mysql的查询需要遍历几次B+树，理论上需要几次磁盘I/O？
文章目录
- 一、前言
- 二、遍历B+树的次数
- 三、聚集索引和非聚集索引执行一次sql的io次数
- 四、引申问题
- 五、总结
一、前言
这个问题是博主去年面试的时候被大佬问过的问题，当时也不大清楚里面的原理，硬着头皮回答的，当然，最终面试也没过，哈哈。最近刚好研究了这块的一些东西，就有种恍然大悟的感觉，这里分享给大家，欢迎拍砖~
二、遍历B+树的次数
首先，既然问题是一次查询，那我们肯定是要知道mysql使用的存储引擎是哪个，要根据存储引擎的不同判断索引的结构，然后通过索引的B+树来回答这些问题。
MySQL中MyISAM和InnoDB的索引方式以及区别与选择
1、mysql的innodb引擎的聚集索引和非聚集索引
网上看到很多资料，有的叫innodb的索引为聚集索引，有的叫做聚簇索引，其实都是一样的，只是在翻译过来了时候命名产生了分歧，聚簇（集）索引的叶子节点就是数据节点，而非聚簇（集）索引的叶子节点仍然是索引节点，只不过有指向对应数据块的指针。非聚簇（集）索引在innodb引擎中，又叫做二级索引，辅助索引等。
2、分别遍历了几次B+树
主键索引从上至下遍历一次B+树，直到找到具体的主键，拿到叶子结点存储的数据。
二级索引需要遍历两次B+树，第一次遍历是找到对应的主键，第二次遍历是根据主键找到具体的数据。
比如查询二级索引的sql，先通过遍历二级索引的B+树来找到对应的主键，然后回表即通过主键遍历聚集索引B+树，拿到具体的数据。（PS：mysql里面每次新建索引都会生成新的B+树，这也是索引文件会随着索引字段不断增加的原因）
这部分是要参照索引的图来的，如图：
（1）主键索引（聚集索引）
（2）辅助索引（二级索引）
3、回表的概念
回表就是通过辅助索引拿到主键id之后，要再去遍历聚集索引的B+树，这个过程就叫做回表。回表的操作更多的是随机io,随机io在性能上还是比较低下的，例如：
比如user表中有三个字段，a,b,c，给a和b建立联合索引idex_a_b（a,b）
sql：select * from user where a=1 and b=2;
（1）首先是用二级索引index_a_b来查询，速度会很快。（顺序IO）
（2）拿到主键id之后，这个主键id并不是顺序排列的，还要用主键去查询聚簇索引（随机io）
（3）当随机io很多，也就是拿到的主键id很多的时候，回表的代价是巨大的。
所以最好是选用覆盖索引或者让where 之后的条件筛选更多的数据
三、聚集索引和非聚集索引执行一次sql的io次数
1、聚集索引
大致步骤如下：
（1） 数据量小的话，直接把索引放到内存中，内存的O(logn)消耗是远远低于磁盘io的,所以可以忽略不计
（2） 数据量大的话，采用索引结构，我们这部分先从二叉树说起，对于普通二叉树，第一个步骤是二分，每次判断都是一次半数的数量级检索。假如有100W的数据，大概的时间复杂度是：log2N=1000000即N=20的节点获取，也就是磁盘I/O复杂度最大为O(20)，二分的时间复杂度是O(log2N)。
（3） 但是对于数据库来说，存储场景会更加复杂，二叉树的性能虽然好，但我们还是想要树的高度更低一些，存储的数据更多一些。因此mysql引入了B+树的概念。除了根节点之外，第二层级的数量得到了充分的扩展，相对于普通的二叉树，B+树的结构更加庞大又不失美感，假设叶节点不同元素占用情况为：左右指针各占4Byte，id值8Byte，目标记录指针4Byte，那么一个4Kb的磁盘块将大致可以容纳250个下级指针，100万行目标记录只需log250N=1000000即N=3的I/O次数，充分提升了每次节点I/O带来的检索效用，时间复杂度是O（lognN）,这里的n是非叶子结点的个数。（PS：实际上innodb的数据页大小是16kb，这个n会更大，那么对应的，io次数也会更少）
