Improve tuplesort.c to support variable merge order. The original coding
authorTom Lane <tgl@sss.pgh.pa.us>
Sun, 19 Feb 2006 05:54:06 +0000 (05:54 +0000)
committerTom Lane <tgl@sss.pgh.pa.us>
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