MySQL 索引

Posted 2023-02-25 小倪同学 -_-

文章目录

• 索引简介
• 认识磁盘
• • MySQL与存储
  • 磁盘
  • • 磁盘中一个盘片
    • 扇区
    • 定位扇区
    • 结论
    • 磁盘随机访问(Random Access)与连续访问(Sequential Access)
• MySQL 与磁盘交互基本单位
• 建立共识
• 索引的理解
• • 理解多个Page
  • • 单页情况
    • 多页情况
  • B+ vs B
  • 聚簇索引 VS 非聚簇索引
• 索引操作
• • 创建主键索引
  • 唯一索引的创建
  • 普通索引的创建
  • 全文索引的创建
  • 查询索引
  • 删除索引
  • 索引创建原则
  • 其他概念

索引简介

索引：提高数据库的性能，索引是物美价廉的东西了。不用加载内存，不用改程序，不用调sql，只要执行正确的create index ，查询速度就可能提高成百上千倍。但是查询速度的提高是以插入、更新、删除的速度为代价的，这些写操作，增加了大量的IO。所以它的价值，在于提高一个海量数据的检索速度。

常见索引分为：

• 主键索引(primary key)
• 唯一索引(unique)
• 普通索引(index)
• 全文索引(fulltext)–解决中子文索引问题

例：

先整一个海量表，在查询的时候，看看没有索引时有什么问题？

构建一个8000000条记录的数据
构建的海量表数据需要有差异性，所以使用存储过程来创建

-- 产生随机字符串
delimiter $$
create function rand_string(n INT)
returns varchar(255)
begin
	declare chars_str varchar(100) default
		'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFJHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
declare return_str varchar(255) default '';
declare i int default 0;
while i < n do
		set return_str =concat(return_str,substring(chars_str,floor(1+rand()*52),1));
		set i = i + 1;
		end while;
	return return_str;
	end $$
delimiter ;

--产生随机数字
delimiter $$
create function rand_num()
returns int(5)
begin
	declare i int default 0;
	set i = floor(10+rand()*500);
return i;
end $$
delimiter ;

--创建存储过程，向雇员表添加海量数据
delimiter $$
create procedure insert_emp(in start int(10),in max_num int(10))
begin
declare i int default 0;
	set autocommit = 0;
	repeat
		set i = i + 1;
		insert into EMP values ((start+i)
,rand_string(6),'SALESMAN',0001,curdate(),2000,400,rand_num());
		until i = max_num
	end repeat;
	commit;
end $$
delimiter ;

-- 执行存储过程，添加8000000条记录
call insert_emp(100001, 8000000);

可以看到耗时5.32秒，这还是在本机一个人来操作，在实际项目中，如果放在公网中，假如同时有1000个人并发查询，那很可能会死机。

那有没有什么办法可以查询的更快一些呢？

我们可以建立索引

认识磁盘

mysql与存储

MySQL 给用户提供存储服务，而存储的都是数据，数据在磁盘这个外设当中。磁盘是计算机中的一个机械设备，相比于计算机其他电子元件，磁盘效率是比较低的，在加上IO本身的特征，可以知道，如何提交效率，是 MySQL 的一个重要话题。

磁盘

磁盘中一个盘片

扇区

数据库文件，本质其实就是保存在磁盘的盘片当中。也就是上面的一个个小格子中，就是我们经常所说的扇区。当然，数据库文件很大，也很多，一定需要占据多个扇区。

从上图可以看出来，在半径方向上，距离圆心越近，扇区越小，距离圆心越远，扇区越大。那么，所有扇区都是默认512字节吗？目前是的，我们也这样认为。因为保证一个扇区多大，是由比特位密度决定的。不过最新的磁盘技术，已经慢慢的让扇区大小不同了。

