InnoDB索引优化

InnoDB索引优化

MySQL架构

MySQL可以分为 Server 层和存储引擎层。
Server 层包括连接器、查询缓存、解析器、优化器和执行器等，涵盖了 MySQL 大多数核心服务功能。
存储引擎层负责数据的存储和提取。其架构模式是插件式的，支持 InnoDB、MyISAM、Mermory 等多个存储引擎。

MySQL如何工作
连接器
当你在客户端输入 mysql –u $user –p $pwd 连接 mysql 的时候，接待你的就是连接器。连接器的作用就是和客户端建立连接、获取权限、维持和管理连接。
查询缓存
建立连接后，就可以执行select语句了。首先MySQL会去查看查询缓存，看下之前是否已经执行过这条查询语句。如果命中缓存，就直接返回。否则就扔给解析器。
解析器
MySQL需要知道你想做什么，因此我们就来到了解析器。解析器会做词法分析和语法分析。词法分析主要是分析每个词的含义，语法分析会判断你写的 SQL 语句是否满足 SQL 语法。
优化器
经过解析器，MySQL就知道你想做什么了。但是在开始执行之前，还需要经过优化器的处理。优化器会优化你的SQL语句。生成最终的执行方案 (execution plan)。然后进入执行器阶段。
执行器
执行器首先会判断你对这张表有没有相应的权限。如果没有，就报错。如果有，就调用相应的存储引擎接口，执行语句。然后将结果集返回给客户端。

存储引擎

数据的存储和提取是由存储引擎负责的，它负责和文件系统打交道。

MySQL 的存储引擎是插件式的。不同的存储引擎支持不同的特性。

选择合适的存储引擎对应用非常重要 。

# 查看MySQL支持哪些存储引擎
SHOW ENGINES;

# 查看默认存储引擎
SHOW VARIABLES LIKE ‘%storage_engine%’;

# 查看某张表的存储引擎
SELECT ENGINE FROM information_schema.TABLES
WHERE TABLE_SCHEMA='$db'
AND TABLE_NAME='$table';

MyISAM
MySQL 5.5 之前默认的存储引擎。

特点：

a. 查询速度很快
b. 支持表锁
c. 支持全文索引
d. 不支持事务

使用 MyISAM 存储表，会生成三个文件.

.frm # 存储表结构，是任何存储引擎都有的
.myd # 存放数据
.myi # 存放索引

索引和数据是分开存放的，这样的索引叫非聚集索引。

*InnoDB
MySQL 5.5 以及以后版本默认的存储引擎。没有特殊应用，Oracle官方推荐使用InnoDB 引擎。

特点：

a. 支持事务
b. 支持行锁
c. 支持MVCC
d. 支持崩溃恢复
e. 支持外键一致性约束

使用 InnoDB 存储表，会生成两个文件.

.frm # 存储表结构，是任何存储引擎都有的
.ibd # 存放数据和索引

索引和数据存放在一起，这样的索引叫聚集索引。

Memory

特点：

a. 所有数据都存放在内存中，因此数据库重启后会丢失
b. 支持表锁
c. 支持Hash和BTree索引
d. 不支持Blob和Text字段

Memory由于数据都放在内存中，以及支持Hash索引，它的查询速度是最快的。

一般使用 Memory 存放临时表。

临时表：在单个连接中可见，当连接断开时，临时表也将不复存在。

磁盘IO原理

磁盘上的数据可以用一个三维地址标识: 柱面号, 盘号, 块号(磁道上的扇区)

读/写数据的步骤：

1. 移动磁头到指定的柱面号，这个过程被称为定位或查找。
   由于是机械移动, 这部分耗时最高, 最大可达 0.1s.

2. 根据盘面号确定从哪个磁盘读取数据

3. 盘组开始旋转，将指定的块号移动到读/写头下
   磁盘旋转的速度很快, 一般为7200rpm。旋转一圈大约需要 0.0083s.

4. 读写数据
   数据通过系统总线传送到内存。一般传输一个字节大概需要 0.02us.
   读写 4KB 大约需要 80us.

磁盘读取数据是以盘块(block)为单位的, 一般为4KB。位于同一盘块的所有数据会被一次性全部读取出来。磁盘IO的代价主要花费在第 1 步。

结论：IO的速度是很慢很慢的，我们应该尽量少地读写磁盘！

数据页格式

页是 InnoDB 磁盘管理的最小单位。在 InnoDB 存储引擎中, 页默认大小为16KB。
可以通过参数 innodb_page_size 将页的大小设置为 4K、8K 和 16K。

InnoDB 每次至少会将 1 个页的数据从磁盘读取到内存，每次至少也会将 1 个页的数据从内存写到磁盘。

在InnoDB存储引擎中，有很多种页类型。其中最重要的是数据页，也叫 B-tree Node。里面存储了索引和数据的信息。

File Header
主要存储表空间相关信息

Page Header
主要存储数据页的元信息

Infimum + Supremum Records
每个数据页中有两个虚拟行记录用来限定记录的边界，infimum record 是数据页上最小的记录，supremum record 是数据页上最大的记录。

