大体来说,MySQL 可以分为 Server 层和存储引擎层两部分。
Server 层包括连接器、查询缓存、分析器、优化器、执行器等,涵盖 MySQL 的大多数核心服务功能,以及所有的内置函数(如日期、时间、数学和加密函数等),所有跨存储引擎的功能都在这一层实现,比如存储过程、触发器、视图等。
而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、Memory 等多个存储引擎。现在最常用的存储引擎是 InnoDB,它从 MySQL 5.5.5 版本开始成为了默认存储引擎。
访问数据库,先会到连接器上。连接器负责和客户端建立连接、获取权限、维护和管理连接。
mysql连接命令:mysql -h i p − P ip -P ip−Pport -u$user -p
连接命令中的musql是客户端工具,用来跟服务端建立连接。完成经典的tcp三次握手后,连接器就会依据你输入的用户名和密码来认证你的身份。
这就意味着,一个用户成功建立连接后,即使你用管理员账号对这个用户的权限做了修改,也不会影响已经存在连接的权限。修改完成后,只有再新建的连接才会使用新的权限设置。
连接建立完成后,你就可以执行 select 语句了。执行逻辑就会来到第二步:查询缓存。
MySQL 拿到一个查询请求后,会先到查询缓存看看,之前是不是执行过这条语句。之前执行过的语句及其结果可能会以 key-value 对的形式,被直接缓存在内存中。key 是查询的语句,value 是查询的结果。如果你的查询能够直接在这个缓存中找到 key,那么这个 value 就会被直接返回给客户端。
如果语句不在查询缓存中,就会继续后面的执行阶段。执行完成后,执行结果会被存入查询缓存中。你可以看到,如果查询命中缓存,MySQL 不需要执行后面的复杂操作,就可以直接返回结果,这个效率会很高。
但是大多数情况下我会建议你不要使用查询缓存,为什么呢?因为查询缓存往往弊大于利。
查询缓存的失效非常频繁,只要有对一个表的更新,这个表上所有的查询缓存都会被清空。因此很可能你费劲地把结果存起来,还没使用呢,就被一个更新全清空了。对于更新压力大的数据库来说,查询缓存的命中率会非常低。除非你的业务就是有一张静态表,很长时间才会更新一次。比如,一个系统配置表,那这张表上的查询才适合使用查询缓存。
需要注意的是,MySQL 8.0 版本直接将查询缓存的整块功能删掉了,也就是说 8.0 开始彻底没有这个功能了。
如果没有命中查询缓存,就要开始真正执行语句了。首先,MySQL 需要知道你要做什么,因此需要对 SQL 语句做解析。
分析器先会做“词法分析”。你输入的是由多个字符串和空格组成的一条 SQL 语句,MySQL 需要识别出里面的字符串分别是什么,代表什么。
MySQL 从你输入的"select"这个关键字识别出来,这是一个查询语句。它也要把字符串“T”识别成“表名 T”,把字符串“ID”识别成“列 ID”。
做完了这些识别以后,就要做“语法分析”。根据词法分析的结果,语法分析器会根据语法规则,判断你输入的这个 SQL 语句是否满足 MySQL 语法。
如果你的语句不对,就会收到“You have an error in your SQL syntax”的错误提醒
经过了分析器,MySQL 就知道你要做什么了。在开始执行之前,还要先经过优化器的处理。
优化器是在表里面有多个索引的时候,决定使用哪个索引;或者在一个语句有多表关联(join)的时候,决定各个表的连接顺序。比如你执行下面这样的语句,这个语句是执行两个表的 join:
mysql> select * from t1 join t2 using(ID) where t1.c=10 and t2.d=20;
这两种执行方法的逻辑结果是一样的,但是执行的效率会有不同,而优化器的作用就是决定选择使用哪一个方案。
优化器阶段完成后,这个语句的执行方案就确定下来了,然后进入执行器阶段。如果你还有一些疑问,比如优化器是怎么选择索引的,有没有可能选择错等等。
MySQL 通过分析器知道了你要做什么,通过优化器知道了该怎么做,于是就进入了执行器阶段,开始执行语句。
开始执行的时候,要先判断一下你对这个表 T 有没有执行查询的权限,如果没有,就会返回没有权限的错误,如下所示 (在工程实现上,如果命中查询缓存,会在查询缓存返回结果的时候,做权限验证。查询也会在优化器之前调用 precheck 验证权限)。