我们在使用Linux，所看到的大部分目录或者文件，其实就是保存在硬盘当中的(当然，有一些内存文件系统，如：proc ， sys 之类，我们不考虑)。

数据库文件，本质其实就是保存在磁盘的盘片当中，就是一个一个的文件。

所以，找到一个文件的全部，本质就是在磁盘找到所有保存文件的扇区。
而我们能够定位任何一个扇区，那么便能找到所有扇区，因为查找方式是一样的。

定位扇区

• 柱面(磁道): 多盘磁盘，每盘都是双面，大小完全相等。那么同半径的磁道，整体上便构成了一个柱面
• 每个盘面都有一个磁头，那么磁头和盘面的对应关系便是1对1的
• 磁头（Heads）、柱面(Cylinder)(等价于磁道)、扇区(Sector)对应的编号。即可在磁盘上定位所要访问的扇区。这种磁盘数据定位方式叫做 CHS 。不过实际系统软件使用的并不是 CHS （但是硬件是），而是 LBA ，一种线性地址，可以想象成虚拟地址与物理地址。系统将 LBA 地址最后会转化成为 CHS ，交给磁盘去进行数据读取。

结论

我们现在已经能够在硬件层面定位任何一个基本数据块了(扇区)。那么在系统软件上，就直接按照扇区(512字节，部分4096字节),进行IO交互吗？并不是

• 如果操作系统直接使用硬件提供的数据大小进行交互，那么系统的IO代码，就和硬件强相关，换言之，如果硬件发生变化，系统必须跟着变化
• 从目前来看，单次IO 512字节，还是太小了。IO单位小，意味着读取同样的数据内容，需要进行多次磁盘访问，会带来效率的降低。
• 之前学习文件系统，就是在磁盘的基本结构下建立的，文件系统读取基本单位，就不是扇区，而是数据块。故，系统读取磁盘，是以块为单位的，基本单位是 4KB 。

磁盘随机访问(Random Access)与连续访问(Sequential Access)

随机访问：本次IO所给出的扇区地址和上次IO给出扇区地址不连续，这样的话磁头在两次IO操作之间需要作比较大的移动动作才能重新开始读/写数据。

连续访问：如果当次IO给出的扇区地址与上次IO结束的扇区地址是连续的，那磁头就能很快的开始这次IO操作，这样的多个IO操作称为连续访问。

因此尽管相邻的两次IO操作在同一时刻发出，但如果它们的请求的扇区地址相差很大的话也只能称为随机访问，而非连续访问。

磁盘是通过机械运动进行寻址的，随机访问不需要过多的定位，故效率比较高。

MySQL 与磁盘交互基本单位

而 MySQL 作为一款应用软件，可以想象成一种特殊的文件系统。它有着更高的IO场景，所以，为了提高基本的IO效率， MySQL 进行IO的基本单位是 16KB

磁盘这个硬件设备的基本单位是 512 字节，而 MySQL InnoDB引擎 使用 16KB 进行IO交互。即， MySQL 和磁盘进行数据交互的基本单位是 16KB 。这个基本数据单元，在 MySQL 这里叫做page（注意和系统的page区分）

建立共识

• MySQL 中的数据文件，是以page为单位保存在磁盘当中的。
• MySQL 的 CURD 操作，都需要通过计算，找到对应的插入位置，或者找到对应要修改或者查询的数据。
• 而只要涉及计算，就需要CPU参与，而为了便于CPU参与，一定要能够先将数据移动到内存当中。
• 所以在特定时间内，数据一定是磁盘中有，内存中也有。后续操作完内存数据之后，以特定的刷新策略，刷新到磁盘。而这时，就涉及到磁盘和内存的数据交互，也就是IO了。而此时IO的基本单位就是Page。
• 为了更好的进行上面的操作， MySQL 服务器在内存中运行的时候，在服务器内部，就申请了被称为 Buffer Pool 的的大内存空间，来进行各种缓存。其实就是很大的内存空间，来和磁盘数据进行IO交互。
• 为了更高的效率，一定要尽可能的减少系统和磁盘IO的次数

