[j + 1] - state->tp_fib[j];
        state->tp_fib[j] = a + state->tp_fib[j + 1];
@@ -1170,18 +1270,19 @@ mergeruns(Tuplesortstate *state)
    }
 
    /* End of step D2: rewind all output tapes to prepare for merging */
-   for (tapenum = 0; tapenum < TAPERANGE; tapenum++)
+   for (tapenum = 0; tapenum < state->tapeRange; tapenum++)
        LogicalTapeRewind(state->tapeset, tapenum, false);
 
    for (;;)
    {
        /* Step D5: merge runs onto tape[T] until tape[P] is empty */
-       while (state->tp_runs[TAPERANGE - 1] || state->tp_dummy[TAPERANGE - 1])
+       while (state->tp_runs[state->tapeRange - 1] ||
+              state->tp_dummy[state->tapeRange - 1])
        {
            bool        allDummy = true;
            bool        allOneRun = true;
 
-           for (tapenum = 0; tapenum < TAPERANGE; tapenum++)
+           for (tapenum = 0; tapenum < state->tapeRange; tapenum++)
            {
                if (state->tp_dummy[tapenum] == 0)
                    allDummy = false;
@@ -1203,8 +1304,8 @@ mergeruns(Tuplesortstate *state)
            }
            if (allDummy)
            {
-               state->tp_dummy[TAPERANGE]++;
-               for (tapenum = 0; tapenum < TAPERANGE; tapenum++)
+               state->tp_dummy[state->tapeRange]++;
+               for (tapenum = 0; tapenum < state->tapeRange; tapenum++)
                    state->tp_dummy[tapenum]--;
            }
            else
@@ -1214,20 +1315,20 @@ mergeruns(Tuplesortstate *state)
        if (--state->Level == 0)
            break;
        /* rewind output tape T to use as new input */
-       LogicalTapeRewind(state->tapeset, state->tp_tapenum[TAPERANGE],
+       LogicalTapeRewind(state->tapeset, state->tp_tapenum[state->tapeRange],
                          false);
        /* rewind used-up input tape P, and prepare it for write pass */
-       LogicalTapeRewind(state->tapeset, state->tp_tapenum[TAPERANGE - 1],
+       LogicalTapeRewind(state->tapeset, state->tp_tapenum[state->tapeRange - 1],
                          true);
-       state->tp_runs[TAPERANGE - 1] = 0;
+       state->tp_runs[state->tapeRange - 1] = 0;
 
        /*
         * reassign tape units per step D6; note we no longer care about A[]
         */
-       svTape = state->tp_tapenum[TAPERANGE];
-       svDummy = state->tp_dummy[TAPERANGE];
-       svRuns = state->tp_runs[TAPERANGE];
-       for (tapenum = TAPERANGE; tapenum > 0; tapenum--)
+       svTape = state->tp_tapenum[state->tapeRange];
+       svDummy = state->tp_dummy[state->tapeRange];
+       svRuns = state->tp_runs[state->tapeRange];
+       for (tapenum = state->tapeRange; tapenum > 0; tapenum--)
        {
            state->tp_tapenum[tapenum] = state->tp_tapenum[tapenum - 1];
            state->tp_dummy[tapenum] = state->tp_dummy[tapenum - 1];
@@ -1246,7 +1347,7 @@ mergeruns(Tuplesortstate *state)
     * output tape while rewinding it.  The last iteration of step D6 would be
     * a waste of cycles anyway...
     */
-   state->result_tape = state->tp_tapenum[TAPERANGE];
+   state->result_tape = state->tp_tapenum[state->tapeRange];
    LogicalTapeFreeze(state->tapeset, state->result_tape);
    state->status = TSS_SORTEDONTAPE;
 }
@@ -1260,7 +1361,7 @@ mergeruns(Tuplesortstate *state)
 static void
 mergeonerun(Tuplesortstate *state)
 {
-   int         destTape = state->tp_tapenum[TAPERANGE];
+   int         destTape = state->tp_tapenum[state->tapeRange];
    int         srcTape;
    int         tupIndex;
    void       *tup;
@@ -1313,7 +1414,7 @@ mergeonerun(Tuplesortstate *state)
     * output tape, and increment its count of real runs.
     */
    markrunend(state, destTape);
-   state->tp_runs[TAPERANGE]++;
+   state->tp_runs[state->tapeRange]++;
 
