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@madilloar(madi lloar)

offsetでページネーションは遅い。これからはシーク法だ！

Last updated at Posted at 2020-06-07

動機

ページネーションは​​ページングと呼ぶこともありますが、
ページネーションでググるとoffsetを使った例(便宜上オフセット法と呼びます)がよくでてきます。

でも、これ遅いです。どれだけ遅いかはデータベース毎に調べたたのでこちらを参照(で、オフセット法に比べてシーク法のページネーションはどれだけ早いの？RDB毎に。)。

で、これを解決する方法にシーク法(後述)がありまして、かなり高速なのでお薦めです。

が、シーク法のsqlはちょっと複雑なので(特にorder by句に3項目以上の項目があり、
且つascやdescが組み合わさった場合)、後で見返すために覚書として。

シーク法の参考URL

Faster SQL Pagination with Keysets, Continued Posted on November 18, 2013

USE THE INDEX,LUKE! 次ページの取得

ページネーションとは

レコードを要件に従ってソートし、要件で指定された件数で分割し、画面に表示したり、印刷したりすることです。
ページネーションやページングでググるとoffsetの実装例や、高速にするためにoffsetを使わない実装例がヒットします。
offsetを使う方法を便宜上オフセット法と呼ぶことにします。
もう一つのoffsetを使わない方法を便宜上シーク法と呼ぶことにします。

オフセット法の特徴:

  1. 必要なページにたどり着くまでに、最初からそこまでの全ての行を数える必要があるため、後のページになればなるほど応答が悪くなります。
  2. 順序付けはクエリが呼び出される度にやり直されるため、新しいデータが挿入されるとページがズレます(シーク法はズレません)。
  3. シーク法と比べてわかりやすいsql。

シーク法の特徴:

  1. 前ページの最終行をキーにして、次ページの問い合わせを行います。そのため、後のページ行っても応答は悪くなりません。色々面倒な点はありますが、オフセット法より高速なので捨てがたいです。
  2. 任意のページを表示するのが面倒。ページ境界のキーを調べてからでないとページジャンプできないです(オフセット法はoffsetの行を指定すればよいので単純)。
  3. 前ページの最終行をキーにして次ページを決めるため、sqlが複雑になります(order by のascとdescを意識したwhere句を組み立てる必要があるため)。
  4. 表示順序を動的に変えるのが難しいです。order byのascとdescを意識したwhere句を組み立てる必要があるためです。
  5. order by句にはユニークキー(もしくはプライマリキー)を含める必要があります。これは後述するページ境界を判定するためにレコードがユニークになっている必要があるためです。

以下に、次のようなシナリオのもとで、オフセット法とシーク法のsqlの見た目の違いと、ページがズレる挙動を記します。
最後にシーク法に従ったsqlの考え方を記します。

前提、要件

  1. 注文明細テーブルを画面に表示。
  2. 10件ごとに改ページ。
  3. 画面のソート順は、注文日付の降順(新着順)、製品IDの昇順、注文明細番号PKの昇順。
  4. MySQLを利用して試します。

シナリオ

  1. 利用者Aはシステムに対して、注文一覧画面の初期表示を指示します。
  2. システムは、 最初の10件を取得するsqlによる問い合わせを行い、画面初期表示をします。
  3. 利用者Bはシステムに対して、注文10件の登録を指示します。
  4. システムは、注文10件を登録します。
  5. 利用者Aは、次の10件の表示を指示します。
  6. システムは、オフセット法 or シーク法 sqlによる問い合わせを行い、次の10件の画面表示をします。
    (オフセット法だと、ページのズレが生じ、シーク法ではズレは生じませんがsqlの複雑さが増しています)

データの初期状態

次の黒三角をクリックするとテーブルイメージが表示されます。

注文明細テーブルの初期状態
order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
64 1 918 2427.928 BACLSLKBRT 2019-05-10
66 1 625 8224.982 KPBNTPQD2E 2019-05-10
58 4 473 369.075 IEQZLEWNOC 2019-05-08
4 2 406 4572.851 6AMV10X7I5 2019-05-02
97 3 669 8618.407 ESWY8F9XH8 2019-05-02
65 3 581 1406.956 FZERLSHOXO 2019-04-29
88 4 413 6083.994 N9TB8F5BKB 2019-04-29
79 5 261 1272.129 4SPMKMQFID 2019-04-27
18 1 605 4918.893 HWS18G3A87 2019-04-23
53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 <- 1ページ目最終行
20 4 775 4036.631 ZR09YLOVNN 2019-04-20 <- 2ページ目先頭行
1 5 51 2296.772 BOHCRR0ABL 2019-04-16
87 1 584 9607.475 HAM7M68VAA 2019-04-14
36 2 610 6904.623 8FRX3J4OY3 2019-04-12
56 4 236 1647.53 OUGZ7YF9PE 2019-04-12
57 5 754 8712.255 6ZZ5T7ZN5E 2019-04-11
35 2 214 920.519 V3QJO0J1TA 2019-03-27
92 5 249 7932.025 SXHQ5EU4TS 2019-03-26
62 5 338 324.37 R9LAFDPISG 2019-03-23
3 1 50 2182.719 V1IFR3D0TO 2019-03-21 <- 2ページ目最終行

