MySQL 索引机制以及调优

Posted 2022-11-27 老邋遢

mysql 索引机制以及调优

此文不是特别全，建议和另一篇文章结合着看

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文章目录

• MySQL 索引机制以及调优
• • 开篇
  • 基础知识储备
  • • 局部性原理
    • 磁盘预读
    • 索引是什么？
    • • hash
      • 二叉树和红黑树
      • B树
      • B+树
    • InnoDB和MyISAM文件存储和索引区别
    • • MySQL文件存储结构
      • 索引
      • • InnoDB
        • MyISAM
        • 存储引擎对比
    • 索引的分类
    • 索引基本知识

开篇

一起来看一下我们工作中常见的几个数据库问题

• 数据库常见的慢查询优化方式是什么？
• 为什么加索引能优化慢查询？
• 哪些数据结构可以提高查询速度？
• 众多数据结构中为什么Mysql选择使用B+树？

下面一起带着这些问题进入以下学习

基础知识储备

局部性原理

其实这个原理的提出源于1968年研究的一个问题

作业信息不全部装入主存的情况下能否保证作业的正确运行？

答案是肯定的，研究发现程序和数据的访问都有聚集成群的倾向。即在一个时间段内，仅会使用一小部分数据或代码（空间局部性），并且在未来很快被再次访问的可能性很大（时间局部性）。

这个类似于二八法则，80%时间会去访问20%的数据。

实际场景中就是我想从磁盘中读取1字节数据，实际上读取的是磁盘1个page的数据（页大小通常为4k），当然极端场景下这1字节的数据可能是从2页甚至4页里读取的

磁盘预读

上面已经简单介绍了磁盘的存储机制，页是存储器的逻辑块，操作系统往往将主存和磁盘存储划分为连续且大小相等的块，每个存储块为一页，主存和磁盘以页为单位交换数据

索引是什么？

• 索引是帮助MySQL高效获取数据的数据结构
• 索引存储在文件系统中
• 索引的文件存储形式与存储引擎有关
• 索引文件的结构
  • hash
  • 二叉树
  • B树
  • B+树

hash

hash通常是采用hash算法计算出一个hash值

最简单的就是通过%运算计算出余数，然后将数据放到与余数对应的内存地址上

如果产生了hash碰撞，通常会将数据放到同一地址的链表里

• 缺点

  • 使用hash存储需要将所有的数据文件添加到内存中，比较耗费内存空间
  • 如果所有查询都是等值查询，那么hash确实很快，但是实际生产场景中范围查询会比较多，这时候hash就不太适合了

二叉树和红黑树

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红黑树也是二叉树的一种，是通过左旋/右旋来维持二叉树的平衡

通过将值较小的放到左叶子节点，数值较大的放到右叶子节点来保证查找效率（类似于二分查找）

• 缺点

  无论是二叉树还是红黑树，都会因为树的深度过深而造成IO次数变多，影响数据读取的效率

  结合之前讲的“局部性原理”，一次读取都是4K的整数倍，也就是一个节点是4K的话，那么上图二叉树找13这个数值需要找5次

• 总结

  所以我们提升索引查询效率主要从两个维度，一个是减少IO次数（主要手段），一个是减少单次IO数据量

B树

首先纠正一个错误的认识

没有B-树一说，实际上B-树就是B树

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• B树的特点（m为树的阶）
  1. 所有的键值分布在整棵树中
  2. 搜索有可能在非叶子节点结束，在关键字全集内做一次查找，性能逼近二分查找
  3. 每个节点最多拥有m个子树
  4. 根节点至少有2个子树
  5. 分支节点至少拥有m/2棵子树(除根节点和叶子节点都是分支节点)
  6. 所有叶子节点都在同一层，每个节点最多可以有m-1个key，并且以升序排列

这里不再赘述，摘自知乎某文的说法

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• B树的查询流程：

  如上图我要从上图中找到E字母，查找流程如下

  （1）获取根节点的关键字进行比较，当前根节点关键字为M，E<M（26个字母顺序），所以往找到指向左边的子节点（二分法规则，左小右大，左边放小于当前节点值的子节点、右边放大于当前节点值的子节点）；

