MySQL索引浅析

引言

索引可以提高数据的查询速度，它好比一本书的目录，通过目录我们可以快速找到需要的内容。在MySQL中，索引是在存储引擎层实现的，所以并没有统一的索引标准，即不同存储引擎的索引的工作方式并不一样。而即使多个存储引擎支持同一种类型的索引，其底层的实现也可能不同。由于InnoDB存储引擎在MySQL数据库中使用最为广泛，因此以InnoDB存储引擎为例，分析其索引模型。

InnoDB 的索引模型

在InnoDB中，表都是根据主键顺序以索引的形式存放的，这种存储方式的表称为索引组织表。同时，InnoDB使用了B+树索引模型，所以数据都是存储在B+树中的，每一个索引在InnoDB里面都对应一棵B+树。

假设，有如下结构的数据表T，其中ID为主键，k上有索引

create table T(
ID int primary key, 
k int not null, 
name varchar(16),
index (k))engine=InnoDB;

T表中中有5条记录R1~R5，其(ID,k)值分别为(100,1)、(200,2)、(300,3)、(500,5)和(600,6)，T表对应的两棵树的示例示意图如下。

根据叶子节点的内容，索引类型分为主键索引和非主键索引。

主键索引的叶子节点存的是整行数据。在InnoDB里，主键索引也被称为聚簇索引（clustered index）。

非主键索引的叶子节点内容是主键的值。在InnoDB里，非主键索引也被称为二级索引（secondary index）

T表中ID为主键索引，k为非主键索引。

根据上面的索引结构说明，我们来讨论一个问题：基于主键索引和普通索引的查询有什么区别？

• 如果语句是select * from T where ID=500，即主键查询方式，则只需要搜索ID这棵B+树；
• 如果语句是select * from T where k=5，即普通索引查询方式，则需要先搜索k索引树，得到ID的值为500，再到ID索引树搜索一次。这个过程称为回表。

也就是说，基于非主键索引的查询需要多扫描一棵索引树。因此，我们在应用中应该尽量使用主键查询。

索引维护

B+树为了维护索引有序性，在插入新值的时候需要做必要的维护。以上面这个图为例，如果插入新的行ID值为700，则只需要在R5的记录后面插入一个新记录。如果新插入的ID值为400，就相对麻烦了，需要逻辑上挪动后面的数据，空出位置。

而更糟的情况是，如果R5所在的数据页已经满了，根据B+树的算法，这时候需要申请一个新的数据页，然后挪动部分数据过去。这个过程称为页分裂。在这种情况下，性能自然会受影响。

除了性能外，页分裂操作还影响数据页的利用率。原本放在一个页的数据，现在分到两个页中，整体空间利用率降低大约50%。

当然有分裂就有合并。当相邻两个页由于删除了数据，利用率很低之后，会将数据页做合并。合并的过程，可以认为是分裂过程的逆过程。

基于上面的索引维护过程说明，我们来讨论一个案例：

你可能在一些建表规范里面见到过类似的描述，要求建表语句里一定要有自增主键。当然事无绝对，我们来分析一下哪些场景下应该使用自增主键，而哪些场景下不应该。

自增主键是指自增列上定义的主键，在建表语句中一般是这么定义的： NOT NULL PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT。

插入新记录的时候可以不指定ID的值，系统会获取当前ID最大值加1作为下一条记录的ID值。

也就是说，自增主键的插入数据模式，正符合了我们前面提到的递增插入的场景。每次插入一条新记录，都是追加操作，都不涉及到挪动其他记录，也不会触发叶子节点的分裂。

而有业务逻辑的字段做主键，则往往不容易保证有序插入，这样写数据成本相对较高。

除了考虑性能外，我们还可以从存储空间的角度来看。假设你的表中确实有一个唯一字段，比如字符串类型的身份证号，那应该用身份证号做主键，还是用自增字段做主键呢？

由于每个非主键索引的叶子节点上都是主键的值。如果用身份证号做主键，那么每个二级索引的叶子节点占用约20个字节，而如果用整型做主键，则只要4个字节，如果是长整型（bigint）则是8个字节。

显然，主键长度越小，普通索引的叶子节点就越小，普通索引占用的空间也就越小。

所以，从性能和存储空间方面考量，自增主键往往是更合理的选择。

有没有什么场景适合用业务字段直接做主键的呢？还是有的。比如，有些业务的场景需求是这样的：

1. 只有一个索引；
2. 该索引必须是唯一索引。

这就是典型的KV场景。由于没有其他索引，所以也就不用考虑其他索引的叶子节点大小的问题。

这时候我们就要优先考虑上一段提到的“尽量使用主键查询”原则，直接将这个索引设置为主键，可以避免每次查询需要搜索两棵树。

索引覆盖

假设有如下结构的表T

create table T (
ID int primary key,
k int NOT NULL DEFAULT 0, 
s varchar(16) NOT NULL DEFAULT '',
index k(k))
engine=InnoDB;

insert into T values(100,1, 'aa'),(200,2,'bb'),(300,3,'cc'),(500,5,'ee'),(600,6,'ff'),(700,7,'gg');