オフセット法

  1. 利用者Aはシステムに対して、注文一覧画面の初期表示を指示します。

  2. システムは、 最初の10件を取得するsqlによる問い合わせを行い、画面初期表示をします。

最初の10件
select
 *
from
 t_order_item
order by
 t_order_item.order_date desc,
 t_order_item.product_id,
 t_order_item.order_item_id
limit 10
;

次のように画面表示。

order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
64 1 918 2427.928 BACLSLKBRT 2019-05-10
66 1 625 8224.982 KPBNTPQD2E 2019-05-10
58 4 473 369.075 IEQZLEWNOC 2019-05-08
4 2 406 4572.851 6AMV10X7I5 2019-05-02
97 3 669 8618.407 ESWY8F9XH8 2019-05-02
65 3 581 1406.956 FZERLSHOXO 2019-04-29
88 4 413 6083.994 N9TB8F5BKB 2019-04-29
79 5 261 1272.129 4SPMKMQFID 2019-04-27
18 1 605 4918.893 HWS18G3A87 2019-04-23
53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 <- 1ページ目最終行
  1. 利用者Bはシステムに対して、注文10件の登録を指示します。
  2. システムは、注文10件を登録します。
insert into t_order_item values( 37,3,257,5405.614,'SOP3FTE8YS','2019-05-28');
insert into t_order_item values( 25,3,121,7172.409,'DQJG9RQ47F','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 31,4,489,5541.722,'BGDVAYSV3D','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 95,4,407,6780.502,'SLJB751N7K','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 27,1,804,1130.459,'5VYG7979A6','2019-05-25');
insert into t_order_item values( 69,5,623,3133.797,'XJFIE5WICC','2019-05-25');
insert into t_order_item values( 61,2,416,8150.302,'9SJRRSY8FY','2019-05-23');
insert into t_order_item values( 63,3,625,7854.713,'D96UN661BI','2019-05-19');
insert into t_order_item values( 89,1,598,8097.351,'2G5FKLWMOS','2019-05-14');
insert into t_order_item values( 48,3,140,6981.951,'4OGETATNL6','2019-05-14');
  1. 利用者Aは、次の10件の表示を指示します。
  2. システムは、オフセット法 sqlによる問い合わせを行い、
オフセット法で次の10件
select
 *
from
 t_order_item
order by
 t_order_item.order_date desc,
 t_order_item.product_id,
 t_order_item.order_item_id
limit 10 offset 10
;

次の10件の画面表示をします。

何と、初期表示と同じ結果になってしまいました。
利用者からすると何が起きたのかわからないです。
次の10件を表示する指示をし忘れたのか？と思ってしまいます。

order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
64 1 918 2427.928 BACLSLKBRT 2019-05-10
66 1 625 8224.982 KPBNTPQD2E 2019-05-10
58 4 473 369.075 IEQZLEWNOC 2019-05-08
4 2 406 4572.851 6AMV10X7I5 2019-05-02
97 3 669 8618.407 ESWY8F9XH8 2019-05-02
65 3 581 1406.956 FZERLSHOXO 2019-04-29
88 4 413 6083.994 N9TB8F5BKB 2019-04-29
79 5 261 1272.129 4SPMKMQFID 2019-04-27
18 1 605 4918.893 HWS18G3A87 2019-04-23
53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 <- 1ページ目最終行

これは、order byで指定された順序付けはselectされるたびにやり直されるためです。
新しいデータが挿入されるとページがずれます。
この例では、ちょうど10件追加されたため、初期表示と全く同じデータが表示されました。

シーク法

  1. 利用者Aはシステムに対して、注文一覧画面の初期表示を指示します。

  2. システムは、 最初の10件を取得するsqlによる問い合わせを行い、画面初期表示をします。

最初の10件
select
 *
from
 t_order_item
order by
 t_order_item.order_date desc,
 t_order_item.product_id,
 t_order_item.order_item_id
limit 10
;