（4） 在实际的查询中，IO次数可能会更小，因为有可能会把部分用到的索引读取到内存中，相对于磁盘IO来说，内存的io消耗可以忽略不计。一般来说B+Tree的高度一般都在2-4层，MySQL的InnoDB存储引擎在设计时是将根节点常驻内存的，也就是说查找某一键值的行记录时最多只需要1~3次磁盘I/O操作（根节点的那次不算磁盘I/O）。
关于二分，我们假设有50W数据，下面看一下效果
1 50W
2 25W
3 12.5W
4 6W
5 3W
6 1.5W
7 7000
8 3500
9 1800 //第9次的时候，数据范围就已经很小了，当然，它的效率还不够高，但是比遍历所有数据要快多了
根据以上的解释，我们可以知道聚集索引的磁盘IO次数大概是1-3次，这一切都是因为高效的B+树。如果大家也碰到类似的问题，就照着上面一顿胡扯，绝对很稳了。
2、辅助索引
（1） 参考上面对于B+树的解释，辅助索引获取主键的时间复杂度是 lognN（假设第二层级是n个节点）
（2） 再通过lognN获取主键对应的数据列
参考：https://juejin.im/post/5b4f710be51d45195c073912 （io解释）
四、引申问题
在进行相关测试的时候，可能会因为一部分索引放到了内存，从而造成一定的误差。因此咱们这边就来探讨探讨，这个放进内存的索引有多大。
1、多大的索引数据可以放到内存中？
（1） 要参照自己的mysql设置，一般是innodb_buffer_pool_size的值，这个值默认是128M，具体的要根据机器的性能设置。
关于Innodb_buffer_pool_size：《深入浅出MySQL》一文中这样描述Innodb_buffer_pool_size：
该参数定义了 InnoDB 存储引擎的表数据和索引数据的最大内存缓冲区大小。和 MyISAM 存储引擎不同，
MyISAM 的 key_buffer_size只缓存索引键， 而 innodb_buffer_pool_size 却是同时为数据块和索引块做缓存，
这个特性和 Oracle 是一样的。这个值设得越高，访问 表中数据需要的磁盘 I/O 就越少。在一个专用的数据库
服务器上，可以设置这个参数达机器 物理内存大小的 80%。尽管如此，还是建议用户不要把它设置得太大，
因为对物理内存的竞 争可能在操作系统上导致内存调度。
（2） 内存缓冲区主要包含
上面第一条提到的内存缓冲区主要包括：数据缓存（innodb的行数据），索引数据，缓冲数据（在内存中修改尚未刷新(写入)到磁盘的数据），内部结构（自适应哈希索引，行锁等。）
（3） 所以说，放到内存中的索引大小，和这些配置息息相关，当索引在内存中的时候，自然是用不到磁盘io的
具体参考：https://www.cnblogs.com/wanbin/p/9530833.html
2、mysql一次普通查询经过的步骤
从查询过程上看，大致步骤是：
1 查看缓存中是否存在id，
2 如果有 则从内存中访问，否则要访问磁盘，
3 并将索引数据存入内存，利用索引来访问数据,
4 对于数据也会检查数据是否存在于内存，
5 如果没有则访问磁盘获取数据，读入内存。
6 返回结果给用户。
实际查询中，索引可能会有部分是在内存的，所以理论始终是理论，实际情况下还是很复杂的，要根据实际的情况分析。
五、总结
写完博客之后，越发感觉到自己的才疏学浅。对于mysql来说，这些本来就都是基础知识，但我到现在才算明白了一点点。而且这一点点也许还不够准确，实在是让人绝望呢。翻看mysql的手册，上面有很多介绍，也有很多配置项都没有用过，各位且学且珍惜吧。
手册链接奉上： https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-restrictions.html
对了，如果各位看到这篇文章有什么见解，一定要留言讨论下，都是求学之人，互相请教学习！
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