MySQL45讲破坏索引有序性的操作

Posted 2021-07-30 sysu_lluozh

在mysql中，有很多看上去逻辑相同，但性能却差异巨大的SQL语句，对这些语句使用不当的话，会不经意间导致整个数据库的压力变大

接下来分享三个案例，在遇到相似的问题时，可以举一反三的快速解决问题

一、条件字段函数操作

1.1 需求背景

假设现在维护了一个交易系统，其中交易记录表tradelog包含交易流水号(tradeid)、交易员id(operator)、交易时间(t_modified)等字段，为了便于描述，先忽略其他字段

这个表的建表语句如下：

mysql> CREATE TABLE `tradelog` (
 `id` int(11) NOT NULL,
 `tradeid` varchar(32) DEFAULT NULL,
 `operator` int(11) DEFAULT NULL,
 `t_modified` datetime DEFAULT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`),
 KEY `tradeid` (`tradeid`),
 KEY `t_modified` (`t_modified`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

假设，现在已经记录了从2016年初到2018年底的所有数据，运营部门有一个需求是，要统计 发生在所有年份中7月份的交易记录总数

这个逻辑看上去并不复杂，SQL语句可能会这么写：

select count(*) from tradelog where month(t_modified)=7;

1.2 索引失效

由于t_modified字段上有索引，于是很放心地在生产库中执行了这条语句，但却发现执行了特别久才返回了结果

如果问DBA为什么会出现这样的情况，大概会告诉你：
如果对字段做了函数计算，就用不上索引了，这是MySQL的规定

现在已经学过了InnoDB的索引结构了，可以再追问一句为什么？
为什么条件是where t_modified='2018-7-1’的时候可以用上索引，而改成where month(t_modified)=7的时候就不行了？

1.3 索引示意图

下面是这个t_modified索引的示意图，方框上面的数字就是month()函数对应的值

如果SQL语句条件用的是where t_modified='2018-7-1’的话，引擎就会按照上面绿色箭头的路线，快速定位到t_modified='2018-7-1’需要的结果

1.4 索引失效原因

实际上，B+树提供的这个快速定位能力，来源于同一层兄弟节点的有序性

但是，如果计算month()函数的话，你会看到传入7的时候，在树的第一层就不知道该怎么办了

也就是说，对索引字段做函数操作，可能会破坏索引值的有序性，因此优化器就决定放弃走树搜索功能

需要注意的是，优化器并不是要放弃使用这个索引

在这个例子里，放弃了树搜索功能，优化器可以选择遍历主键索引，也可以选择遍历索引 t_modified，优化器对比索引大小后发现，索引t_modified更小，遍历这个索引比遍历主键索
引来得更快，因此最终还是会选择索引t_modified

接下来，使用explain命令查看一下这条SQL语句的执行结果：

key="t_modified"表示的是，使用了t_modified这个索引
在测试表数据中插入了10万行数据，rows=100335，说明这条语句扫描了整个索引的所有值
Extra字段的Using index，表示的是使用了覆盖索引

1.5 范围查询

由于在t_modified字段加了month()函数操作，导致了全索引扫描
为了能够用上索引的快速定位能力，要把SQL语句改成基于字段本身的范围查询

按照下面这个写法，优化器就能按照我们预期的，用上t_modified索引的快速定位能力：

mysql> select count(*) from tradelog where 
(t_modified >= '2016-7-1' and t_modified<'2016-8-1') or 
(t_modified >= '2017-7-1' and t_modified<'2017-8-1') or 
(t_modified >= '2018-7-1' and t_modified<'2018-8-1');

当然，如果系统上线时间更早，或者后面又插入了之后年份的数据时，需要再把其他年份补齐

到这里说明了由于加了month()函数操作，MySQL无法再使用索引快速定位功能，而只能使用全索引扫描

1.6 不改变有序性的函数

不过优化器在这个问题上确实有"偷懒"行为

即使是对于不改变有序性的函数，也不会考虑使用索引，比如：

select * from tradelog where id + 1 = 10000

这个SQL语句，id加1操作并不会改变有序性，但MySQL优化器还是不能用id索引快速定位到9999这一行

所以，需要在写SQL语句的时候，手动改写成 where id = 10000 -1

二、隐式类型转换

接下来看看另一个经常掉坑里的例子

2.1 问题描述

一起看一下这条SQL语句：

select * from tradelog where tradeid=110717;