索引的理解

IO交互的基本单位是 Page，这时为什么呢？

• 如上面的5条记录，如果MySQL要查找id=2的记录，第一次加载id=1，第二次加载id=2，一次一条记录，那么就需要2次IO。如果要找id=5，那么就需要5次IO。
• 但，如果这5条(或者更多)都被保存在一个Page中(16KB，能保存很多记录),那么第一次IO查找id=2的时候，整个Page会被加载到MySQL的Buffer Pool中，这里完成了一次IO。但是往后如果在查找id=1,3,4,5等，完全不需要进行IO了，而是直接在内存中进行了。所以，就在单Page里面，大大减少了IO的次数。
• 你怎么保证，用户一定下次找的数据，就在这个Page里面？我们不能严格保证，但是有很大概率，因为有局部性原理。往往IO效率低下的最主要矛盾不是IO单次数据量的大小，而是IO的次数。

理解单个Page

MySQL 中要管理很多数据表文件，而要管理好这些文件，就需要 先描述，再组织 ,我们目前可以简单理解成一个个独立文件是有一个或者多个Page构成的。

不同的 Page ，在 MySQL 中，都是 16KB ，使用 prev 和 next 构成双向链表。因为有主键的问题， MySQL 会默认按照主键给数据进行排序，从上面的Page内数据记录可以看出，数据是有序且彼此关联的。

为什么数据库在插入数据时要对其进行排序呢？

• 插入数据时排序的目的，就是优化查询的效率。
• 页内部存放数据的模块，实质上也是一个链表的结构，链表的特点也就是增删快，查询修改慢，所以优化查询的效率是必须的。
• 正式因为有序，在查找的时候，从头到后都是有效查找，没有任何一个查找是浪费的，而且，如果运气好，是可以提前结束查找过程的。

理解多个Page

• 通过上面的分析，我们知道，上面页模式中，只有一个功能，就是在查询某条数据的时候直接将一整页的数据加载到内存中，以减少硬盘IO次数，从而提高性能。但是，我们也可以看到，现在的页模式内部，实际上是采用了链表的结构，前一条数据指向后一条数据，本质上还是通过数据的逐条比较来取出特定的数据。
• 如果有1千万条数据，一定需要多个Page来保存1千万条数据，多个Page彼此使用双链表链接起来，而且每个Page内部的数据也是基于链表的。那么，查找特定一条记录，也一定是线性查找。这效率就比较低了。

为了解决上述问题，专家们又引入了页目录

该页目录类似一本书的目录，比如找到某本书的指定章节，我们有两种方法

1. 从头逐页的向后翻，直到找到指定章节
2. 通过书提供的目录，发现指定章节在123页(假设)，那么我们便直接翻到123页。同时，查找目录的方案，可以顺序找，不过因为目录较少，所以可以快速定位

本质上，书中的目录，是多花了纸张的，提高了效率，所以，目录，是一种“空间换时间的做法”。

单页情况

针对上面的单页Page，我们能否也引入目录呢？

当然可以

当前，在一个Page内部，我们引入了目录。比如，我们要查找id=4记录，之前必须线性遍历4次，才能拿到结果。现在直接通过目录2[3]，直接进行定位新的起始位置，从而提高了效率。

多页情况

MySQL 中每一页的大小只有 16KB ，单个Page大小固定，所以随着数据量不断增大， 16KB 不可能存下所有的数据，那么必定会有多个页来存储数据。

• 在单表数据不断被插入的情况下， MySQL 会在容量不足的时候，自动开辟新的Page来保存新的数据，然后通过指针的方式，将所有的Page组织起来。
• 这样，我们就可以通过多个Page遍历，Page内部通过目录来快速定位数据。可是，貌似这样也有效率问题，在Page之间，也是需要 MySQL 遍历的，遍历意味着依旧需要进行大量的IO，将下一个Page加载到内存，进行线性检测。这样就显得我们之前的Page内部的目录，有点杯水车薪了