T表的索引树示意图如下

 

执行 select * from T where k between 3 and 5 语句，则该语句的执行过程如下

1. 在k索引树上找到k=3的记录，取得 ID = 300；

2. 再到ID索引树查到ID=300对应的R3；

3. 在k索引树取下一个值k=5，取得ID=500；

4. 再回到ID索引树查到ID=500对应的R4；

5. 在k索引树取下一个值k=6，不满足条件，循环结束。

这个查询过程读了k索引树的3条记录（步骤1、3和5），回表了两次（步骤2和4）。

在这个例子中，由于查询结果所需要的数据只在主键索引上有，所以不得不回表。为了提高查询性能，可以使用索引覆盖来避免回表，减少查询所需要的磁盘IO次数。

如果执行的语句是select ID from T where k between 3 and 5，这时只需要查ID的值，而ID的值已经在k索引树上了，因此可以直接提供查询结果，不需要回表。也就是说，在这个查询里面，索引k已经“覆盖了”我们的查询需求，我们称为覆盖索引。

覆盖索引可以减少树的搜索次数，显著提升查询性能，所以使用覆盖索引是一个常用的性能优化手段。

例如有如下结构的表tuser

CREATE TABLE `tuser` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `id_card` varchar(32) DEFAULT NULL,
  `name` varchar(32) DEFAULT NULL,
  `age` int(11) DEFAULT NULL,
  `ismale` tinyint(1) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB

其中id_card表示居民身份证号，name为居民姓名，假设业务系统中有一个高频请求，要根据市民的身份证号查询他的姓名，那么可以考虑在tuser表中建立（id_card，name）联合索引，这样直接查询该联合索引树便可以得到查询结果，不再需要回表查整行记录，减少语句的执行时间。当然，索引字段的维护总是有代价的。因此，在建立冗余索引来支持覆盖索引时需要权衡考虑。

最左前缀原则

基于B+树的索引结构，可以利用索引的“最左前缀”，来定位记录。我们以上述tuser表为例，假设该表中存在（name,age）联合索引，则该索引示意图如下：

可以看到，索引项是按照索引定义里面出现的字段顺序排序的。

当业务逻辑需求是查到所有名字是“张三”的人时，可以快速定位到ID4，然后向后遍历得到所有需要的结果。如果要查的是所有名字第一个字是“张”的人，SQL语句的条件是"where name like ‘张%’"。这时，也能够用上这个索引，查找到第一个符合条件的记录是ID3，然后向后遍历，直到不满足条件为止。

可以看到，不只是索引的全部定义，只要满足最左前缀，就可以利用索引来加速检索。这个最左前缀可以是联合索引的最左N个字段，也可以是字符串索引的最左M个字符。

基于上面对最左前缀索引的说明，我们来讨论一个问题：在建立联合索引的时候，如何安排索引内的字段顺序。

这里我们的评估标准是，索引的复用能力。因为可以支持最左前缀，所以当已经有了(a,b)这个联合索引后，一般就不需要单独在a上建立索引了。因此，第一原则是，如果通过调整顺序，可以少维护一个索引，那么这个顺序往往就是需要优先考虑采用的。

那么，如果既有联合查询，又有基于a、b各自的查询呢？查询条件里面只有b的语句，是无法使用(a,b)这个联合索引的，这时候你不得不维护另外一个索引，也就是说你需要同时维护(a,b)、(b) 这两个索引。

 索引下推

我们仍以tuser表为例进行说明，该表中存在（name,age）联合索引，执行如下查询语句

select * from tuser where name like '张%' and age=10 and ismale=1;

该语句在执行时会搜索（name,age）索引树，根据name like '张%'条件找到找到第一个满足条件的记录ID3，然后判断其他条件是否满足

在MySQL 5.6之前，只能从ID3开始一个个回表。到主键索引上找出数据行，再对比字段值。执行流程图如下

图中，每一个虚线箭头表示回表一次，这个过程InnoDB并不会去看age的值，只是按顺序把“name第一个字是’张’”的记录一条条取出来回表。因此，需要回表4次。

而MySQL 5.6 引入的索引下推优化（index condition pushdown)， 可以在索引遍历过程中，对索引中包含的字段先做判断，直接过滤掉不满足条件的记录，减少回表次数。其执行流程图如下

两者的区别是，InnoDB在(name,age)索引内部就判断了age是否等于10，对于不等于10的记录，直接判断并跳过。在我们的这个例子中，只需要对ID4、ID5这两条记录回表取数据判断，就只需要回表2次。

参考资料：MySQL实战45讲.林晓斌