次のように画面表示。

order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
64 1 918 2427.928 BACLSLKBRT 2019-05-10
66 1 625 8224.982 KPBNTPQD2E 2019-05-10
58 4 473 369.075 IEQZLEWNOC 2019-05-08
4 2 406 4572.851 6AMV10X7I5 2019-05-02
97 3 669 8618.407 ESWY8F9XH8 2019-05-02
65 3 581 1406.956 FZERLSHOXO 2019-04-29
88 4 413 6083.994 N9TB8F5BKB 2019-04-29
79 5 261 1272.129 4SPMKMQFID 2019-04-27
18 1 605 4918.893 HWS18G3A87 2019-04-23
53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 <- 1ページ目最終行
  1. 利用者Bはシステムに対して、注文10件の登録を指示します。
  2. システムは、注文10件を登録します。
insert into t_order_item values( 37,3,257,5405.614,'SOP3FTE8YS','2019-05-28');
insert into t_order_item values( 25,3,121,7172.409,'DQJG9RQ47F','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 31,4,489,5541.722,'BGDVAYSV3D','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 95,4,407,6780.502,'SLJB751N7K','2019-05-27');
insert into t_order_item values( 27,1,804,1130.459,'5VYG7979A6','2019-05-25');
insert into t_order_item values( 69,5,623,3133.797,'XJFIE5WICC','2019-05-25');
insert into t_order_item values( 61,2,416,8150.302,'9SJRRSY8FY','2019-05-23');
insert into t_order_item values( 63,3,625,7854.713,'D96UN661BI','2019-05-19');
insert into t_order_item values( 89,1,598,8097.351,'2G5FKLWMOS','2019-05-14');
insert into t_order_item values( 48,3,140,6981.951,'4OGETATNL6','2019-05-14');
  1. 利用者Aは、次の10件の表示を指示します。
  2. システムは、シーク法 sqlによる問い合わせを行います。

シーク法 は、前ページの最終行をキーにします。この例では次がキーになります。

order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 <- 1ページ目最終行
シーク法で次の10件
select
 *
from
 t_order_item
where
-- 前ページのorder_dateより小さい日付(descなので)なら残す。
( date('2019-04-23') > order_date )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも大きい(ascなので)なら残す。
( date('2019-04-23') = order_date and 5 < product_id )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも同じなら、前ページのorder_item_idより大きい(ascなので)なら残す。
( date('2019-04-23') = order_date and 5 = product_id and 53 < order_item_id)
order by
 order_date desc,
 product_id,
 order_item_id
limit 10
;

次の10件の画面表示をします。
意図した通り、2ページ目の10行が表示されました。

order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date ページ境界
20 4 775 4036.631 ZR09YLOVNN 2019-04-20
1 5 51 2296.772 BOHCRR0ABL 2019-04-16
87 1 584 9607.475 HAM7M68VAA 2019-04-14
36 2 610 6904.623 8FRX3J4OY3 2019-04-12
56 4 236 1647.53 OUGZ7YF9PE 2019-04-12
57 5 754 8712.255 6ZZ5T7ZN5E 2019-04-11
35 2 214 920.519 V3QJO0J1TA 2019-03-27
92 5 249 7932.025 SXHQ5EU4TS 2019-03-26
62 5 338 324.37 R9LAFDPISG 2019-03-23
3 1 50 2182.719 V1IFR3D0TO 2019-03-21 <- 2ページ目最終行

シーク法の考え方

order by句に並べたカラムを数字の位取りのつもりで考えます。

例えば、order by句に並べたカラムが3つとしたら、3桁の数字と考え、100の位、10の位、1の位と考えます。
次に上位の桁、この例なら100の位からwhere句を組み立てていきます。
この時ascとdescを意識しながら、”<” か ”>” を決めていきます。
(前ページキー [ ”<” か ”>” ] item)の”<” か ”>” の向きはどちらにすべきかは、次のように考えます。
ascの場合:次のページとして抽出したい値は、前のページ < 次ページとなるようにする。
descの場合:次のページとして抽出したい値は、前のページ > 次ページとなるようにする。

order by句の項目数 where句の組み立て方
1つだけの場合 (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item1)
2つだけの場合 (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item1)
or (前ページキー [ ”=” ] item1) and (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item2)
3つだけの場合 (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item1)
or (前ページキー [ ”=” ] item1) and (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item2)
or (前ページキー [ ”=” ] item1) and (前ページキー [ ”=” ] item2) and (前ページキー [ ”<” か ”>” ] item3)

要件では、「画面のソート順は、注文日付の降順(新着順)、製品IDの昇順、注文明細番号PKの昇順」となっていますので、

これに従って、where句を組み立てると次のようになります。

where
-- 前ページのorder_dateより小さい日付(descなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') > order_date )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも大きい(ascなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') = order_date and '前ページ末尾のproduct_id' < product_id )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも同じなら、前ページのorder_item_idより大きい(ascなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') = order_date and '前ページ末尾のproduct_id' = product_id and '前ページ末尾のorder_item_id' < order_item_id )
order by
 order_date desc,
 product_id,
 order_item_id