交易编号tradeid这个字段上，本来就有索引，但是explain的结果却显示，这条语句需要走全表扫描

2.2 类型转换规则

不难发现，tradeid的字段类型是varchar(32)，而输入的参数却是整型，所以需要做类型转换

那么，现在这里就有两个问题：

1. 数据类型转换的规则是什么？
2. 为什么有数据类型转换，就需要走全索引扫描？

先看第一个问题，可能会说，数据库里面类型这么多，这种数据类型转换规则更多，记不住应该怎么办呢？

2.3 类型转换实验

这里有一个简单的方法，看 select “10” > 9的结果：

1. 如果规则是"将字符串转成数字"，那么就是做数字比较，结果应该是1
2. 如果规则是"将数字转成字符串"，那么就是做字符串比较，结果应该是0

验证结果如下图：

从图中可知，select “10” > 9返回的是1
所以能确认MySQL里的转换规则：在 MySQL中，字符串和数字做比较的话，是将字符串转换成数字

2.4 类型转换解析

这时，再看这个全表扫描的语句：

select * from tradelog where tradeid=110717;

对于优化器来说，这个语句相当于：

select * from tradelog where CAST(tradid AS signed int) = 110717;

这条语句触发上面提及的规则：对索引字段做函数操作，优化器会放弃走树搜索功能

三、隐式字符编码转换

假设系统里还有另外一个表trade_detail，用于记录交易的操作细节

3.1 业务数据

为了便于量化分析和复现，往交易日志表tradelog和交易详情表trade_detail这两个表里插入一些数据

mysql> CREATE TABLE `trade_detail` (
 `id` int(11) NOT NULL,
 `tradeid` varchar(32) DEFAULT NULL,
 `trade_step` int(11) DEFAULT NULL, /*操作步骤*/
 `step_info` varchar(32) DEFAULT NULL, /*步骤信息*/
 PRIMARY KEY (`id`),
 KEY `tradeid` (`tradeid`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

数据插入

insert into tradelog values(1, 'aaaaaaaa', 1000, now());
insert into tradelog values(2, 'aaaaaaab', 1000, now());
insert into tradelog values(3, 'aaaaaaac', 1000, now());
insert into trade_detail values(1, 'aaaaaaaa', 1, 'add');
insert into trade_detail values(2, 'aaaaaaaa', 2, 'update');
insert into trade_detail values(3, 'aaaaaaaa', 3, 'commit');
insert into trade_detail values(4, 'aaaaaaab', 1, 'add');
insert into trade_detail values(5, 'aaaaaaab', 2, 'update');
insert into trade_detail values(6, 'aaaaaaab', 3, 'update again');
insert into trade_detail values(7, 'aaaaaaab', 4, 'commit');
insert into trade_detail values(8, 'aaaaaaac', 1, 'add');
insert into trade_detail values(9, 'aaaaaaac', 2, 'update');
insert into trade_detail values(10, 'aaaaaaac', 3, 'update again');
insert into trade_detail values(11, 'aaaaaaac', 4, 'commit');

3.2 业务需求

这时候，如果要查询id=2的交易的所有操作步骤信息，SQL语句可以这么写：

select d.* from tradelog l, trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and l.id=2; /*语句Q1*/

3.3 SQL执行分析

上面Q1语句的explain结果：

一起来看下这个结果：

1. 第一行显示优化器会先在交易记录表tradelog上查到id=2的行，这个步骤用上了主键索引，rows=1表示只扫描一行
2. 第二行key=NULL，表示没有用上交易详情表trade_detail上的tradeid索引，进行了全表扫描

在这个执行计划里，是从tradelog表中取tradeid字段，再去trade_detail表里查询匹配字段
因此，把tradelog称为驱动表，把trade_detail称为被驱动表，把tradeid称为关联字段

接下来，看下语句Q1的explain结果表示的执行流程：

从图中可知：

• 第一步，根据id在tradelog表里找到L2这一行
• 第2步，从L2中取出tradeid字段的值
• 第3步，根据tradeid值到trade_detail表中查找条件匹配的行
  explain的结果里面第二行的key=NULL表示的就是，这个过程是通过遍历主键索引的方式，一个一个地判断tradeid的值是否匹配