那么如何解决呢？解决方案，其实就是我们之前的思路，给Page也带上目录。

• 使用一个目录项来指向某一页，而这个目录项存放的就是将要指向的页中存放的最小数据的键值
• 和页内目录不同的地方在于，这种目录管理的级别是页，而页内目录管理的级别是行
• 其中，每个目录项的构成是：键值+指针。

存在一个目录页来管理页目录，目录页中的数据存放的就是指向的那一页中最小的数据。有数据，就可通过比较，找到该访问那个Page，进而通过指针，找到下一个Page。目录页的本质也是页，普通页中存的数据是用户数据，而目录页中存的数据是普通页的地址。

可是，我们每次检索数据的时候，该从哪里开始呢？虽然顶层的目录页少了，但是还要遍历啊？不用担心，可以在加上一个目录页

这就是B+树，至此，我们已经完成了对表构建的索引

总结一下

• Page分为目录页和数据页。目录页只放各个下级Page的最小键值。
• 查找的时候，自定向下找，只需要加载部分目录页到内存，即可完成算法的整个查找过程，大大减少了IO次数

InnoDB 在建立索引结构来管理数据的时候，其他数据结构为何不行？

• 链表：线性遍历效率低下
• 二叉搜索树：退化问题，可能退化成为线性结构
• AVL &&红黑树：虽然是平衡或者近似平衡，但是毕竟是二叉结构，相比较多阶B+，意味着树整体过高，大家都是自顶向下找，层高越低，意味着系统与硬盘更少的IO Page交互。
• Hash：官方的索引实现方式中， MySQL 是支持HASH的，不过 InnoDB 和 MyISAM 并不支持.Hash跟进其算法特征，决定了虽然有时候也很快(O(1))，不过，在面对范围查找就明显不行。

B+ vs B

B树

B+树

这两棵树对我们最有意义的区别

• B树节点，既有数据，又有Page指针，而B+，只有叶子节点有数据，其他目录页，只有键值和Page指针
• B+叶子节点，全部相连，而B没有

那 MySQL 为何选择 B+ 树呢？

• 节点不存储data，这样一个节点就可以存储更多的key。可以使得树更矮，所以IO操作次数更少。
• 叶子节点相连，更便于进行范围查找。

聚簇索引 VS 非聚簇索引

MyISAM 存储引擎-主键索引

MyISAM 引擎同样使用B+树作为索引结果，叶节点的data域存放的是数据记录的地址。下图为 MyISAM 表的主索引，Col1 为主键。

其中， MyISAM 最大的特点是，将索引Page和数据Page分离，也就是叶子节点没有数据，只有对应数据的地址。相较于 InnoDB 索引， InnoDB 是将索引和数据放在一起的。

其中， MyISAM 这种用户数据与索引数据分离的索引方案，叫做非聚簇索引

其中， InnoDB 这种用户数据与索引数据在一起索引方案，叫做聚簇索引

当然， MySQL 除了默认会建立主键索引外，我们用户也有可能建立按照其他列信息建立的索引，一般这种索引可以叫做辅助（普通）索引。对于 MyISAM ,建立辅助（普通）索引和主键索引没有差别，无非就是主键不能重复，而非主键可重复。

下图就是基于 MyISAM 的 Col2 建立的索引，和主键索引没有差别

同样， InnoDB 除了主键索引，用户也会建立辅助（普通）索引，我们以上表中的 Col3 建立对应的辅助索引如下

可以看到， InnoDB 的非主键索引中叶子节点并没有数据，而只有对应记录的key值。

所以通过辅助（普通）索引，找到目标记录，需要两遍索引：首先检索辅助索引获得主键，然后用主键到主索引中检索获得记录。这种过程，就叫做回表查询。

为何 InnoDB 针对这种辅助（普通）索引的场景，不给叶子节点也附上数据呢？原因就是太浪费空间了。

索引操作

创建主键索引

1. 第一种方式

在创建表的时候，直接在字段名后指定 primary key

删除索引

2. 第二种方式

在创建表的最后，指定某列或某几列为主键索引

create table user2(id int, name varchar(30), primary key(id));