 #ifdef TRACE_SORT
    if (trace_sort)
@@ -1341,16 +1442,16 @@ beginmerge(Tuplesortstate *state)
    Assert(state->memtupcount == 0);
 
    /* Clear merge-pass state variables */
-   memset(state->mergeactive, 0, sizeof(state->mergeactive));
-   memset(state->mergenext, 0, sizeof(state->mergenext));
-   memset(state->mergelast, 0, sizeof(state->mergelast));
-   memset(state->mergeavailmem, 0, sizeof(state->mergeavailmem));
+   memset(state->mergeactive, 0, state->maxTapes * sizeof(*state->mergeactive));
+   memset(state->mergenext, 0, state->maxTapes * sizeof(*state->mergenext));
+   memset(state->mergelast, 0, state->maxTapes * sizeof(*state->mergelast));
+   memset(state->mergeavailmem, 0, state->maxTapes * sizeof(*state->mergeavailmem));
    state->mergefreelist = 0;   /* nothing in the freelist */
-   state->mergefirstfree = MAXTAPES;   /* first slot available for preread */
+   state->mergefirstfree = state->maxTapes;  /* 1st slot avail for preread */
 
    /* Adjust run counts and mark the active tapes */
    activeTapes = 0;
-   for (tapenum = 0; tapenum < TAPERANGE; tapenum++)
+   for (tapenum = 0; tapenum < state->tapeRange; tapenum++)
    {
        if (state->tp_dummy[tapenum] > 0)
            state->tp_dummy[tapenum]--;
@@ -1370,7 +1471,7 @@ beginmerge(Tuplesortstate *state)
     */
    Assert(activeTapes > 0);
    state->spacePerTape = state->availMem / activeTapes;
-   for (srcTape = 0; srcTape < MAXTAPES; srcTape++)
+   for (srcTape = 0; srcTape < state->maxTapes; srcTape++)
    {
        if (state->mergeactive[srcTape])
            state->mergeavailmem[srcTape] = state->spacePerTape;
@@ -1383,7 +1484,7 @@ beginmerge(Tuplesortstate *state)
    mergepreread(state);
 
    /* Load the merge heap with the first tuple from each input tape */
-   for (srcTape = 0; srcTape < MAXTAPES; srcTape++)
+   for (srcTape = 0; srcTape < state->maxTapes; srcTape++)
    {
        int         tupIndex = state->mergenext[srcTape];
        void       *tup;
@@ -1420,7 +1521,7 @@ mergepreread(Tuplesortstate *state)
    long        priorAvail,
                spaceUsed;
 
-   for (srcTape = 0; srcTape < MAXTAPES; srcTape++)
+   for (srcTape = 0; srcTape < state->maxTapes; srcTape++)
    {
        if (!state->mergeactive[srcTape])
            continue;
@@ -1534,9 +1635,9 @@ dumptuples(Tuplesortstate *state, bool alltuples)
 
 #ifdef TRACE_SORT
            if (trace_sort)
-               elog(LOG, "finished writing%s run %d: %s",
+               elog(LOG, "finished writing%s run %d to tape %d: %s",
                     (state->memtupcount == 0) ? " final" : "",
-                    state->currentRun,
+                    state->currentRun, state->destTape,
                     pg_rusage_show(&state->ru_start));
 #endif
 
index 3947077e1270d7eb07523324c7971b999a794d5a..2aaa7d9c4feef8ff5b3904ed53bedad6e86575cd 100644 (file)
@@ -13,7 +13,7 @@
  * Portions Copyright (c) 1996-2005, PostgreSQL Global Development Group
  * Portions Copyright (c) 1994, Regents of the University of California
  *
- * $PostgreSQL: pgsql/src/include/utils/tuplesort.h,v 1.17 2004/12/31 22:03:46 pgsql Exp $
+ * $PostgreSQL: pgsql/src/include/utils/tuplesort.h,v 1.18 2006/02/19 05:54:06 tgl Exp $
  *
  *-------------------------------------------------------------------------
  */
@@ -67,6 +67,8 @@ extern bool tuplesort_getdatum(Tuplesortstate *state, bool forward,
 
 extern void tuplesort_end(Tuplesortstate *state);
 
+extern int tuplesort_merge_order(long allowedMem);
+
 /*
  * These routines may only be called if randomAccess was specified 'true'.
  * Likewise, backwards scan in gettuple/getdatum is only allowed if