滴滴一面:order by 调优10倍,思路是啥?

Posted 40岁资深老架构师尼恩

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了滴滴一面:order by 调优10倍,思路是啥?相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

背景说明:

mysql调优,是大家日常常见的调优工作。

所以,Mysql调优是一个非常、非常核心的面试知识点

在40岁老架构师 尼恩的读者交流群(50+)中,其相关面试题是一个非常、非常高频的交流话题。

近段时间,有小伙伴面试滴滴,说遇到一个order by 调优的面试题:

order by 线上的查询速度太慢, 需要优化10倍以上, 说说你的思路?

社群中,还遇到过大概的变种:

形式1:order by 是怎么实现排序的?

形式2:order by 是怎么实现优化的?

形式3: 后面的变种,应该有很多变种…,会收入 《尼恩Java面试宝典》。

这里尼恩给大家order by 调优,做一下系统化、体系化的梳理,使得大家可以充分展示一下大家雄厚的 “技术肌肉”,让面试官爱到 “不能自已、口水直流”

也一并把这个 题目以及参考答案,收入咱们的《尼恩Java面试宝典》,供后面的小伙伴参考,提升大家的 3高 架构、设计、开发水平。

注:本文以 PDF 持续更新,最新尼恩 架构笔记、面试题 的PDF文件,请从这里获取:码云


回答这个order by的优化之前,首先要给面试官介绍一下order by的底层原理。

首先、什么是Order by 工作原理?

假设,有一个用户表为例,表结构如下:

create table `user` (
  `id` int(11) not null auto_increment COMMENT 'id',
  `city` varchar(16) not null COMMENT '城市',
  `name` varchar(16) not null COMMENT '姓名',
  `age` int(11) not null COMMENT '年龄',
  `sex` int(1) default 1 COMMENT '性别',
  primary key (`id`),
  key `city` (`city`)
) engine = InnoDB comment '用户表';

表数据示例如下:

现在假定有个需求:查询前 5 个来自北京的用户姓名、年龄、城市,并且按照年龄升序排序。

那么相应的 SQL 如下:

select name, age, city from user where city = '北京' order by age limit 5;

这条 SQL 语句逻辑简单清晰,要点有3个:

  • city = ‘北京’ :有where 查询条件
  • order by age :根据 age 排序,默认是asc
  • limit 5 :取得 top5

那么 mysql 底层是如何执行的呢?

首先,给大家介绍一下宏观的思路。

Order by 执行的两步

总体来说,Order by 执行流程,分为两步,具体如下:

第1步:索引的查找

根据where 后面的字段,进行 二级索引的查找,找到后再回表 聚集索引,拿到需要的字段

第2步:原始数据的排序

原始数据的数据, 并不是按照 order by 有序的。

所以,需要按照 order by 字段,进行排序。

接下来,排序的地点在哪里呢?

  • 优先选择内存。因为内存的性能高。
  • 如果原始的数据实在规模太大,就借助磁盘进行排序。

用于排序的内存,称为 sort_buffer。其实 MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序的 sort_buffer

了解了整个步骤后,开始来看看执行计划。

然后再看怎么优化。

Explain查看执行计划

我们先用Explain关键字查看一下执行计划。

那么相应的 SQL 如下:

select name, age, city from user where city = '北京' order by age limit 5;

可以看到:

  • key 字段表示使用到 city 索引,
  • Extra 字段中的Using index condition 表示用到了索引条件,
  • Using filesort表示用到了文件排序 。

用到文件排序,说明第一次查出来的 原始数据,在内存放不下, 需要借助 磁盘空间进行排序,

磁盘IO的性能比较低的,所以,需要进行调优。

再调优之前,首先图解一下order

图解一下Order by 执行的两步

第1步:索引的查找

根据where 后面的字段,进行 二级索引的查找,找到后再回表 聚集索引,拿到需要的字段

回顾 SQL 如下:

select name, age, city from user where city = '北京' order by age limit 5;

首先从 二级索引city 索引树 的查找 city = ‘北京’ 的索引叶子。

在 city 索引树中是非聚簇索引树,叶子节点存储的是主键 ID。city 索引树 如下:

聚簇索引树的叶子节点则存放的是每行数据,如下图:

查询语句的执行流程就是先通过 city 索引树,找到对应的主键 ID,然后再搜索主键索引树,找到对应的行数据。

这些数据是原始数据,放在内存 sort_buffer 中。

第2步:原始数据的排序

原始数据的数据, 并不是按照 order by 有序的。 所以,需要按照 order by 字段,进行排序。

加上order by排序之后,整体的执行流程就是:

Order by 执行完整流程,如下:

  1. 当前线程首先初始化 sort_buffer 块,
  2. 然后从 city 索引树从查询一条满足city='北京'的主键 ID, 比如图中的id=2,
  3. 接着在聚簇索引树中查询id=2的一行数据,将nameagecity三个字段的值,存到sort_buffer
  4. 继续重复前两个步骤,直到 city 索引树中找不到city='北京'的主键 ID。
  5. 最后在sort_buffer中,将所有数据根据age 进行排序,取前 5 行返回给客户端。

全字段排序就是将查询所需的字段,如nameagecity三个字段数据全部存到 sort_buffer 中。

3个核心概念

接下来开始给面试官介绍如何调优。

不过不急,调优涉及到3个核心概念

  • 全字段排序
  • 外部排序
  • rowid 排序

全字段排序

sort_buffer是 MySQL 为每个任务线程维护的一块内存区域,用于进行排序。

sort_buffer 的大小可以通过 sort_buffer_size 来设置。

那这种处理方式会存在一个问题, sort_buffer 是一块固定大小的内存,如果数据量太大,sort_buffer 放不下怎么办呢?