mysql> select * from T where ID=10;
ERROR 1142 (42000): SELECT command denied to user 'b'@'localhost' for table 'T'
如果有权限,就打开表继续执行。打开表的时候,执行器就会根据表的引擎定义,去使用这个引擎提供的接口。
比如我们这个例子中的表 T 中,ID 字段没有索引,那么执行器的执行流程是这样的:
至此,这个语句就执行完成了。
对于有索引的表,执行的逻辑也差不多。第一次调用的是“取满足条件的第一行”这个接口,之后循环取“满足条件的下一行”这个接口,这些接口都是引擎中已经定义好的。
你会在数据库的慢查询日志中看到一个 rows_examined 的字段,表示这个语句执行过程中扫描了多少行。这个值就是在执行器每次调用引擎获取数据行的时候累加的。
在有些场景下,执行器调用一次,在引擎内部则扫描了多行,因此**引擎扫描行数跟 rows_examined 并不是完全相同的。**我们后面会专门有一篇文章来讲存储引擎的内部机制,里面会有详细的说明。
前面我们系统了解了一个查询语句的执行流程,并介绍了执行过程中涉及的处理模块。相信你还记得,一条查询语句的执行过程一般是经过连接器、分析器、优化器、执行器等功能模块,最后到达存储引擎。
那么,一条更新语句的执行流程又是怎样的呢?
之前你可能经常听 DBA 同事说,MySQL 可以恢复到半个月内任意一秒的状态,惊叹的同时,你是不是心中也会不免会好奇,这是怎样做到的呢?
我们还是从一个表的一条更新语句说起,下面是这个表的创建语句,这个表有一个主键 ID 和一个整型字段 c:
mysql> create table T(ID int primary key, c int);
如果要将 ID=2 这一行的值加 1,SQL 语句就会这么写:
mysql> update T set c=c+1 where ID=2;
前面我有跟你介绍过 SQL 语句基本的执行链路,这里我再把那张图拿过来,你也可以先简单看看这个图回顾下。首先,可以确定的说,查询语句的那一套流程,更新语句也是同样会走一遍。
你执行语句前要先连接数据库,这是连接器的工作。
前面我们说过,在一个表上有更新的时候,跟这个表有关的查询缓存会失效,所以这条语句就会把表 T 上所有缓存结果都清空。这也就是我们一般不建议使用查询缓存的原因。
接下来,分析器会通过词法和语法解析知道这是一条更新语句。优化器决定要使用 ID 这个索引。然后,执行器负责具体执行,找到这一行,然后更新。
与查询流程不一样的是,更新流程还涉及两个重要的日志模块,它们正是我们今天要讨论的主角:redo log(重做日志)和 binlog(归档日志)。如果接触 MySQL,那这两个词肯定是绕不过的,我后面的内容里也会不断地和你强调。不过话说回来,redo log 和 binlog 在设计上有很多有意思的地方,这些设计思路也可以用到你自己的程序里。
在 MySQL 中,如果每一次的更新操作都需要写进磁盘,然后磁盘也要找到对应的那条记录,然后再更新,整个过程 IO 成本、查找成本都很高。为了解决这个问题,使用了 WAL 技术,WAL 的全称是 Write-Ahead Logging,它的关键点就是先写日志,再写磁盘。
**具体流程是:**当有一条记录需要更新的时候,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log里面,并更新内存,这个时候更新就算完成了。同时,InnoDB 引擎会在适当的时候,将这个操作记录更新到磁盘里面,而这个更新往往是在系统比较空闲的时候做
InnoDB 的 redo log 是固定大小的,比如可以配置为一组 4 个文件,每个文件的大小是 1GB,那么这块“粉板”总共就可以记录 4GB 的操作。从头开始写,写到末尾就又回到开头循环写,如下面这个图所示。
write pos 是当前记录的位置,一边写一边后移,写到第 3 号文件末尾后就回到 0 号文件开头。checkpoint 是当前要擦除的位置,也是往后推移并且循环的,擦除记录前要把记录更新到数据文件。
write pos 和 checkpoint 之间的是“粉板”上还空着的部分,可以用来记录新的操作。如果 write pos 追上 checkpoint,表示“粉板”满了,这时候不能再执行新的更新,得停下来先擦掉一些记录,把 checkpoint 推进一下。
