MySQL45讲order by工作机制

Posted 2021-07-30 sysu_lluozh

在开发应用的时候，一定会经常碰到需要根据指定的字段排序来显示结果的需求

以前面举例用过的市民表为例，假设要查询城市是"杭州"所有人名字，并且按照姓名排序返回前1000个人的姓名、年龄

这个表的部分定义如下：

CREATE TABLE `t` (
 `id` int(11) NOT NULL,
 `city` varchar(16) NOT NULL,
 `name` varchar(16) NOT NULL,
 `age` int(11) NOT NULL,
 `addr` varchar(128) DEFAULT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`),
 KEY `city` (`city`)
) ENGINE=InnoDB;

SQL语句可以这么写：

select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000;

这个语句看上去逻辑很清晰，但是它的执行流程是怎么样的？接下来看看这个语句是怎么执行的，以及有什么参数会影响执行的行为

一、全字段排序

根据索引知识，为了避免全表扫描，需要在city字段加上索引

1.1 explain结果

在city字段上创建索引之后，用explain命令来看看这个语句的执行情况

Extra这个字段中的Using filesort表示的就是需要排序，mysql会给每个线程分配一块内存用于排序，称为sort_buffer

1.2 索引结构

为了说明这个SQL查询语句的执行过程，先来看一下city这个索引的示意图

从图中可以看到，满足city='杭州’条件的行，是从ID_X到ID_(X+N)的这些记录

1.3 执行流程

通常情况下，这个语句执行流程如下所示：

1. 初始化sort_buffer，确定放入name、city、age这三个字段
2. 从索引city找到第一个满足city='杭州’条件的主键id，也就是图中的ID_X
3. 到主键id索引取出整行，取name、city、age三个字段的值，存入sort_buffer中
4. 从索引city取下一个记录的主键id
5. 重复步骤3、4直到city的值不满足查询条件为止，对应的主键id也就是图中的ID_Y
6. 对sort_buffer中的数据按照字段name做快速排序
7. 按照排序结果取前1000行返回给客户端

暂且把这个排序过程，称为全字段排序，全字段排序执行流程的示意图如下所示：

图中"按name排序"这个动作，可能在内存中完成，也可能需要使用外部排序，这取决于排序所需的内存和参数sort_buffer_size

1.4 sort_buffer_size

MySQL为排序开辟的内存(sort_buffer)的大小
如果要排序的数据量小于sort_buffer_size，排序就在内存中完成
如果排序数据量太大，内存放不下，则不得不利用磁盘临时文件辅助排序

二、rowid排序

2.1 全字段排序性能问题

在上面这个算法过程里面，只对原表的数据读了一遍，剩下的操作都是在sort_buffer和临时文件中执行的
这个算法有一个问题，如果查询要返回的字段很多的话，那么sort_buffer里面要放的字段数太多，这样内存里能够同时放下的行数很少，要分成很多个临时文件，排序的性能会很差

所以如果单行很大，这个方法效率不够好

那么，如果MySQL认为排序的单行长度太大会怎么做呢？

接下来，修改一个参数，让MySQL采用另外一种算法

SET max_length_for_sort_data = 16;

2.2 max_length_for_sort_data

max_length_for_sort_data是MySQL中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数
如果单行的长度超过这个值，MySQL就认为单行太大，要换一个算法

city、name、age 这三个字段的定义总长度是36，把max_length_for_sort_data设置为16，再来看看计算过程有什么改变

新的算法放入sort_buffer的字段，只有要排序的列(即name字段)和主键id

2.3 执行流程

但这时，排序的结果就因为少了city和age字段的值，不能直接返回了，整个执行流程就变成如下所示：

1. 初始化sort_buffer，确定放入两个字段，即name和id
2. 从索引city找到第一个满足city='杭州’条件的主键id，也就是图中的ID_X
3. 到主键id索引取出整行，取name、id这两个字段，存入sort_buffer中
4. 从索引city取下一个记录的主键id
5. 重复步骤3、4直到不满足city='杭州’条件为止，也就是图中的ID_Y
6. 对sort_buffer中的数据按照字段name进行排序
7. 遍历排序结果，取前1000行，并按照id的值回到原表中取出city、name和age三个字段返回给客户端

