Mysql进阶优化篇02——索引失效的10种情况及原理

前 言
作者简介：半旧518，长跑型选手，立志坚持写10年博客，专注于java后端
专栏简介：mysql基础、进阶，主要讲解mysql数据库sql刷题、进阶知识，包括索引、数据库调优、分库分表等
文章简介：本文将介绍索引失效的10种情况及原理，绝对不需要死记硬背，建议收藏备用。
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1️⃣ 数据库调优的场景

上一篇mysql进阶优化篇，我们介绍了数据库的性能分析工具，知道了怎么发现数据库的性能问题，这一篇博客我们将介绍索引失效的10种情况及原理

先来了解下可能需要进行数据库优化的场景。

• 索引失效(按准则编写、调整sql)
• 没有充分利用到索引(建立索引)
• 关联查询太多的JOIN(JOIN查询性能与表的数目成指数相关，一般不超过三张，否则需要进行sql优化或者进行反范式化设计，增加必要的冗余)
• 服务器调优与各个参数的设置，如缓存、线程数等(修改my.conf)
• 数据过高(已经在软件层面充分调优，但仍不能面对高并发场景，可以考虑分表分库分散服务器压力)

接下来我们介绍下sql查询优化。虽然sql查询优化技术很多，但是大致不离 物理查查询优化 和 逻辑查询优化 两大块。

• 物理查询优化：通过索引和表连接方式进行优化
• 逻辑查询优化：通过sql语句的等价代换，实现数据库查询的优化。

2️⃣数据准备

学员表插50万 条， 班级表插1万条。

(1)建表

#班级表
CREATE TABLE `class` (
`id` INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`className` VARCHAR(30) DEFAULT NULL,
`address` VARCHAR(40) DEFAULT NULL,
`monitor` INT NULL ,
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=INNODB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

#学员表
CREATE TABLE `student` (
`id` INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`stuno` INT NOT NULL ,
`name` VARCHAR(20) DEFAULT NULL,
`age` INT(3) DEFAULT NULL,
`classId` INT(11) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`)
#CONSTRAINT `fk_class_id` FOREIGN KEY (`classId`) REFERENCES `t_class` (`id`)
) ENGINE=INNODB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

(2)设置参数

命令开启：允许创建函数设置：

set global log_bin_trust_function_creators=1;   
# 不加global只是当前窗口有效。

(3)创建函数

保证每条数据都不同。

#随机产生字符串
DELIMITER //
CREATE FUNCTION rand_string(n INT) RETURNS VARCHAR(255)
BEGIN  
DECLARE chars_str VARCHAR(100) DEFAULT
'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFJHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
DECLARE return_str VARCHAR(255) DEFAULT '';
DECLARE i INT DEFAULT 0;
WHILE i < n DO 
SET return_str =CONCAT(return_str,SUBSTRING(chars_str,FLOOR(1+RAND()*52),1)); 
SET i = i + 1;
END WHILE;
RETURN return_str;
END //
DELIMITER ;

#假如要删除
#drop function rand_string;

随机产生班级编号

#用于随机产生多少到多少的编号
DELIMITER //
CREATE FUNCTION rand_num (from_num INT ,to_num INT) RETURNS INT(11)
BEGIN 
DECLARE i INT DEFAULT 0; 
SET i = FLOOR(from_num +RAND()*(to_num - from_num+1))  ;
RETURN i; 
END //
DELIMITER ;

#假如要删除
#drop function rand_num;

(4)创建存储过程

创建往stu表中插入数据的存储过程

#创建往stu表中插入数据的存储过程
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_stu(  START INT , max_num INT )
BEGIN 
	DECLARE i INT DEFAULT 0; 
	SET autocommit = 0;   #设置手动提交事务
	REPEAT  #循环
	SET i = i + 1;  #赋值
	INSERT INTO student (stuno, name ,age ,classId ) VALUES
	((START+i),rand_string(6),rand_num(1,50),rand_num(1,1000)); 
	UNTIL i = max_num 
	END REPEAT; 
	COMMIT;  #提交事务
END //
DELIMITER ;

#假如要删除
#drop PROCEDURE insert_stu;

创建往class表中插入数据的存储过程

#执行存储过程，往class表添加随机数据
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE `insert_class`( max_num INT )
BEGIN 
	DECLARE i INT DEFAULT 0; 
	SET autocommit = 0;  
	REPEAT 
	SET i = i + 1; 
	INSERT INTO class ( classname,address,monitor ) VALUES
	(rand_string(8),rand_string(10),rand_num(1,100000)); 
	UNTIL i = max_num 
	END REPEAT; 
	COMMIT;
END //
DELIMITER ;