有了 redo log,InnoDB 就可以保证即使数据库发生异常重启,之前提交的记录都不会丢失,这个能力称为crash-safe。
前面讲过,mysql整体来看其实有两块:一块是server层,主要做的是mysql功能层面的事情;还有一块是引擎层,复制存储相关的具体事宜。刚才的redo log是Innodb特有的日志,而现在说的binlog是server层自己的日志。
这两种日志有以下三点不同。
有了对这两个日志的概念性理解,我们再来看执行器和 InnoDB 引擎在执行这个简单的 update 语句时的内部流程。
这里我给出这个 update 语句的执行流程图,图中浅色框表示是在 InnoDB 内部执行的,深色框表示是在执行器中执行的。
update 语句执行流程
你可能注意到了,最后三步看上去有点“绕”,将 redo log 的写入拆成了两个步骤:prepare 和 commit,这就是"两阶段提交"。
两阶段提交知识点拓展:https://blog.csdn.net/qq_33339479/article/details/102688225
为什么必须有“两阶段提交”呢?这是为了让两份日志之间的逻辑一致。要说明这个问题,我们得从文章开头的那个问题说起:怎样让数据库恢复到半个月内任意一秒的状态?
前面我们说过了,binlog 会记录所有的逻辑操作,并且是采用“追加写”的形式。如果你的 DBA 承诺说半个月内可以恢复,那么备份系统中一定会保存最近半个月的所有 binlog,同时系统会定期做整库备份。这里的“定期”取决于系统的重要性,可以是一天一备,也可以是一周一备。
当需要恢复到指定的某一秒时,比如某天下午两点发现中午十二点有一次误删表,需要找回数据,那你可以这么做:
这样你的临时库就跟误删之前的线上库一样了,然后你可以把表数据从临时库取出来,按需要恢复到线上库去。
好了,说完了数据恢复过程,我们回来说说,为什么日志需要“两阶段提交”。
因为有两个日志的原因,所以两个日志都要写入,要保证这两个日志的一致性。那么如果不使用两阶段提交的方式,直接写入redo log然后写入binlog有什么问题呢?
假设,写完redo log,系统挂了。那么重启后innoDB引擎会根据redo log日志来恢复数据库。这时候数据库里面的数据是正确的。但是binlog丢失了啊。如果你有从库,那么从库的数据就错误了。因为从库的数据是通过binlog同步的。
如果把这两个步骤反过来呢,先写入binlog 再写入redo log呢?
那么就会redo log丢失,数据库实际上没有更新。但是从库通过binlog更新了。还是数据不一致。
所以需要两阶段提交来保证数据一致性。如果这时候写完redo log后挂掉了,因为redo log和binlog都没有数据,所以会回滚事务。
如果binlog和redo log都写入了,但是没有提交,那么重启后会提交事务。这样binlog和数据库就都有数据了。
提到事务,你肯定不陌生,和数据库打交道的时候,我们总是会用到事务。最经典的例子就是转账,你要给朋友小王转 100 块钱,而此时你的银行卡只有 100 块钱。
转账过程具体到程序里会有一系列的操作,比如查询余额、做加减法、更新余额等,这些操作必须保证是一体的,不然等程序查完之后,还没做减法之前,你这 100 块钱,完全可以借着这个时间差再查一次,然后再给另外一个朋友转账,如果银行这么整,不就乱了么?这时就要用到“事务”这个概念了。
简单来说,事务就是要保证一组数据库操作,要么全部成功,要么全部失败。在 MySQL 中,事务支持是在引擎层实现的。你现在知道,MySQL 是一个支持多引擎的系统,但并不是所有的引擎都支持事务。比如 MySQL 原生的 MyISAM 引擎就不支持事务,这也是 MyISAM 被 InnoDB 取代的重要原因之一。
在谈隔离级别之前,你首先要知道,你隔离得越严实,效率就会越低。因此很多时候,我们都要在二者之间寻找一个平衡点。SQL 标准的事务隔离级别包括:读未提交(read uncommitted)、读提交(read committed)、可重复读(repeatable read)和串行化(serializable )。下面我逐一为你解释:
我们来看看在不同的隔离级别下,事务 A 会有哪些不同的返回结果,也就是图里面 V1、V2、V3 的返回值分别是什么。
略过的会在另一篇记录中一起研究
相信你已经了解了唯一索引和普通索引的区别。今天我们就继续来谈谈,在不同的业务场景下,应该选择普通索引,还是唯一索引?
