Некоторые аспекты оптимизации LINQ-запросов в C#.NET для MS SQL Server

LINQ вошел в .NET как новый мощный язык манипуляции с данными. LINQ to SQL как часть его позволяет достаточно удобно общаться с СУБД с помощью например Entity Framework. Однако, достаточно часто применяя его, разработчики забывают смотреть на то, какой именно SQL-запрос будет генерировать queryable provider, в вашем случае — Entity Framework.

Разберем два основных момента на примере.
Для этого в SQL Server создадим базу данных Test, а в ней создадим две таблицы с помощью следующего запроса:

Создание таблиц

USE [TEST]
GO

SET ANSI_NULLS ON
GO

SET QUOTED_IDENTIFIER ON
GO

CREATE TABLE [dbo].[Ref](
	[ID] [int] NOT NULL,
	[ID2] [int] NOT NULL,
	[Name] [nvarchar](255) NOT NULL,
	[InsertUTCDate] [datetime] NOT NULL,
 CONSTRAINT [PK_Ref] PRIMARY KEY CLUSTERED 
(
	[ID] ASC
)WITH (PAD_INDEX = OFF, STATISTICS_NORECOMPUTE = OFF, IGNORE_DUP_KEY = OFF, ALLOW_ROW_LOCKS = ON, ALLOW_PAGE_LOCKS = ON) ON [PRIMARY]
) ON [PRIMARY]
GO

ALTER TABLE [dbo].[Ref] ADD  CONSTRAINT [DF_Ref_InsertUTCDate]  DEFAULT (getutcdate()) FOR [InsertUTCDate]
GO

USE [TEST]
GO

SET ANSI_NULLS ON
GO

SET QUOTED_IDENTIFIER ON
GO

CREATE TABLE [dbo].[Customer](
	[ID] [int] NOT NULL,
	[Name] [nvarchar](255) NOT NULL,
	[Ref_ID] [int] NOT NULL,
	[InsertUTCDate] [datetime] NOT NULL,
	[Ref_ID2] [int] NOT NULL,
 CONSTRAINT [PK_Customer] PRIMARY KEY CLUSTERED 
(
	[ID] ASC
)WITH (PAD_INDEX = OFF, STATISTICS_NORECOMPUTE = OFF, IGNORE_DUP_KEY = OFF, ALLOW_ROW_LOCKS = ON, ALLOW_PAGE_LOCKS = ON) ON [PRIMARY]
) ON [PRIMARY]
GO

ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD  CONSTRAINT [DF_Customer_Ref_ID]  DEFAULT ((0)) FOR [Ref_ID]
GO

ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD  CONSTRAINT [DF_Customer_InsertUTCDate]  DEFAULT (getutcdate()) FOR [InsertUTCDate]
GO

Теперь заполним таблицу Ref с помощью запуска следующего скрипта:

Заполнение таблицы Ref

USE [TEST]
GO

DECLARE @ind INT=1;

WHILE(@ind<1200000)
BEGIN
	INSERT INTO [dbo].[Ref]
           ([ID]
           ,[ID2]
           ,[Name])
    SELECT
           @ind
           ,@ind
           ,CAST(@ind AS NVARCHAR(255));

	SET @ind=@ind+1;
END 
GO

Аналогично заполним таблицу Customer с помощью следующего скрипта:

Заполнение таблицы Customer

USE [TEST]
GO

DECLARE @ind INT=1;
DECLARE @ind_ref INT=1;

WHILE(@ind<=12000000)
BEGIN
	IF(@ind%3=0) SET @ind_ref=1;
	ELSE IF (@ind%5=0) SET @ind_ref=2;
	ELSE IF (@ind%7=0) SET @ind_ref=3;
	ELSE IF (@ind%11=0) SET @ind_ref=4;
	ELSE IF (@ind%13=0) SET @ind_ref=5;
	ELSE IF (@ind%17=0) SET @ind_ref=6;
	ELSE IF (@ind%19=0) SET @ind_ref=7;
	ELSE IF (@ind%23=0) SET @ind_ref=8;
	ELSE IF (@ind%29=0) SET @ind_ref=9;
	ELSE IF (@ind%31=0) SET @ind_ref=10;
	ELSE IF (@ind%37=0) SET @ind_ref=11;
	ELSE SET @ind_ref=@ind%1190000;
	
	INSERT INTO [dbo].[Customer]
	           ([ID]
	           ,[Name]
	           ,[Ref_ID]
	           ,[Ref_ID2])
	     SELECT
	           @ind,
	           CAST(@ind AS NVARCHAR(255)),
	           @ind_ref,
	           @ind_ref;


	SET @ind=@ind+1;
END
GO

Таким образом мы получили две таблицы, в одной из которых более 1 млн строк данных, а в другой-более 10 млн строк данных.