#假如要删除
#drop PROCEDURE insert_class;

(5)调用存储过程

往class表添加1万条数据

#执行存储过程，往class表添加1万条数据 
CALL insert_class(10000);

往stu表添加50万条数据,这个时间会稍微有点长，请耐心等待哟。

#执行存储过程，往stu表添加50万条数据 
CALL insert_stu(100000,500000);

查询下数据是否插入成功。

SELECT COUNT(*) FROM class;
SELECT COUNT(*) FROM student;

(6)删除某表上的索引

创建删除索引存储过程。这是为了方便我们的学习，因为我们在演示某个索引的效果时，可能需要删除其它索引，如果需要一个个手工删除，就太费劲了。

DELIMITER //
CREATE  PROCEDURE `proc_drop_index`(dbname VARCHAR(200),tablename VARCHAR(200))
BEGIN
   DECLARE done INT DEFAULT 0;
   DECLARE ct INT DEFAULT 0;
   DECLARE _index VARCHAR(200) DEFAULT '';
   DECLARE _cur CURSOR FOR  SELECT  index_name  FROM
information_schema.STATISTICS  WHERE table_schema=dbname AND table_name=tablename AND
seq_in_index=1 AND  index_name <>'PRIMARY' ;
#每个游标必须使用不同的declare continue handler for not found set done=1来控制游标的结束
   DECLARE  CONTINUE HANDLER FOR NOT FOUND set done=2 ;   
#若没有数据返回,程序继续,并将变量done设为2
    OPEN _cur;
    FETCH _cur INTO _index;
    WHILE _index<>'' DO
       SET @str = CONCAT("drop index " , _index , " on " , tablename );
       PREPARE sql_str FROM @str ;
       EXECUTE sql_str;
       DEALLOCATE PREPARE sql_str;
       SET _index='';
       FETCH _cur INTO _index;
    END WHILE;
 CLOSE _cur;
END //
DELIMITER ;

执行存储过程(可以先保留不执行)

CALL proc_drop_index("dbname","tablename");

3️⃣索引失效的情况

这里我们以InnoDB的B+树的索引结构作为讲解的重点，讲解索引失效的案例(3.1讲解索引最佳的实践)。之所以会出现索引失效的情况，其实是因为我们的优化器经过了成本开销的计算，决定不用索引。用不用索引都是优化器说了算，Sql语句是否会使用索引，跟数据库版本、数据量和数据选择度都有关系。

3.1 全值匹配我最爱(索引最佳)

全值匹配可以充分的利用组合索引。

在没有建立索引时会进行数据查询速度会比较慢。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4 AND NAME = 'abcd';

SQL_NO_CACHE表示不使用查询缓存。

下图是在没有创建索引的情况下，第一条sql的执行效果。其查询时间是0.048s。

下面建立下索引。

CREATE INDEX idx_age ON student(age);

CREATE INDEX idx_age_classid ON student(age,classId);

CREATE INDEX idx_age_classid_name ON student(age,classId,NAME);

Q 上面三个索引有什么区别，为什么这么建立索引？
上面建立索引是与三条sql的使用场景对应的，遵守了全值匹配的规则，就是说建立几个复合索引字段，最好就用上几个字段。且按照顺序来用。

再次执行查询sql，就可以使用到索引idx_age。并且其查询耗时会变短为0.024s。

执行如下sql。选择的索引则是:idx_age_classid。思考下为什么？

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4;

这是因为我们在构建索引idx_age_classid的B+树时，会先按照age排序，在按照calssId排序，对于这个sql来说，更加高效。

但是上面的索引可能不生效哦，在数据量较大的情况下，我们进行全值匹配SELECT *，优化器可能经过计算发现，我们使用索引查询所有的数据后，还需要对查找到的数据进行回表操作，性能还不如全表扫描。这里我们没有造这么多数据，所以就不演示效果咯。

3.2 不遵守最左前缀匹配原则

运行如下sql。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age=30 AND student.name='abcd';

将使用索引idx_age。

下面的sql不会使用索引，因为我没没有创建classId或者name的索引。或者

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.classId=4 AND student.name='abcd';

Q:为什么不会使用idx_age_classid索引？
索引idx_age_classid的B+树会先使用age排序，在使用classId给age相同的数据排序，这个索引根本用不上哟。这就是下面的最左前缀原则。

在 MySQL 建立联合索引时会遵守最佳左前缀匹配原则，即最左优先，在检索数据时从联合索引的最左边开始匹配。

MySQL 可以为多个字段创建索引，一个索引可以包括 16 个字段，对于多列字段，过滤条件要使用所以那必须按照索引建立时的顺序，依次满足，一旦跳过某个字段，索引后面的字段都无法使用。如果查询条件中没有使用这些字段中的第一个字段时，多列索引不会被使用。