假设你在维护一个市民系统,每个人都有一个唯一的身份证号,而且业务代码已经保证了不会写入两个重复的身份证号。如果市民系统需要按照身份证号查姓名,就会执行类似这样的 SQL 语句:
select name from CUser where id_card = 'xxxxxxxyyyyyyzzzzz';
所以,你一定会考虑在 id_card 字段上建索引。
由于身份证号字段比较大,我不建议你把身份证号当做主键,那么现在你有两个选择,要么给 id_card 字段创建唯一索引,要么创建一个普通索引。如果业务代码已经保证了不会写入重复的身份证号,那么这两个选择逻辑上都是正确的。
现在我要问你的是,从性能的角度考虑,你选择唯一索引还是普通索引呢?选择的依据是什么呢?
我们先从两种索引对查询语句和更新语句的影响来做分析
假设,执行查询的语句是 select id from T where k=5
这个查询语句在索引树上查找的过程,先是通过B+树从树根开始,按层搜索到叶子节点,可以认为数据页内部通过二分法来定位记录。
对于普通索引来说,查找到满足条件第一个记录(5,500)后需要查找下一条记录,直到碰到第一个不满足k=5条件的记录
对于唯一索引来说,由于索引定义了唯一性,查找到第一个满足条件的记录后就会停止检索。
但是这个不同的差异对性能的影响完全是微乎其微。
因为Innodb的数据是按数据页为单位来读写的,也就是说,当需要读一条记录的时候,并不是将这个记录本身从磁盘读出来,而是以页为单位,将其整体读入内存。在Innodb中,每个数据页的大小默认是16KB。
所以普通索引需要多做的那一次查找和判断下一条的记录的操作,也只需要一次指针寻找和一次计算。如果k=5这个记录刚好是这个数据页的最后一个记录,那么要取下一个记录,必须读取下一个数据页,这个操作会稍微复杂一点。不过出现这种情况的记录很低,所以计算平均性能差异时,仍可以认为这个操作成本对于现在cpu来说可以忽略不计。
为了说明普通索引和唯一索引对更新语句性能的影响这个问题,我需要先跟你介绍一下 change buffer。
当需要更新一个数据页时,如果数据页在内存中就直接更新,而如果这个数据页还没有在内存中的话,在不影响数据一致性的前提下,InooDB 会将这些更新操作缓存在 change buffer 中,这样就不需要从磁盘中读入这个数据页了。在下次查询需要访问这个数据页的时候,将数据页读入内存,然后执行 change buffer 中与这个页有关的操作。通过这种方式就能保证这个数据逻辑的正确性。
需要说明的是,虽然名字叫作 change buffer,实际上它是可以持久化的数据。也就是说,change buffer 在内存中有拷贝,也会被写入到磁盘上。
将 change buffer 中的操作应用到原数据页,得到最新结果的过程称为 merge。除了访问这个数据页会触发 merge 外,系统有后台线程会定期 merge。在数据库正常关闭(shutdown)的过程中,也会执行 merge 操作。
显然,如果能够将更新操作先记录在 change buffer,减少读磁盘,语句的执行速度会得到明显的提升。而且,数据读入内存是需要占用 buffer pool 的,所以这种方式还能够避免占用内存,提高内存利用率。
那么,什么条件下可以使用 change buffer 呢?