Теперь в Visual Studio необходимо создать тестовый проект Visual C# Console App (.NET Framework):

Далее, необходимо для взаимодействия с базой данных добавить библиотеку для Entity Framework.
Чтобы ее добавить, нажмем на проект правой кнопкой мыши и выберем в контекстном меню Manage NuGet Packages:

Затем в появившемся окне управления NuGet-пакетами в окне поиска введем слово «Entity Framework» и выберем пакет Entity Framework и установим его:

Далее в файле App.config после закрытия элемента configSections необходимо добавить следующий блок:

<connectionStrings>
    <add name="DBConnection" connectionString="data source=ИМЯ_ЭКЗЕМПЛЯРА_MSSQL;Initial Catalog=TEST;Integrated Security=True;" providerName="System.Data.SqlClient" />
</connectionStrings>

В connectionString нужно вписать строку подключения.

Теперь создадим в отдельных файлах 3 интерфейса:

1. Реализация интерфейса IBaseEntityID

   namespace TestLINQ
   {
       public interface IBaseEntityID
       {
           int ID { get; set; }
       }
   }
   

2. Реализация интерфейса IBaseEntityName

   namespace TestLINQ
   {
       public interface IBaseEntityName
       {
           string Name { get; set; }
       }
   }
   

3. Реализация интерфейса IBaseNameInsertUTCDate

   namespace TestLINQ
   {
       public interface IBaseNameInsertUTCDate
       {
           DateTime InsertUTCDate { get; set; }
       }
   }
   

И в отдельном файле создадим базовый класс BaseEntity для наших двух сущностей, в который войдут общие поля:

Реализация базового класса BaseEntity

namespace TestLINQ
{
    public class BaseEntity : IBaseEntityID, IBaseEntityName, IBaseNameInsertUTCDate
    {
        public int ID { get; set; }
        public string Name { get; set; }
        public DateTime InsertUTCDate { get; set; }
    }
}

Далее в отдельных файлах создадим наши две сущности:

1. Реализация класса Ref

   using System.ComponentModel.DataAnnotations.Schema;
   
   namespace TestLINQ
   {
       [Table("Ref")]
       public class Ref : BaseEntity
       {
           public int ID2 { get; set; }
       }
   }
   

2. Реализация класса Customer

   using System.ComponentModel.DataAnnotations.Schema;
   
   namespace TestLINQ
   {
       [Table("Customer")]
       public class Customer: BaseEntity
       {
           public int Ref_ID { get; set; }
           public int Ref_ID2 { get; set; }
       }
   }
   

Теперь создадим в отдельном файле контекст UserContext:

Реализация класса UserContex

using System.Data.Entity;

namespace TestLINQ
{
    public class UserContext : DbContext
    {
        public UserContext()
            : base("DbConnection")
        {
            Database.SetInitializer<UserContext>(null);
        }

        public DbSet<Customer> Customer { get; set; }
        public DbSet<Ref> Ref { get; set; }
    }
}

Получили готовое решение для проведения тестов по оптимизации с LINQ to SQL через EF для MS SQL Server:

Теперь в файл Program.cs введем следующий код:

Файл Program.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

namespace TestLINQ
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            using (UserContext db = new UserContext())
            {
                var dblog = new List<string>();
                db.Database.Log = dblog.Add;

                var query = from e1 in db.Customer
                            from e2 in db.Ref
                            where (e1.Ref_ID == e2.ID)
                                 && (e1.Ref_ID2 == e2.ID2)
                            select new { Data1 = e1.Name, Data2 = e2.Name };

                var result = query.Take(1000).ToList();

                Console.WriteLine(dblog[1]);

                Console.ReadKey();
            }
        }
    }
}

Далее запустим наш проект.

В конце работы на консоль будет выведено:

Сгенерированный SQL-запрос

SELECT TOP (1000) 
    [Extent1].[Ref_ID] AS [Ref_ID], 
    [Extent1].[Name] AS [Name], 
    [Extent2].[Name] AS [Name1]
    FROM  [dbo].[Customer] AS [Extent1]
    INNER JOIN [dbo].[Ref] AS [Extent2] ON ([Extent1].[Ref_ID] = [Extent2].[ID]) AND ([Extent1].[Ref_ID2] = [Extent2].[ID2])

Т. е. в целом весьма неплохо LINQ-запрос сгенерировал SQL-запрос к СУБД MS SQL Server.

Теперь изменим условие И на ИЛИ в LINQ-запросе:

LINQ-запрос

var query = from e1 in db.Customer
                            from e2 in db.Ref
                            where (e1.Ref_ID == e2.ID)
                                || (e1.Ref_ID2 == e2.ID2)
                            select new { Data1 = e1.Name, Data2 = e2.Name };

И вновь запустим наше приложение.