  （2）拿到关键字D和G，D<E<G 所以直接找到D和G中间的节点；

  （3）拿到E和F，因为E=E 所以直接返回关键字和指针信息（如果树结构里面没有包含所要查找的节点则返回null）；

• 缺点

  会存在某个指针对应数据块过大的问题，比如4K一个数据块，每个只存储了1.9k，最终会造成空间浪费，并加深树的结构，导致读取（查）效率降低

B+树

• B+ 树是B树的基础上做的一个优化

  • 每个节点可以包含更多的节点，这么做的理由有二：第一个是降低树的高度，第二个原因是将数据范围变为多个区间，区间越多，数据检索越快（有点类似跳表）
  • 非叶子节点存储key，叶子节点存储key+value
  • 叶子节点两两指针相互连接（符合磁盘预读特性，InnoDB每次预读为16K），顺序查询性能更高

• 特点

  1、B+树的层级更少：相较于B树B+每个非叶子节点存储的关键字数更多，树的层级更少所以查询数据更快；

  2、B+树查询速度更稳定：B+所有关键字数据地址都存在叶子节点上，所以每次查找的次数都相同所以查询速度要比B树更稳定;

  3、B+树天然具备排序功能：B+树所有的叶子节点数据构成了一个有序链表，在查询大小区间的数据时候更方便，数据紧密性很高，缓存的命中率也会比B树高。

  4、B+树全节点遍历更快：B+树遍历整棵树只需要遍历所有的叶子节点即可，，而不需要像B树一样需要对每一层进行遍历，这有利于数据库做全表扫描。

  B树相对于B+树的优点是，如果经常访问的数据离根节点很近，而B树的非叶子节点本身存有关键字其数据的地址，所以这种数据检索的时候会要比B+树快。

  因为B+树具备以上特点，所以可以对B+树进行两种查找运算：一种是对于主键的范围查找和分页查找，另一种是从根节点开始，进行随机查找

  B+树能做到3次IO取到百万甚至千万级数据（取决于数据大小）

InnoDB和MyISAM文件存储和索引区别

MySQL文件存储结构

1、如果表格b采用MyISAM，在数据库/usr/local/mysql/data/user 中会产生3个文件：
b.frm ：描述表结构文件，字段长度等
b.MYD(MYData)：数据信息文件，存储数据信息(如果采用独立表存储模式)
b.MYI(MYIndex)：索引信息文件。

2、如果表格user采用InnoDB，在数据库/usr/local/mysql/data/user中会产生1个或者2个文件：
b.frm ：描述表结构文件，字段长度等
如果采用独立表存储模式，/usr/local/mysql/data/user中还会产生b.ibd文件（存储数据信息和索引信息）
如果采用共存储模式的，数据信息和索引信息都存储在ibdata1中

索引

InnoDB

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注意：

1. InnoDB是通过B+树结构对主键创建索引，然后叶子节点中存储记录，如果没有主键，那么会选择唯一键，如果没有唯一键，那么会生成一个6位的row_id作为主键

2. 如果创建索引的键是其它字段，那么在叶子节点中存储的是该记录的主键，然后再通过主键索引找到对应的记录

   比如有(id,name,age)三列，如果是对name创建索引，那么实际通过name查询的时候会先在name对应的索引树里找到对应记录，但是记录中只存了ID，第二步会通过这个ID去主键索引树找到并将数据返回

综上，主键索引和非主键索引创建和查询方式都是不同的

MyISAM

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MyISAM也是采用B+树的方式，但是不再存储具体的数据，而是一个地址，然后根据地址去磁盘里读取对应数据

这也是为什么MyISAM会存储两个文件，而InnoDB只会存储一个文件

存储引擎对比

	MyISAM	InnoDB
索引类型	非聚簇索引	聚簇索引
支持事务	否	是
支持表锁	是	是
支持行锁	否	是
支持外键	否	是
支持全文索引	是	是（5.6 or later）
适合操作类型	大量select	大量insert、delete、update

