MySQL优化之索引原理

Posted 2022-11-15 fenjyang

一，前言　

? 上一篇内容说到了mysql存储引擎的相关内容，及数据类型的选择优化。下面再来说说索引的内容，包括对B-Tree和B+Tree两者的区别。

1.1，什么是索引

? 索引是存储引擎用于快速找到记录的一种数据结构， 对性能的提升有很大的帮助，尤其当表中数量较大的情况下，索引正确的使用可以对性能提升几个数量级。
但是索引经常被忽略，不恰当的索引对性能可能还会带来负面效果。

1.2，什么时候添加索引

• 主键自动建立主键索引(唯一索引)

• where字句中的列，频繁作为查询字段的列

• 表连接关联的列

• 排序用到的列

• 索引的基数越大(选择性大)，索引的效率就越高

  什么叫基数越大，比如手机号，每个列都具有不同的值，非常好区别，这个就适合建立索引，而性别这样的字段，因为只有两个值，以不适合建立索引，就是区分度高低的问题。

1.3，不适合添加索引

• 表中数据太少
• 频繁修改的字段
• 数据重复且分布平均的字段

1.4，索引的分类

? 单值索引：即一个索引只包含单个列，一个表可以有多个单列索引。

? 唯一索引：索引列的值必须唯一，但是允许有空值。

? 复合索引：即一个索引包含多个列。

? 全文索引：使用fulltext创建全文索引。

在旧版MySQL中全文索引只能用在MyISAM表格的char、varchar和text的字段上。新版的MySQL5.6.24上InnoDB引擎也加入了全文索引。

? 使用方式：

• 创建索引：create [unique|fulltext] index 索引名 on 表名 (属性名[长度][asc|desc])。
• 删除索引：drop index 索引名 on 表名。
• 查看索引：show index from 表名。

具体使用方式这里就不详细说明，接下来就说说关于索引的实现原理，Tree，B-Tree，B+Tree。

二，Tree

? 在总结B-Tree和B+Tree之前，先看看最基本的二叉树结构吧，因为前两种树结构够可以算是二叉树的变种。

? 二叉树是n(n>=0)个结点的有限集合，该集合或者为空集（称为空二叉树），或者由一个根结点和两棵互不相交的、分别称为根结点的左子树和右子树组成。

? 二叉树的特点：

• 每个结点最多有两颗子树，所以二叉树中不存在度大于2的结点。
• 左子树和右子树是有顺序的，次序不能任意颠倒。
• 从根节点出发，左子树都是比根节点小的，而右子树都是比根节点大的。

? 因此对于较平衡的二叉树的查找性能，是几乎接近于二分查找的，但是如果存入的数据都比根节点小，或者都比根节点大，则会出现以下情况。

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? 这两种情况分别是左斜树和右斜树，上述情况毫无疑问在二叉树搜索时，效率是非常低的。因为它已经失去了树的结构，不管是查询节点，还是添加删除等，都是对每个节点依次遍历，直到查出目标节点为止。

? 另外还有一点也是很重要，如果二叉树的字节点或多，一百万，一千万，甚至上亿数据。对于较大数据量的二叉树，会将其保存在磁盘中，那么问题来了。如果要查询的数据在树的底层，那么就势必会造成多次的磁盘IO，而磁盘IO的读取比内存读取的速度要低100倍左右。这种情况下，不管是从性能来说，还是效率这都不是一个好的结果。

? 接着再说B-Tree结构，是二叉树的一种升级版。

三，B-Tree

? B树又被成为平衡多路查找树。

• 树中每个结点最多含有m个节点（且m>2）。
• 除根结点和叶子结点外，其它每个结点至少有[m / 2，m]个孩子。
• 若根结点不是叶子结点，则至少有2个孩子（特殊情况：整棵树只有一个根节点）。
• 所有叶子结点都出现在同一层。

? 在B-Tree或者B+Tree中，都会存在一个关于度的概念，也就是上面提到的m值。什么是度，可以说是我们自定义的一个阈值，当节点数量达到这个阈值时，树的结构便会发生变化，此时便转变成B-Tree结构。

? 现在，设定度(m)为3，首先我们先插入两个节点：

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? 发现在B树结构中，当插入9节点时，并没有成为8节点的右子树，这是为什么。首先在于这就是B树的结构特点，没有成为8节点的右子树是不是就减少了树的层级深度。其次就是我们设定B树的度为3，接着将再添加10节点，看有什么变化。

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? 这个时候已经达到最大值3，那么根据二叉树的结构特点，将9提升为根节点，8和10分别为9的左右子节点。

? 继续添加6

? 添加11

? 添加15

? 分析：

? 1，当添加11完成时，叶子节点全部都达到了度为2，而添加15时，由于比根节点9大，所以添加到右子树中。则右子树变成0010，0011，0015。显然达到我们设定的阈值，根据以上规则，将0011提升为根节点。

? 2，从图中可以看出，9的左边都是比根节点小，9到11之间都是大于9小于11的，最后11的右边都是大于11的。

? 3，最后我们再添加5，我们先来分析下结构会如何变化，5小于9，所以会在左边，变成005，006，008，这个时候节点数量变成3，根据规则006应该提升为根节点。但是根节点又会变成006，009，0011，同样达到阈值，那么将009再提升为根节点。最终结果如图：

? 以上就是B-Tree的原理总结，那么这与二叉树有什么区别呢。最直观的就是树的层级变少了，同样也不会出现左右斜树的情况。

在InnoDB存储引擎中有页（Page）的概念，页就是磁盘管理的最小单位。InnoDB存储引擎中默认每个页的大小为16KB。并且可通过参数innodb_page_size将页的大小设置为4K、8K、16K。

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? 在B-Tree中，每个节点都会携带一个key信息，用于保存该数据在表中的位置，同时也会将数据保存到节点中。当节点不是叶子节点时，父节点会携带对象的指针指向其子节点在磁盘中的位置。根据磁盘存储的页大小，如果每个叶子节点都携带较多的信息，那么在磁盘中占用的空间资源也会越多。显然这不是一个好的现象，因此就出现B-Tree的优化版，B+Tree。

四，B+Tree

? InnoDB存储引擎就是用B+Tree实现其索引结构。

? 在B+Tree结构中，每一层非叶子节点只存储key值信息，而叶子节点只存放数据信息。这种结构不仅节省磁盘的空间，对节点的查询效率也大大提高了很多。

? 除此之外，非叶子节点的key最终会全部出现在叶子节点上， 这么说很抽象，请看演示效果。

? 首先添加7，8两个节点。

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? 接着添加9节点。

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? 同样度达到了3，将8提升为根节点。但是与B-Tree不同的是，在叶子节点中也存在8节点，这就是B+Tree结构的特点，然后再添加10节点。

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? 以此类推，在最后的叶子节点中，整个树中的key都在存在，那么这与B-Tree有什么区别呢。每个节点中没有数据存储，只有key值信息，在磁盘中会存储更多的数据。

五，总结

? 思考一个问题：

? 对于查询效率最快的数据结构，哈希表的效率要比树状结构快的多，那么MySQL存储引擎为什么不采用哈希表结构存储数据，原因就是哈希表是不能进行范围查找。

? 本篇博客并没有讲述对索引使用的优化，只系统阐述了MySQL索引的底层机制，那么使用索引优化，查询优化，库表结构优化会在最后一篇博客中全部分享完。

? 以上内容均是自主学习总结，如有错误欢迎留言指正。

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