ちなみに、注文日付を昇順にした場合は、次のようになります。

where
-- 前ページのorder_dateより大きい日付(ascなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') < order_date )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも大きい(ascなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') = order_date and '前ページ末尾のproduct_id' < product_id )
or
-- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも同じなら、前ページのorder_item_idより大きい(ascなので)なら残す。
( date('前ページ末尾のorder_date') = order_date and '前ページ末尾のproduct_id' = product_id and '前ページ末尾のorder_item_id' < order_item_id)
order by
 order_date,
 product_id,
 order_item_id

おまけ：シーク法の為の全ページ境界を調べるsql

このsqlは、各ページの最終行のキーを調べるsqlです。
Googleとかで検索したときに下段に表示される、

<1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 次へ>

これをやるために、各ページの最終行を求めるsqlです。

全ページ境界を調べるsql
select
 x.*,
 row_number() over(
   order by
     order_date desc, product_id, order_item_id
 ) + 1 page_number
from
 ( select
     case (row_number() over(
       order by
         order_date desc, product_id, order_item_id
     ) % 10)  -- 10行でページング
       when 0
       then 1
       else 0
     end page_boundary,
     t.*
   from
    t_order_item t
   order by
     order_date desc,
     product_id,
     order_item_id
 ) x
where
 x.page_boundary = 1
;
page_boundary order_item_id product_id order_qty unit_prc shipping_address_desc order_date page_number
1 48 3 140 6981.951 4OGETATNL6 2019-05-14 2
1 53 5 544 4189.116 1S0NGUAE56 2019-04-23 3
1 3 1 50 2182.719 V1IFR3D0TO 2019-03-21 4

おまけ２

100万件にデータを増やし、order by句 に使っている項目でindexを作り、オフセット法と
シーク法で最後のページを検索するsqlの実行計画を比較してみます。
下記の通り、オフセット法はtype=ALLのフルスキャンです。シーク法はtype=rangeのインデックスを使った範囲検索です。

index作成
create index idx1_t_order_item on t_order_item (order_date, product_id, order_item_id);
オフセット法(index有り)
  explain
  select
    *
  from
    t_order_item
  order by
    t_order_item.order_date desc,
    t_order_item.product_id,
    t_order_item.order_item_id
    limit 10 offset 999990
  ;
オフセット法(index有り)
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
| id | select_type | table        | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows   | filtered | Extra          |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
|  1 | SIMPLE      | t_order_item | NULL       | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL | 856180 |   100.00 | Using filesort |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
シーク法(index有り)
  explain
  select
    *
  from
    t_order_item
  where
    -- 前ページのorder_dateより小さい日付(descなので)なら残す。
    ( cast('2019-01-01' as date) > order_date )
    or
    -- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも大きい(ascなので)なら残す。
    ( cast('2019-01-01' as date) = order_date and 5 < product_id )
    or
    -- 前ページのorder_dateと同じ日付で、前ページのproduct_idも同じなら、前ページのorder_item_idより大きい(ascなので)なら残す。
    ( cast('2019-01-01' as date) = order_date and 5 = product_id and 990154 < order_item_id )
  order by
    order_date desc,
    product_id,
    order_item_id
  ;
シーク法(index有り)
+----+-------------+--------------+------------+-------+---------------------------+-------------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table        | partitions | type  | possible_keys             | key               | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
+----+-------------+--------------+------------+-------+---------------------------+-------------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t_order_item | NULL       | range | PRIMARY,idx1_t_order_item | idx1_t_order_item | 13      | NULL |   12 |   100.00 | Using index condition; Using filesort |
+----+-------------+--------------+------------+-------+---------------------------+-------------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+

おまけ３

indexを削除し、オフセット法とシーク法で実行計画を比較してみます。
下記の通り、オフセット法はtype=ALLのフルスキャンです。シーク法はtype=ALLのフルスキャンなのですが、where句で主キーを使っているので状況が良いです。

index削除
drop index idx1_t_order_item on t_order_item;
オフセット法(index無し)
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+----------------+
| id | select_type | table        | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows    | filtered | Extra          |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+----------------+
|  1 | SIMPLE      | t_order_item | NULL       | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL | 1002885 |   100.00 | Using filesort |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+----------------+
シーク法(index無し)
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+-----------------------------+
| id | select_type | table        | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows    | filtered | Extra                       |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+-----------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t_order_item | NULL       | ALL  | PRIMARY       | NULL | NULL    | NULL | 1002885 |    35.77 | Using where; Using filesort |
+----+-------------+--------------+------------+------+---------------+------+---------+------+---------+----------+-----------------------------+
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