索引的分类

MySQL索引分五类

• 主键索引

  主键是一种唯一性索引，但它必须指定为Primary Key，每个表只能有一个主键（一个主键并不表示一个列，也有可能是多个列组成的复合主键）

  (这个我们无需创建，MySQL会自动帮我们创建)

• 唯一索引

  索引列的所有值都只能出现一次，即必须唯一，值可以为空

  (主键索引也是唯一索引的一种，除了非空，MySQL会自动帮我们创建)

• 普通索引

  基本的索引类型，值可以为空，没有唯一性的限制

• 全文索引

  全文索引的索引类型为FullText。全文索引可以在varchar、char、text类型的列上创建

  （基本不用，现在一般全文检索都用Solor、Lucene、ES）

• 组合索引

  多列值组成的一个索引，专门用于组合搜索

索引基本知识

谈到索引，一定要往存储引擎上靠，常见的存储引擎有基于InnoDB、MyIsam、Memory三种

索引有什么优点？

• 大大减少了需要扫描的数据量
• 避免了排序和临时表
• 将随机IO变成了顺序IO

索引的用处？

• 快速查找匹配where子句的行
• 从约束中消除行，如果可以在多个索引之间进行选择，mysql通常会使用找到最少行的索引
• 如果表具有多列索引，则优化器可以使用索引的任何最左前缀来查找行（最多匹配原则，后文会有详细阐述）
• 当有表连接的时候，从其他表检索行数据
• 查找特定索引列的min或者max值
• 如果排序和分组时在可用索引的最左前缀上完成，则对表进行排序和分组
• 在某些情况下，可以优化查询以检索值而无需查询数据行

为什么MySQL不自动为所有字段创建索引？

首先索引越多查询越快这个认知是错误的

索引最终会写到磁盘里，所以查询的时候会有读盘操作会因为索引增多而变慢

增加删除数据MySQL会重新维护索引，而B+树会存在页分裂和页合并问题

每一次读取磁盘数据都是基于磁盘上的”页“

如果插入数据且页已经装满

这时候对页会有一个分裂的操作

如果数据量比较小，且页有富余空间，这时候会有页合并的操作

这个过程会消耗IO

MySQL建表的时候主键应该怎么选择？

• 自然主键

  跟业务挂钩的主键

• 代理主键

  跟业务无关的主键，比如ID列

  ID列是否需要设置自增？

  需要，这样方便MySQL去维护索引

常见技术名词？

• 回表

  在InnoDB和MyIsam存储引擎中，底层用的数据结构是B+树

  而Memory方式底层数据结构为Hash表

  而InnoDB下叶子节点直接放置数据

  主键索引可以通过索引直接找到数据并返回

  但是实际场景下，我们不经常使用主键去查询数据，可能是name列

  我们就可以给name列添加索引

  但是name的索引叶子节点并不会存储数据，而是会存储主键的值

  查找到对应name后会取主键的值，然后再去主键表中取数据的这种方式就叫回表

• 覆盖索引

  首先看两条查询语句

  select * from student where name='zhangsan' # 有回表操作
  select id from student where name='zhangsan' # 无回表操作
  

  因为基于name的B+树存储的本来就是主键id的值，所以第二条sql不会有回表操作

  以上不需要回表操作的过程就被称为索引覆盖（或覆盖索引）

• 最左匹配

  组合索引（多列索引），比如用name和age建立组合索引idx_name_age

  那么在查找的时候会先查找name再查找age

  select * from student where name='zhangsan' # 走索引
  select * from student where name='zhangsan' and age=10 # 走索引
  select * from student where age=10 # 不走索引，因为跳过了name直接查age，所以按照最左匹配原则不会走进索引
  select * from student where age=10 and name='zhangsan' # 走索引，MySQL优化器会自动优化我们的查询
  

• 索引下推

https://www.bilibili.com/video/BV1K64y1F76m?p=6 3:04

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