拓展：Alibaba《Java开发手册》
索引文件具有 B-Tree 的最左前缀匹配特性，如果左边的值未确定，那么无法使用此索引。

下面的sql查询就是遵守这一原则的正确打开方式。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age = 30 AND student.classId=4 AND student.name='abcd';

思考：下面sql会不会使用索引呢？

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.classId=4 AND student.age = 30 AND student.name='abcd';

答案是会！因为优化器会执行优化的哦，会调整查询条件的顺序。不过在开发过程中我们还是要保持良好的开发习惯哟。

思考：删去索引idx_age_classid和idx_age,只保留idx_age_classid_name

DROP INDEX idx_age_classid ON student;
DROP INDEX idx_age ON student;

执行如下sql，会不会使用索引？

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE  student.age = 30 AND student.name='abcd';

答案是会，但是只会用一部分。看看执行结果。

使用了idx_age_classid_name，但是key_len是5，也就是说只使用了age部分的排序，因为age是int类型，4个字节加上null值列表一共5个字节哦。想想就知道，B+树是先按照age排序，再按照classid排序，最后按照name排序，因此不能跳过classId的排序直接就使用name的排序哦。

3.3 不按照递增顺序插入主键

对于一个使用 InnoDB 存储引擎的表来说，在我们没有显式的创建索引时，表中的数据实际上都是存储在 聚簇索引 的叶子节点的。而记录又是存储在数据页中，数据页和记录又是按照 记录主键值从小到大 的顺序进行排序，所以如果我们 插入 的记录的 主键是依次增大 的话，那我们每插满一个数据页就换到下一个数据页继续插，而如果我们插入的 主键值忽大忽小 的话，就比较麻烦了，假设某个数据页存储的记录已经满了，它存储的主键值在 1~100 之间：

如果此时再插入一条主键值为 9 的记录，那它插入的位置就如下图:

可这个数据页已经满了，再插进来咋办呢?我们需要把当前 页面分裂 成两个页面，把本页中的一些记录移动到新创建的这个页中。页面分裂和记录移位意味着什么？意味着：性能损耗！所以如果我们想尽量避免这样无谓的性能损耗，最好让插入的记录的 主键值依次递增 ，这样就不会发生这样的性能损耗了。 所以我们建议：让主键具有 AUTO_INCREMENT ，让存储引擎自己为表生成主键，而不是我们手动插入

我们自定义的主键列 id 拥有 AUTO_INCREMENT 属性，在插入记录时存储引擎会自动为我们填入自增的主键值。这样的主键占用空间小，顺序写入，减少页分裂。

Tips：
我们一般将主键策略设置为自动递增AUTO_INCREMENT哦！(核心业务表除外，后面会介绍这种情况)

3.4 计算、函数、类型转换（自动或手动）导致索引失效

思考：这两条 sql 哪种写法更好？

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name LIKE 'abc%';
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE LEFT(student.name,3) = 'abc'; 

从执行结果上说，上面sql执行结果没有区别。但是从运行效率上说，第1条sql比之后的要好，因为第一条可以使用上索引！而因为第二条使用了函数，即使建立索引也会导致索引失效。

为何使用函数时优化器会使索引失效呢？您想想，我们只是对student.name字段建立了索引，但并没有对LEFT(student.name，3)建立索引，使用函数后的关键字跟我们建立的B+树可对应不来，怎么能使用B+树优化查询呢？

3.5 类型转换导致索引失效

# 未使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name=123;

# 使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name='123';

name = 123 发生类型转换，索引失效，原因与使用函数也一样，其实类型转换就是使用了隐式的类型转换函数。

3.6 范围条件右边的列索引失效

我们先调用下前面准备的存储过程删除除主键索引外的其它索引。

CALL proc_drop_index('atguigu_db2','student');
SHOW INDEX FROM student;

创建联合索引。

CREATE INDEX idx_age_classId_name ON student(age,classId,NAME);

执行查询。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age=30 AND student.classId>20 AND student.name = 'abc' ;

执行结果如下。

注意到key_len是10，说明值使用到了idx_age_classId_name索引中的age与classId部分，而name则没有用上。这是因为classId>20是范围查询，导致其右边的列索引失效。

如果想要完全使用到索引，需要按如下方式创建索引：先写等值查询的列，再写范围查询的列。

create index idx_age_name_classid on student(age,name,classid); 