对于唯一索引来说,所有的更新操作都要先判断这个操作是否违反唯一性约束。比如,要插入 (4,400) 这个记录,就要先判断现在表中是否已经存在 k=4 的记录,而这必须要将数据页读入内存才能判断。如果都已经读入到内存了,那直接更新内存会更快,就没必要使用 change buffer 了。
因此,唯一索引的更新就不能使用 change buffer,实际上也只有普通索引可以使用。
change buffer 用的是 buffer pool 里的内存,因此不能无限增大。change buffer 的大小,可以通过参数 innodb_change_buffer_max_size 来动态设置。这个参数设置为 50 的时候,表示 change buffer 的大小最多只能占用 buffer pool 的 50%。
现在,你已经理解了 change buffer 的机制,那么我们再一起来看看如果要在这张表中插入一个新记录 (4,400) 的话,InnoDB 的处理流程是怎样的。
第一种情况是,这个记录要更新的目标页在内存中。这时,InnoDB 的处理流程如下:
这样看来,普通索引和唯一索引对更新语句性能影响的差别,只是一个判断,只会耗费微小的 CPU 时间。
但,这不是我们关注的重点。
第二种情况是,这个记录要更新的目标页不在内存中。这时,InnoDB 的处理流程如下:
将数据从磁盘读入内存涉及随机 IO 的访问,是数据库里面成本最高的操作之一。change buffer 因为减少了随机磁盘访问,所以对更新性能的提升是会很明显的。
之前我就碰到过一件事儿,有个 DBA 的同学跟我反馈说,他负责的某个业务的库内存命中率突然从 99% 降低到了 75%,整个系统处于阻塞状态,更新语句全部堵住。而探究其原因后,我发现这个业务有大量插入数据的操作,而他在前一天把其中的某个普通索引改成了唯一索引。
**总结:**要更新的记录不在内存中,使用唯一索引会需要将数据页读进内存再操作。
通过上面的分析,你已经清楚了使用 change buffer 对更新过程的加速作用,也清楚了 change buffer 只限于用在普通索引的场景下,而不适用于唯一索引。那么,现在有一个问题就是:普通索引的所有场景,使用 change buffer 都可以起到加速作用吗?
因为 merge 的时候是真正进行数据更新的时刻,而 change buffer 的主要目的就是将记录的变更动作缓存下来,所以在一个数据页做 merge 之前,change buffer 记录的变更越多(也就是这个页面上要更新的次数越多),收益就越大。
因此,对于写多读少的业务来说,页面在写完以后马上被访问到的概率比较小,此时 change buffer 的使用效果最好。这种业务模型常见的就是账单类、日志类的系统。
反过来,假设一个业务的更新模式是写入之后马上会做查询,那么即使满足了条件,将更新先记录在 change buffer,但之后由于马上要访问这个数据页,会立即触发 merge 过程。这样随机访问 IO 的次数不会减少,反而增加了 change buffer 的维护代价。所以,对于这种业务模式来说,change buffer 反而起到了副作用。
回到我们文章开头的问题,普通索引和唯一索引应该怎么选择。其实,这两类索引在查询能力上是没差别的,主要考虑的是对更新性能的影响。所以,我建议你尽量选择普通索引。
如果所有的更新后面,都马上伴随着对这个记录的查询,那么你应该关闭 change buffer。而在其他情况下,change buffer 都能提升更新性能。
在实际使用中,你会发现,普通索引和 change buffer 的配合使用,对于数据量大的表的更新优化还是很明显的。
特别地,在使用机械硬盘时,change buffer 这个机制的收效是非常显著的。所以,当你有一个类似“历史数据”的库,并且出于成本考虑用的是机械硬盘时,那你应该特别关注这些表里的索引,尽量使用普通索引,然后把 change buffer 尽量开大,以确保这个“历史数据”表的数据写入速度。
理解了 change buffer 的原理,你可能会联想到我在前面文章中和你介绍过的 redo log 和 WAL。
在前面文章的评论中,我发现有同学混淆了 redo log 和 change buffer。WAL 提升性能的核心机制,也的确是尽量减少随机读写,这两个概念确实容易混淆。所以,这里我把它们放到了同一个流程里来说明,便于你区分这两个概念。
现在,我们要在表上执行这个插入语句:
mysql> insert into t(id,k) values(id1,k1),(id2,k2);
这里,我们假设当前 k 索引树的状态,查找到位置后,k1 所在的数据页在内存 (InnoDB buffer pool) 中,k2 所在的数据页不在内存中。如图所示是带 change buffer 的更新状态图。
带 change buffer 的更新过程
分析这条更新语句,你会发现它涉及了四个部分:内存、redo log(ib_log_fileX)、 数据表空间(t.ibd)、系统表空间(ibdata1)。
这条更新语句做了如下的操作(按照图中的数字顺序):
做完上面这些,事务就可以完成了。所以,你会看到,执行这条更新语句的成本很低,就是写了两处内存,然后写了一处磁盘(两次操作合在一起写了一次磁盘),而且还是顺序写的。
同时,图中的两个虚线箭头,是后台操作,不影响更新的响应时间。
那在这之后的读请求,要怎么处理呢?