这种排序方式称为rowid排序

rowid排序执行流程的示意图如下：

对比全字段排序流程图，rowid排序多访问了一次表t的主键索引，也就是步骤7

需要说明的是，最后的"结果集"是一个逻辑概念，实际上MySQL服务端从排序后的sort_buffer中依次取出id，然后到原表查到city、name和age这三个字段的结果，不需要在服务端再耗费内存存储结果，是直接返回给客户端的

三、全字段排序 VS rowid排序

分析一下，从这两个执行流程里，还能得出什么结论

3.1 内存因素

• MySQL内存太小

如果MySQL实在是担心排序内存太小，会影响排序效率，才会采用rowid排序算法，这样排序 过程中一次可以排序更多行，但是需要再回到原表去取数据

• MySQL内存足够大

如果MySQL认为内存足够大，会优先选择全字段排序，把需要的字段都放到sort_buffer中， 这样排序后就会直接从内存里面返回查询结果了，不用再回到原表去取数据

这体现了MySQL的一个设计思想：
如果内存够，就要多利用内存，尽量减少磁盘访问

3.2 排序性能成本

对于InnoDB表来说，rowid排序会要求回表多造成磁盘读，因此不会被优先选择

MySQL做排序是一个成本比较高的操作，那么，是不是所有的order by都需要排序操作呢？
如果不排序就能得到正确的结果，那对系统的消耗会小很多， 语句的执行时间也会变得更短

四、覆盖索引排序

4.1 索引默认有序

其实，并不是所有的order by语句，都需要排序操作的
从上面分析的执行过程，可以看到，MySQL之所以需要生成临时表，并且在临时表上做排序操作，其原因是原来的数据都是无序的

可以设想下，如果能够保证从city这个索引上取出来的行，天然就是按照name递增排序的话，是不是就可以不用再排序了呢

确实是这样的

4.2 联合索引创建

所以，可以在这个市民表上创建一个city和name的联合索引，对应的SQL语句是：

alter table t add index city_user(city, name);

4.3 联合索引示意图

作为与city索引的对比，看看city和name联合索引示意图：

在这个索引里面，依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足city='杭州’的记录，并且额外确保了，接下来按顺序取"下一条记录"的遍历过程中，只要city的值是杭州，name的值就一定是有序的

4.3 联合索引排序执行流程

这样整个查询过程的流程：

1. 从索引(city,name)找到第一个满足city='杭州’条件的主键id；
2. 到主键id索引取出整行，取name、city、age三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回
3. 从索引(city,name)取下一个记录主键id
4. 重复步骤2、3，直到查到第1000条记录，或者是不满足city='杭州’条件时循环结束

引入(city,name)联合索引后，查询语句的执行计划：

可以看到，这个查询过程不需要临时表，也不需要排序

接下来，用explain的结果来印证：

从图中可以看到，Extra字段中没有Using filesort了，也就是不需要排序了
而且由于 (city,name)这个联合索引本身有序，所以这个查询也不用把4000行全都读一遍，只要找到满足条件的前1000条记录就可以退出了，也就是说，在这个例子里，只需要扫描1000次

既然说到这里了，再往前讨论，那这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢？

前面提到的覆盖索引中，索引上的信息足够满足查询请求，不需要再回到主键索引上去取数据

按照覆盖索引的概念，可以再优化一下这个查询语句的执行流程

针对这个查询，我们可以创建一个city、name和age的联合索引，对应的SQL语句就是：

alter table t add index city_user_age(city, name, age);

这时，对于city字段的值相同的行来说，还是按照name字段的值递增排序的，此时的查询语
句也就不再需要排序了，整个查询语句的执行流程：

1. 从索引(city,name,age)找到第一个满足city='杭州’条件的记录，取出其中的city、name和age这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回
2. 从索引(city,name,age)取下一个记录，同样取出这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回
3. 重复执行步骤2，直到查到第1000条记录，或者是不满足city='杭州’条件时循环结束

引入(city,name,age)联合索引后，查询语句的执行流程：

然后，再来看看引入(city,name,age)联合索引后explain的结果

可以看到，Extra字段里面多了"Using index"，表示的就是使用了覆盖索引，性能上会快很多

当然，这里并不是说要为了每个查询能用上覆盖索引，就要把语句中涉及的字段都建上联合索引，毕竟索引还是有维护代价的，这是一个需要权衡的决定