User Records
用户数据，实际存储的行记录。

Free Space
空闲空间。

Page Directory
页目录，存放了记录的相对位置。

File Trailer
位于数据页的最后，用来检测页是否完整地写入磁盘。

行记录是用链表形式组织的，最小最大记录相当于两个哨兵。Page Directory是一个数组，里面包含很多指向记录的指针(又叫 Slot)，S0指向最小记录的链表, Sn指向最大记录的链表。S1 ~ Sn-1 的每条链的长度范围为 [4, 8]。

File Header 里面有两个字段：FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 用来表示上一个页和下一个页，因此，页与页之间是用双链表链接的。页内的记录是由单链表从大到小依次链接的。

索引

索引：在 MySQL 中也叫做键 (key)，是存储引擎用于快速找到记录的一种数据结构。

哪些数据结构可以作为索引？
有序数组
哈希表 (hash索引)
平衡二叉树
B树
B+树
能够快速查找的数据结构都可以作为索引。

能够讲讲作为索引时，各个数据结构的优缺点吗？

• 有序数组：等值查找，区间查找都比较块。但是增删需要移动大量的元素，会很慢。

• 哈希表：增加、删除，等值查询都很快。但是区间查找，排序等操作会很慢。

• BST索引：
  不管是，增加，删除，还是等值查找，时间复杂度都是O(logn)，n 是数据页的数目。
  并且支持范围查找。
  但是当数据量比较大，页的数目很多时，二叉树的高度会比较高。IO 的次数会比较多。
  查找效率低。

• B树索引：
  B 树,它是一颗多路平衡查找树。我们描述一颗 B 树时需要指定它的阶数，阶数表示了一个结点最多有多少个孩子，一般用字母m表示。一颗m阶的B树定义如下：

  1. 除根结点外，每个结点最多有m-1个关键字， 至少有 ceil(m/2) – 1个关键字。
  2. 根结点可以只有1个关键字，最多只有 m-1 关键字。
  3. 每个结点中的关键字都按照从小到大的顺序排列，每个关键字的左子树中的所有关键字都小于它，而右子树中的所有关键字都大于它。
  4. 所有叶子结点都位于同一层，或者说根结点到每个叶子结点的路径长度都相同。

​ B树索引和数据是一起存放的。

​ 缺点：a. 一行记录的数据很多时，比如1K。b. 范围查找。

• B+树索引
  B+ 树是在B树上做了些改进。一棵 m 阶的 B+ 树定义如下：

1. B+树包含2种类型的结点：内部结点 (也称索引结点) 和叶子结点。根结点即可以是内部结点，也可以是叶子结点。根结点的关键字个数可以只有1个。

2. B+树与B树最大的不同是内部结点不保存数据，只保存关键字，所有数据 (记录) 都保存在叶子结点中。

3. m阶B+树表示了内部结点最多有m个关键字。至少有 ceiling(m/2)个关键字。

4. 内部结点中的key都按照从小到大的顺序排列，叶子结点中的记录也按照key的大小排列。

5. 每个叶子结点都存有相邻叶子结点的指针，叶子结点依关键字大小依次链接。

B+ 树由于内部节点只存储索引，因而每个节点可以有很多很多关键字。这样不管一行记录的数据大小，都可以保证树的高度很低。
而且由于叶子节点是由链表按大小依次连接的 (在InnoDB 中是双链表)。范围查找的时候，也可以避免过多的IO次数。

索引的好处与坏处

好处
提高数据检索的效率，降低数据库的IO成本。
a. 查找
b. 排序
c. 分组
d. 表的连接

坏处
a. 占用额外的空间。有时候索引占用的空间甚至比数据占用的空间还多。
b. 虽然索引大大提高了查询的速度，但同时也降低了更新表的速度。因为数据库不仅仅要更新数据，还要更新对应的索引信息。

PS：索引不是越多越好！索引太多，应用程序的性能可能会受到影响; 索引太少，查询速度会变慢。我们应该建立合适的索引，找到一个平衡点！

InnoDB索引

• B+ 树索引
  InnoDB 中的 B+ 树索引又可以分为聚集索引 (clustered index) 和 辅助索引 (secondary index)。它们之间的不同在于，聚集索引的叶子节点存储的是一整行记录的信息，而辅助索引的叶子节点只存放部分信息 (关键字和主键)。
• 全文索引
  全文索引是搜索关键字的，类似于搜索引擎。
• 哈希索引
  哈希索引是自适应的，我们不能自己创建。