比如,我们现在要执行 select * from t where k in (k1, k2)。这里,我画了这两个读请求的流程图。
如果读语句发生在更新语句后不久,内存中的数据都还在,那么此时的这两个读操作就与系统表空间(ibdata1)和 redo log(ib_log_fileX)无关了。所以,我在图中就没画出这两部分。
图 3 带 change buffer 的读过程
从图中可以看到:
可以看到,直到需要读 Page 2 的时候,这个数据页才会被读入内存。
所以,如果要简单地对比这两个机制在提升更新性能上的收益的话,redo log 主要节省的是随机写磁盘的 IO 消耗(转成顺序写),而 change buffer 主要节省的则是随机读磁盘的 IO 消耗。
平时的工作中,不知道你有没有遇到过这样的场景,一条 SQL 语句,正常执行的时候特别快,但是有时也不知道怎么回事,它就会变得特别慢,并且这样的场景很难复现,它不只随机,而且持续时间还很短。
看上去,这就像是数据库“抖”了一下。今天,我们就一起来看一看这是什么原因。
在前面讲过一条sql更新语句是如何执行,Innodb在处理更新语句时,只做了写日志这一个磁盘操作。这个日志叫redolog,在更新内存写完redolog后,就返回给客户端本次更新成功。
但在内存的数据写进磁盘前,这两边的数据是不一样的,当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候,我们称这个内存页为“脏页”。内存数据写入到磁盘后,内存和磁盘上的数据页的内容就一致了,称为“干净页”。
回到刚才的问题,不难想象,平时执行很快的更新操作,其实就是在写内存和日志,而mysql偶尔抖动的那会,可能就是在刷脏页(flush)。
redo log 状态图
checkpoint 可不是随便往前修改一下位置就可以的。比如图 2 中,把 checkpoint 位置从 CP 推进到 CP’,就需要将两个点之间的日志(浅绿色部分),对应的所有脏页都 flush 到磁盘上。之后,图中从 write pos 到 CP’之间就是可以再写入的 redo log 的区域。
其中,第三种情况是属于 MySQL 空闲时的操作,这时系统没什么压力,而第四种场景是数据库本来就要关闭了。这两种情况下,你不会太关注“性能”问题。所以这里,我们主要来分析一下前两种场景下的性能问题。
第一种是“redo log 写满了,要 flush 脏页”,这种情况是 InnoDB 要尽量避免的。因为出现这种情况的时候,整个系统就不能再接受更新了,所有的更新都必须堵住。如果你从监控上看,这时候更新数会跌为 0。
第二种是“内存不够用了,要先将脏页写到磁盘”,这种情况其实是常态。InnoDB 用缓冲池(buffer pool)管理内存,缓冲池中的内存页有三种状态:
InnoDB 的策略是尽量使用内存,因此对于一个长时间运行的库来说,未被使用的页面很少。
而当要读入的数据页没有在内存的时候,就必须到缓冲池中申请一个数据页。这时候只能把最久不使用的数据页从内存中淘汰掉:如果要淘汰的是一个干净页,就直接释放出来复用;但如果是脏页呢,就必须将脏页先刷到磁盘,变成干净页后才能复用。
所以,刷脏页虽然是常态,但是出现以下这两种情况,都是会明显影响性能的:
所以,InnoDB 需要有控制脏页比例的机制,来尽量避免上面的这两种情况。
在你开发应用的时候,一定会经常碰到对指定字段进行排序来显示结果的需求。那假设,我们需要查询城市为杭州的所有人的名字,并按照姓名排序返回前1000个人的姓名、年龄。
select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000 ;
这个语句很简单,但是你清楚它的执行顺序吗?那么下面就聊聊这个语句是怎么执行的,以及有什么参数会影响执行的行为。