Q：为什么条件查询会导致范围条件后面的列索引失效？
比如说有三个字段 a b c，建立复合索引a_b_c
此时叶子节点的数据排序后可能为
(a=1 b=1 c=1) (a=1 b=2 c=1) (a=1 b=2 c=3)
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
(a=3 b=0 c=1) (a=3 b=3 c=5) (a=3 b=8 c=6)
假设查找 select a,b,c from table where a = 2 and b = 5 and c = 2
此时先根据a = 2找到第二行的四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
然后根据b=5查到两条
(a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
最后根据c=2查到目标数据
(a=2 b=5 c=2)
接下来 假设使用了范围条件
select a,b,c from table where a = 2 and b >1 and c = 2
此时先根据a = 2找到第二行的四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
然后根据b>1查到四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
此时要查找c=2了 但是我们发现 这四条数据的c分别是
3,5,1,2 是无序的 所以索引失效了
总结：
因为前一个条件相同的情况下，后续列才会是有序的。

Tips：
应用开发中范围查询，例如：金额查询，日期查询往往都是范围查询。应将查询条件放置where语句最后。（创建的联合索引中，务必把范围设计到的字段写在最后）

3.7 不等于（!= 或者 <>）索引失效

为name字段创建索引

CREATE INDEX idx_name ON student(NAME);

查看索引是否失效

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name <> 'abc' ;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name != 'abc' ;

执行结果如下。

没有失效！！！这个原因还不是特别明确，可能mysql高版本中优化器又做了升级(毕竟不等于不过是等于的取反，确实可以实现优化)？笔者的mysql版本为8.2.06，如果有知道的大佬可以在评论区留言讨论。不过在实际生产或者面试中，这仍然可以作为一种需要关注的特殊情形。

3.8 is null可以使用索引，is not null无法使用索引

原因和原理一模一样。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age IS NULL;

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age IS NOT NULL;

同样的，在低版本中索引会失效，高版本中，索引也不会失效哦。

结论：最好在设计数据库的时候就将 字段设置为 NOT NULL 约束。比如可以将 INT 类型的字段，默认设置为 0。将字符串的默认值设置为空字符串（“”）。
扩展：同理，在查询中使用 not like 也无法使用索引，导致全表扫描

3.9 like 以通配符 % 开头索引失效

在使用 LIKE 关键字进行查询的查询语句中，如果匹配字符串的第一个字符为“%”，索引就不会其作用。只有“%”不在第一个位置，索引才会起作用。

使用到索引

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE NAME LIKE 'ab%'; 

未使用到索引.

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE NAME LIKE '%ab%';

想想那颗b+树，前面模糊了那么排序还有什么用？

拓展：Alibaba《Java 开发手册》
【强制】页面搜索严禁左模糊或者全模糊，如果需要请走搜索引擎来解决。

3.10 OR前后存在非索引的列

在WHERE 子句中，如果在 OR 前的条件列进行了索引，而在 OR 后的条件列没有进行索引，那么索引会失效。也就是说，OR 前后的两个条件中的列都是索引时，查询中才使用索引。

因为 OR 的含义就是两个只要满足一个即可，因此 只有一个条件列进行了索引是没有意义的，只要有条件列没有进行索引，就会进行全表扫描，因此索引的条件列也会失效。

查询语句使用 OR 关键字的情况：

#清除现有的索引
CALL proc_drop_index('mymysql', 'student')

# 创建索引
CREATE INDEX idx_age ON student(age);

# 未使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 10 OR classid = 100;

这是因为or连接的查询条件都需要查询，如果一个使用索引，一个不用索引全表扫描，索引根本起不到优化性能的作用。还不如只进行一次全表扫描呢。

解决方式是给未使用索引的列创建索引。

# 再创建一个索引
CREATE INDEX idx_cid ON student(classid);

#使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 10 OR classid = 100;

又翻车了·。。。看来这个情况还是得特别小心啊。

再来。

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE  age,classid FROM student WHERE age = 10 OR classid = 100;

总结：没事别用select *。

3.11 数据库和表的字符集不匹配

统一使用 utf8mb4（5.5.3版本以上支持）兼容性更好，统一字符集可以避免由于字符集转换产生的乱码。不同的 字符集 进行比较前需要进行 转换 会造成索引失效。

4.索引一般性建议

假设，index(a,b,c)，下面罗列了一些值得被注意的索引应用场景。

建议
对于单列索引，尽量选择针对当前 query 过滤性更好的索引
在选择组合索引的时候，当前 query 中过滤性最好的字段在索引字段顺序中，位置越靠前越好
在选择组合索引的时候，尽量选择能够包含当前 query 中的 where 子句中更多字段的索引
在选择组合索引的时候，如果某个字段可能出现范围查询时，尽量把这个字段放在索引次序的最后面。
总之，书写 SQL 语句时，尽量避免造成索引失效的情况。

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