B+树索引

• 聚集索引
  聚集索引就是按照每张表的主键构建一棵 B+ 树，同时叶子节点中存放的是整张表的行记录数据。
  聚集索引的叶子节点其实就是我们前面讲过的数据页。
  在InnoDB中, 记录只能存放在聚集索引中，所以每张表有且只有一个聚集索引。在大多数情况下，查询优化器倾向于采用聚集索引。
  Q：如果一张表中没有主键，该怎么办呢？
  找第一个定义的唯一键去构建聚集索引。
  Q：如果没有定义唯一键，又该怎么办呢？
  Innodb会提供隐藏的主键，根据隐藏的主键去构建聚集索引。
  PS：所以，建议创建表的时候一定要创建主键。
• 辅助索引
  对于辅助索引，叶子节点不包含行记录的全部数据，叶子节点除了包含键以外，还包含聚集索引的键，也就是主键的信息。
  辅助索引的存在并不影响数据在聚集索引中的组织，因此每张表可以有多个辅助索引。
• Q：有一张公民表，有身份证号码、姓名、年龄、性别…等信息，我们知道公民的身份证号码是唯一并且非空的，那么用身份证号码当主键好吗？
  不好，身份证是以字符串形式存储，辅助索引每一个叶子节点除了包含键还有主键，造成数据冗余

语法

创建：

创建表的时候指定。会自动给 primary key 和 unique 创建索引。

CREATE [UNIQUE] INDEX 索引名 ON 表名(字段列表);

ALTER 表名 ADD [UNIQUE] INDEX 索引名 (字段列表);

删除：

DROP INDEX 索引名 ON 表名;

查看：

SHOW INDEX FROM 表名;

回表

当通过辅助索引来寻找数据的时候，InnoDB会遍历辅助索引，并通过辅助索引的叶子节点，获取主键。然后再通过聚集索引来找到一个完整的行记录。这个过程我们称之为回表（遍历过程：辅助索引—>聚集索引）。

如果一个辅助索引的高度为3，聚集索引的高度为3。那么我们需要6次IO操作，才可以访问最终的数据。应该尽量避免回表！

Explain

查询优化器：通过计算分析系统收集的统计信息，提供它认为最优的执行计划(execution plan)。

explain：查看这个执行计划的信息。

语法：explain + select 语句

例子：explain select * from t;

我们发现explain的结果有以下列的信息：
id, select_type, table, partitions, type, possible_keys, key, ken_len, ref, rows, filtered, Extra

• id: 每个 select 子句的标识。

• select_type: select 语句的类型。simple, primary, union, subquery, derived。

• table:显示这一行的数据是关于哪张表的。

• partitions: 匹配的分表。

• type: 连接类型，又叫 “访问类型”。
  常用类型有：ALL, index, range, ref, eq_ref, const, system, NULL(从左到右，性能越来越好)

• possible_keys：可以选择的索引。

• key: 实际选择的索引。

• key_len: 使用索引的长度 (以字节为单位)。

• ref: 与索引比较的字段

• rows: 大概要检索的行数

• Extra: 额外信息。

  • using filesort: MySQL中无法利用索引完成的排序操作称为 ”文件排序”，常见于排序和分组查询。
  • using temporary: 表示MySQL需要使用临时表来存储结果集，常见于排序和分组查询。
  • using filesort 和 using temporary, 这两项比较耗时, 需要特别小心。

联合索引

联合索引是指对表的多个列进行索引。前面的讨论的都是只对表上的一个列进行索引。类比于多个字段作为主键。

联合索引的创建方法和单个索引创建的方法一样，不同之处仅在于有多个索引列。

联合索引有什么好处？

• 减少开销(每多一个索引，都会增加磁盘空间的开销)
• 键是已经排好序的（查询优化器选择联合索引，因为记录已经根据键排好序）
• 可能会覆盖索引，直接通过遍历索引取得数据，无需回表

最左前缀原则
B+ 树这种数据结构，可以利用索引的 ”最左前缀” 来定位记录。最左前缀原则指索引项是按照索引定义里面出现的字段顺序排序的，只要查询的是索引项的最左字段（相同则查询下一字段），就可以利用联合索引来加速检索。这里需要注意的是，如果直接查询后面的字段，索引根据最左字段排序，但实际上后面的字段是无序的

覆盖索引

InnoDB 存储引擎支持覆盖索引 (covering index)，即从辅助索引中就可以得到要查询的信息，而不需要回表。

使用覆盖索引的好处是，覆盖索引不包含整行记录的信息，故其大小一般情况下远小于聚集索引，因此可以减少大量的 IO 操作。

对于辅助索引而言，其叶子节点包含主键信息。

何时创建索引

• 主键和唯一键会自动创建索引，外键要求必须是primary key 或者 unique。

• 频繁作为查询条件的字段应该创建索引。

• 与其他表关联的字段应该创建索引。

• 查询中用于经常用于排序的字段。

• 查询中经常用于分组的字段。

何时不创建索引

• 表的记录太少

• 经常更新的表

• 数据字段中包含太多的重复值，比如国籍，性别等字段。

索引失效的情况

• 对索引列进行运算
• 对索引进行不等于判断
• 范围查找过大

实践策略

• 尽量使用覆盖索引, 比如尽量不要使用 select *。

• 尽量使用最左前缀法则

• 不要在索引列上做运算

• 范围查找尽量不要太大

• 尽量不要使用不等于