Выполнение вылетит с ошибкой, связанной с превышением времени выполнения команды в 30 сек:

Если посмотреть какой запрос при этом был сгенерирован LINQ:

, то можно убедиться в том, что выборка происходит через декартово произведение двух множеств (таблиц):

Сгенерированный SQL-запрос

SELECT TOP (1000) 
    [Extent1].[Ref_ID] AS [Ref_ID], 
    [Extent1].[Name] AS [Name], 
    [Extent2].[Name] AS [Name1]
    FROM  [dbo].[Customer] AS [Extent1]
    CROSS JOIN [dbo].[Ref] AS [Extent2]
    WHERE [Extent1].[Ref_ID] = [Extent2].[ID] OR [Extent1].[Ref_ID2] = [Extent2].[ID2]

Давайте перепишем LINQ-запрос следующим образом:

Оптимизированный LINQ-запрос

var query = (from e1 in db.Customer
                   join e2 in db.Ref
                   on e1.Ref_ID equals e2.ID
                   select new { Data1 = e1.Name, Data2 = e2.Name }).Union(
                        from e1 in db.Customer
                        join e2 in db.Ref
                        on e1.Ref_ID2 equals e2.ID2
                        select new { Data1 = e1.Name, Data2 = e2.Name });

Тогда получим следующий SQL-запрос:

SQL-запрос

SELECT 
    [Limit1].[C1] AS [C1], 
    [Limit1].[C2] AS [C2], 
    [Limit1].[C3] AS [C3]
    FROM ( SELECT DISTINCT TOP (1000) 
        [UnionAll1].[C1] AS [C1], 
        [UnionAll1].[Name] AS [C2], 
        [UnionAll1].[Name1] AS [C3]
        FROM  (SELECT 
            1 AS [C1], 
            [Extent1].[Name] AS [Name], 
            [Extent2].[Name] AS [Name1]
            FROM  [dbo].[Customer] AS [Extent1]
            INNER JOIN [dbo].[Ref] AS [Extent2] ON [Extent1].[Ref_ID] = [Extent2].[ID]
        UNION ALL
            SELECT 
            1 AS [C1], 
            [Extent3].[Name] AS [Name], 
            [Extent4].[Name] AS [Name1]
            FROM  [dbo].[Customer] AS [Extent3]
            INNER JOIN [dbo].[Ref] AS [Extent4] ON [Extent3].[Ref_ID2] = [Extent4].[ID2]) AS [UnionAll1]
    )  AS [Limit1]

Увы, но в LINQ-запросах условие соединения может быть только одно, потому здесь возможно сделать эквивалентный запрос через два запроса по каждому условию с последующим объединением их через Union для удаления дубликатов среди строк.
Да, запросы в общем случае получатся неэквивалентными с тем учетом, что могут быть возвращены полные дубликаты строк. Однако, в реальной жизни полные дублирующие строки не нужны и от них стараются избавляться.

Теперь сравним планы выполнения двух этих запросов:

1. для CROSS JOIN в среднем время выполнения 195 сек:
   
2. для INNER JOIN-UNION в среднем время выполнения менее 24 сек:
   

Как видно из результатов, для двух таблиц с миллионами записей оптимизированный LINQ-запрос работает в разы быстрее, чем неоптимизированный.

Для варианта с И в условиях LINQ-запрос вида:

LINQ-запрос

var query = from e1 in db.Customer
                            from e2 in db.Ref
                            where (e1.Ref_ID == e2.ID)
                                 && (e1.Ref_ID2 == e2.ID2)
                            select new { Data1 = e1.Name, Data2 = e2.Name };

почти всегда будет сгенерирован правильный SQL-запрос, который будет выполняться в среднем примерно 1 сек:

Также для манипуляций LINQ to Objects вместо запроса вида:

LINQ-запрос (1-й вариант)

var query = from e1 in seq1
                            from e2 in seq2
                            where (e1.Key1==e2.Key1)
                               && (e1.Key2==e2.Key2)
                            select new { Data1 = e1.Data, Data2 = e2.Data };

можно использовать запрос вида:

LINQ-запрос (2-й вариант)

var query = from e1 in seq1
                            join e2 in seq2
                            on new { e1.Key1, e1.Key2 } equals new { e2.Key1, e2.Key2 }
                            select new { Data1 = e1.Data, Data2 = e2.Data };

где:

Определение двух массивов

Para[] seq1 = new[] { new Para { Key1 = 1, Key2 = 2, Data = "777" }, new Para { Key1 = 2, Key2 = 3, Data = "888" }, new Para { Key1 = 3, Key2 = 4, Data = "999" } };
Para[] seq2 = new[] { new Para { Key1 = 1, Key2 = 2, Data = "777" }, new Para { Key1 = 2, Key2 = 3, Data = "888" }, new Para { Key1 = 3, Key2 = 5, Data = "999" } };

, а тип Para определяется следующим образом:

Определение типа Para

class Para
{
        public int Key1, Key2;
        public string Data;
}

Таким образом мы рассмотрели некоторые аспекты в оптимизации LINQ-запросов к MS SQL Server.

К сожалению даже опытные и ведущие .NET-разработчики забывают о том, что необходимо понимать что делают за кадром те инструкции, которые они используют. Иначе они становятся конфигураторами и могут заложить бомбу замедленного действия в будущем как при масштабировании программного решения, так и при незначительных изменениях внешних условий среды.

Также небольшой обзор проводился и здесь.

Исходники для теста-сам проект, создание таблиц в базе данных TEST, а также наполнение данными этих таблиц находится здесь.
Также в этом репозитории в папке Plans находятся планы выполнения запросов с условиями ИЛИ.

Источник: habr.com