3.4 异常分析

进行到这里，可以发现第3步不符合预期
因为表trade_detail里tradeid字段上是有索引的，本来是希望通过使用tradeid索引能够快速定位到等值的行，但，这里并没有

如果去问DBA同学，可能会告诉你，因为这两个表的字符集不同，一个是utf8，一个是 utf8mb4，所以做表连接查询的时候用不上关联字段的索引

3.5 隐形字符转换

但是为什么字符集不同就用不上索引呢？

问题出在执行步骤的第3步，如果单独把这一步改成SQL语句的话，那就是：

select * from trade_detail where tradeid=$L2.tradeid.value;

其中，$L2.tradeid.value的字符集是utf8mb4

参照前面的两个例子，由于字符集utf8mb4是utf8的超集，所以当这两个类型的字符串在做比较的时候，MySQL内部的操作是，先把utf8字符串转成utf8mb4字符集，再做比较

这个设定很好理解，utf8mb4是utf8的超集，类似地，在程序设计语言里面， 做自动类型转换的时候，为了避免数据在转换过程中由于截断导致数据错误，也都是"按数据长度增加的方向"进行转换的

因此， 在执行上面这个语句的时候，需要将被驱动数据表里的字段一个个地转换成utf8mb4，再跟L2做比较

也就是说，实际上这个语句等同于下面这个写法：

select * from trade_detail where CONVERT(traideid USING utf8mb4)=$L2.tradeid.value;

CONVERT()函数，在这里的意思是把输入的字符串转成utf8mb4字符集

这条语句触发上面提及的规则：对索引字段做函数操作，优化器会放弃走树搜索功能

3.6 类似需求

到这里，终于可以明确，字符集不同只是条件之一，连接过程中要求在被驱动表的索引字段上加函数操作，是直接导致对被驱动表做全表扫描的原因

作为对比验证，提另外一个需求，“查找trade_detail表里id=4的操作，对应的操作者是谁”，再来看下这个语句和它的执行计划

select l.operator from tradelog l , trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and d.id=4;

3.7 执行分析

上面的语句explain的结果

这个语句里trade_detail表成了驱动表，但是explain结果的第二行显示，这次的查询操作用上了被驱动表tradelog里的索引(tradeid)，扫描行数是1

这也是两个tradeid字段的join操作，为什么这次能用上被驱动表的tradeid索引呢？

假设驱动表trade_detail里id=4的行记为R4，那么在连接的时候，被驱动表tradelog上执行的就是类似这样的SQL语句：

select operator from tradelog where traideid =$R4.tradeid.value;

这时候$R4.tradeid.value的字符集是utf8，按照字符集转换规则，要转成utf8mb4，所以这个过程就被改写成：

select operator from tradelog where traideid =CONVERT($R4.tradeid.value USING utf8mb4);

这里的CONVERT函数是加在输入参数上的，这样就可以用上被驱动表的traideid索引

3.8 语句优化

理解了原理以后，就可以用来指导操作了，如果要优化语句：

select d.* from tradelog l, trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and l.id=2;

有两种做法：

1. 修改字段字符集
   比较常见的优化方法，把trade_detail表上的tradeid字段的字符集也改成utf8mb4，这样就没有字符集转换的问题

alter table trade_detail modify tradeid varchar(32) CHARACTER SET utf8mb4 default null;

2. 修改SQL语句方法
   如果能够修改字段的字符集的话，是最好不过了
   但如果数据量比较大，或者业务上暂时不能做这个DDL的话，那就只能采用修改SQL语句的方法

select d.* from tradelog l , trade_detail d where d.tradeid=CONVERT(l.tradeid USING utf8) and l.id=2;

上面SQL语句的explain结果

主动把l.tradeid转成utf8，就避免了被驱动表上的字符编码转换，从explain结果可以看到，这次索引走对了

四、小结

举了三个例子，其实是在说同一件事儿，即：
对索引字段做函数操作，可能会破坏索引值的有序性，因此优化器就决定放弃走树搜索功能

第二个例子是隐式类型转换，第三个例子是隐式字符编码转换，其实都跟第一个例子一样， 因为要求在索引字段上做函数操作而导致了全索引扫描

MySQL的优化器确实有"偷懒"的嫌疑，即使简单地把where id+1=1000改写成where id=1000-1就能够用上索引快速查找，也不会主动做这个语句重写

因此，每次业务代码升级时，把可能新的SQL语句explain一下，是一个很好的习惯