sort_buffer_size 是一个用于控制sort_buffer内存大小的参数。

外部排序

如果要排序的数据小于 sort_buffer_size,那在 sort_buffer 内存中就可以完成排序,如果要排序的数据大于 sort_buffer_size,则需要外部排序,借助磁盘文件来进行排序。

通过执行一下命令,可以查看 SQL 语句执行中是否采用了磁盘文件辅助排序。

set optimizer_trace = "enabled=on";

select name,age,city from user where city = '北京' order by age limit 5;

select * from information_schema.optimizer_trace;

可以从number_of_tmp_files中看出,是否使用了临时文件。


    "join_execution": 
      "select#": 1,
      "steps": [
        
          "filesort_information": [
            
              "direction": "asc",
              "table": "`user`",
              "field": "age"
            
          ],
          "filesort_priority_queue_optimization": 
            "limit": 5,
            "rows_estimate": 992,
            "row_size": 112,
            "memory_available": 262144,
            "chosen": true
          ,
          "filesort_execution": [
          ],
          "filesort_summary": 
            "rows": 3,
            "examined_rows": 28,
            "number_of_tmp_files": 0,
            "sort_buffer_size": 720,
            "sort_mode": "<sort_key, additional_fields>"
          
        
      ]
    

number_of_tmp_files 表示使用来排序的磁盘临时文件数。如果 number_of_tmp_files>0,则表示使用了磁盘文件来进行排序。

使用了磁盘临时文件后,当 sort_buffer 内存不足时,先进行排序,将排序后的数据存放到一个小磁盘文件中,清空 sort_buffer。

然后继续存放数据到 sort_buffer,重复以上步骤。最后将多个磁盘小文件合并成一个有序的大文件。

Tips: 磁盘小文件合并排序,使用的是归并排序算法

这样依然会存在问题,数据存放到临时磁盘小文件,然后还需要归并排序为大文件,再读入到内存中,返回结果集,整体排序效率低下。

rowid 排序

要解决上述问题,可以将只需要用于排序的字段和主键 ID 放入 sort_buffer 中,也就是 rowid 排序,这样就可以在 sort_buffer 中完成排序。

max_length_for_sort_data 是一个用于表示 Mysql 用于排序行数据长度的一个参数,如果单行数据的长度超过了这个值,那么可能会导致采用临时文件排序,mysql 会换用 rowid 排序。

可以通过命令看下这个参数取值。

show variables like 'max_length_for_sort_data';

max_length_for_sort_data 默认值是 1024。本文中name,age,city 长度=64+4+64=132<1024, 所以走的是全字段排序。

我们执行以下命令,改下参数值,再重新执行 SQL。

set max_length_for_sort_data = 32;

select name,age,city from user where city = '北京' order by age limit 5;

使用 rowid 排序的后,执行示意图如下:

对比全字段排序,rowid 排序最后需要根据主键 ID 获取对应字段数据即多了回表查询。

当需要查询的数据在索引树中不存在的时候,需要再次到聚集索引中去获取,这个过程叫做回表

我们通过执行以下命令,可以看到是否使用了 rowid 排序的:

set optimizer_trace = "enabled=on";

select name,age,city from user where city = '北京' order by age limit 5;

select * from information_schema.optimizer_trace;

  "join_execution": 
    "select#": 1,
    "steps": [
      
        "filesort_information": [
          
            "direction": "asc",
            "table": "`user`",
            "field": "age"
          
        ],
        "filesort_priority_queue_optimization": 
          "limit": 5,
          "rows_estimate": 992,
          "row_size": 8,
          "memory_available": 262144,
          "chosen": true
        ,
        "filesort_execution": [],
        "filesort_summary": 
          "rows": 3,
          "examined_rows": 28,
          "number_of_tmp_files": 0,
          "sort_buffer_size": 96,
          "sort_mode": "<sort_key, rowid>"
        
      
    ]
  

sort_mode表示排序模式为 rowid 排序。

order by 的优化思路

重点来了

如何调优呢?两大措施:

  • 联合索引优化

    如果数据本身是有序的,那就不需要排序,而索引数据本身是有序的,所以,我们可以通过建立联合索引,跳过排序步骤。

  • 参数优化

    可以通过调整max_length_for_sort_data等参数优化排序算法;

联合索引

基于查询条件和排序条件,给表加个联合索引idx_city_age。然后再查看执行计划:

alter table user add  index idx_city_age(city,age);

explain select name,age,city from user where city = '北京' order by age limit 5;

从执行计划Extra字段中可以发现没有再使用Using filesort排序,keys使用了idx_city_age索引。

idx_city_age联合索引示意图,如下:

整个 SQL 执行流程图如下所示:

任务线程从idx_city_age索引树中可以有序的获取满足条件的主键 ID, 然后根据主键 ID 查询对应字段数据,不需要在 sort_buffer 中排序了。

从示意图看来,还是有一次回表操作,那可以通过覆盖索引来解决,给citynameage 组成一个联合索引,省去回表操作。

覆盖索引是 select 的数据列只用从索引中就能够取得,不必读取数据行,换句话说查询列要被所建的索引覆盖。

参数优化

通过调整参数,也可以优化order by的执行。

  1. 调整 sort_buffer_size 参数的值。如果 sort_buffer 值太小而数据量大的话,MySQL 会采用磁盘临时文件辅助排序。MySQL 服务器配置高的情况下,可以将参数调大些。
  2. 调整 max_length_for_sort_data 的值,值太小的话 MySQL 会采用 rowid 排序,会多一次回表操作导致查询性能降低。同样可以适当调大些。

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