MySQL 索引设计概要

Posted 2021-01-11 ssming

磁盘 IO

一个数据库必须保证其中存储的所有数据都是可以随时读写的，同时因为 mysql 中所有的数据其实都是以文件的形式存储在磁盘上的，而从磁盘上随机访问对应的数据非常耗时，所以数据库程序和操作系统提供了缓冲池和内存以提高数据的访问速度。

除此之外，我们还需要知道数据库对数据的读取并不是以行为单位进行的，无论是读取一行还是多行，都会将该行或者多行所在的页全部加载进来，然后再读取对应的数据记录；也就是说，读取所耗费的时间与行数无关，只与页数有关。

在 MySQL 中，页的大小一般为 16KB，不过也可能是 8KB、32KB 或者其他值，这跟 MySQL 的存储引擎对数据的存储方式有很大的关系，文中不会展开介绍，不过索引或行记录是否在缓存池中极大的影响了访问索引或者数据的成本。

随机读取

数据库等待一个页从磁盘读取到缓存池的所需要的成本巨大的，无论我们是想要读取一个页面上的多条数据还是一条数据，都需要消耗约 10ms 左右的时间：

10ms 的时间在计算领域其实是一个非常巨大的成本，假设我们使用脚本向装了 SSD 的磁盘上顺序写入字节，那么在 10ms 内可以写入大概 3MB 左右的内容，但是数据库程序在 10ms 之内只能将一页的数据加载到数据库缓冲池中，从这里可以看出随机读取的代价是巨大的。

这 10ms 的一次随机读取是按照每秒 50 次的读取计算得到的，其中等待时间为 3ms、磁盘的实际繁忙时间约为 6ms，最终数据页从磁盘传输到缓冲池的时间为 1ms 左右，在对查询进行估算时并不需要准确的知道随机读取的时间，只需要知道估算出的 10ms 就可以了。

内存读取

如果在数据库的缓存池中没有找到对应的数据页，那么会去内存中寻找对应的页面：

当对应的页面存在于内存时，数据库程序就会使用内存中的页，这能够将数据的读取时间降低一个数量级，将 10ms 降低到 1ms；MySQL 在执行读操作时，会先从数据库的缓冲区中读取，如果不存在与缓冲区中就会尝试从内存中加载页面，如果前面的两个步骤都失败了，最后就只能执行随机 IO 从磁盘中获取对应的数据页。

顺序读取

从磁盘读取数据并不是都要付出很大的代价，当数据库管理程序一次性从磁盘中顺序读取大量的数据时，读取的速度会异常的快，大概在 40MB/s 左右。

如果一个页面的大小为 4KB，那么 1s 的时间就可以读取 10000 个页，读取一个页面所花费的平均时间就是 0.1ms，相比随机读取的 10ms 已经降低了两个数量级，甚至比内存中读取数据还要快。

数据页面的顺序读取有两个非常重要的优势：

1. 同时读取多个界面意味着总时间的消耗会大幅度减少，磁盘的吞吐量可以达到 40MB/s；
2. 数据库管理程序会对一些即将使用的界面进行预读，以减少查询请求的等待和响应时间；

小结

数据库查询操作的时间大都消耗在从磁盘或者内存中读取数据的过程，由于随机 IO 的代价巨大，如何在一次数据库查询中减少随机 IO 的次数往往能够大幅度的降低查询所耗费的时间提高磁盘的吞吐量。