3. 第三种方式

创建表以后再添加主键

create table user3(id int, name varchar(30));
alter table user3 add primary key(id);

主键索引的特点

• 一个表中，最多有一个主键索引
• 主键索引的效率高（主键不可重复）
• 创建主键索引的列，它的值不能为null，且不能重复
• 主键索引的列基本上是int

唯一索引的创建

1. 第一种方式

在表定义时，在某列后直接指定unique唯一属性

删除索引

2. 第二种方式

创建表时，在表的后面指定某列或某几列为unique

create table user5(id int primary key, name varchar(30), unique(name));

3. 第三种方式

create table user6(id int primary key, name varchar(30)）;
alter table user6 add unique(name);

唯一索引的特点：

• 一个表中，可以有多个唯一索引
• 查询效率高
• 如果在某一列建立唯一索引，必须保证这列不能有重复数据
• 如果一个唯一索引上指定not null，作用等价于主键索引

普通索引的创建

1. 第一种方式

在表的定义最后，指定某列为索引

create table user8(id int primary key, 
	name varchar(20), 
	email varchar(30), 
	index(name)
);

2. 第二种方式

创建完表以后指定某列为普通索引

create table user9(id int primary key, name varchar(20), email varchar(30)); 
alter table user9 add index(name)；

3. 第三种方式

创建完表以后，再创建一列，该列为索引

create table user10(id int primary key, name varchar(20), email varchar(30));
create index idx_name on user10(name);

普通索引的特点：

• 一个表中可以有多个普通索引，普通索引在实际开发中用的比较多
• 如果某列需要创建索引，但是该列有重复的值，那么我们就应该使用普通索引

注意：索引虽然能提高产找的速度，但是会降低增删的效率，因为需要维护B+树的数据结构。

全文索引的创建

当对文章字段或有大量文字的字段进行检索时，会使用到全文索引。MySQL提供全文索引机制，但是有要求，要求表的存储引擎必须是MyISAM，而且默认的全文索引支持英文，不支持中文。如果对中文进行全文检索，可以使用sphinx的中文版(coreseek)。

查询有database数据

使用上述查询方式，虽然查询出数据，但是没有使用到全文索引，可以用explain工具查看是否使用到索引。

那么如何使用全文索引呢

使用explain工具查看

查询索引

1. 第一种方法： show keys from 表名；

2. 第二种方法：show index from 表名;

3. 第三种方法（信息比较简略）： desc 表名；

删除索引

• 删除主键索引： alter table 表名 drop primary key;

• 其他索引的删除： alter table 表名 drop index 索引名；（索引名是show keys from 表名中的Key_name 字段）

例

alter table user2 drop index idx_name;

• drop index 索引名 on 表名

例

drop index name on user4;

索引创建原则

• 比较频繁作为查询条件的字段应该创建索引
• 唯一性太差的字段不适合单独创建索引，即使频繁作为查询条件
• 更新非常频繁的字段不适合作创建索引
• 不会出现在where子句中的字段不该创建索引

其他概念

• 复合索引：用户可以在多个列上建立索引,这种索引叫做复合索引(组合索引)
• 索引最左匹配原则：最左优先，以最左边的为起点任何连续的索引都能匹配上。同时遇到范围查询(>、<、between、like)就会停止匹配。
• 索引覆盖：MySQL 执行计划 explain 结果里的 key 有使用索引，如果 select 后面查询的字段都可以从这个索引的树中获取，这种情况一般可以说是用到了覆盖索引。