前面我们介绍过索引,所以你现在就很清楚了,为避免全表扫描,我们需要在 city 字段加上索引。
在 city 字段上创建索引之后,我们用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。
图 1 使用 explain 命令查看语句的执行情况
Extra 这个字段中的 “Using FileSort” 表示需要排序,MySQL会给每个线程分配一块内存用于排序,这个内存被称为sort_buffer。
为了说明这个 SQL 查询语句的执行过程,我们先来看一下 city 这个索引的示意图。
从图中可以看到,满足 city='杭州’条件的行,是从 ID_X 到 ID_(X+N) 的这些记录。
通常情况下,这个语句执行流程如下所示 :
我们暂且把这个排序过程,称为全字段排序,执行流程的示意图如下所示,下一篇文章中我们还会用到这个排序。
图中“按 name 排序”这个动作,可能在内存中完成,也可能需要使用外部排序,这取决于排序所需的内存和参数 sort_buffer_size。
sort_buffer_size,就是 MySQL 为排序开辟的内存(sort_buffer)的大小。如果要排序的数据量小于 sort_buffer_size,排序就在内存中完成。但如果排序数据量太大,内存放不下,则不得不利用磁盘临时文件辅助排序。
内存放不下时,就需要使用外部排序,外部排序一般使用归并排序算法。可以这么简单理解,MySQL 将需要排序的数据分成 12 份,每一份单独排序后存在这些临时文件中。然后把这 12 个有序文件再合并成一个有序的大文件。
在上面这个算法过程里面,只对原表的数据读了一遍,剩下的操作都是在 sort_buffer 和临时文件中执行的。但这个算法有一个问题,就是如果查询要返回的字段很多的话,那么 sort_buffer 里面要放的字段数太多,这样内存里能够同时放下的行数很少,要分成很多个临时文件,排序的性能会很差。
所以如果单行很大,这个方法效率不够好。
那么,如果 MySQL 认为排序的单行长度太大会怎么做呢?
接下来,我来修改一个参数,让 MySQL 采用另外一种算法。
SET max_length_for_sort_data = 16;
max_length_for_sort_data,是 MySQL 中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数。它的意思是,如果单行的长度超过这个值,MySQL 就认为单行太大,要换一个算法。
city、name、age 这三个字段的定义总长度是 36,我把 max_length_for_sort_data 设置为 16,我们再来看看计算过程有什么改变。
新的算法放入 sort_buffer 的字段,只有要排序的列(即 name 字段)和主键 id。
但这时,排序的结果就因为少了 city 和 age 字段的值,不能直接返回了,整个执行流程就变成如下所示的样子:
这个执行流程的示意图如下,我把它称为 rowid 排序。
两个排序方法对比,
全字段排序就是:查出满足条件的数据,取出所有需要的字段到sort_buffer,然后排序返回
rowid排序就是:查出满足条件的数据,只取id和要排序的字段,排好后再去根据id查出来,拿到需要的字段返回
因为这时候除了排序过程外,在排序完成后,还要根据 id 去原表取值。由于语句是 limit 1000,因此会多读 1000 行。
我们来分析一下,从这两个执行流程里,还能得出什么结论。
如果 MySQL 实在是担心排序内存太小,会影响排序效率,才会采用 rowid 排序算法,这样排序过程中一次可以排序更多行,但是需要再回到原表去取数据。
如果 MySQL 认为内存足够大,会优先选择全字段排序,把需要的字段都放到 sort_buffer 中,这样排序后就会直接从内存里面返回查询结果了,不用再回到原表去取数据。
这也就体现了 MySQL 的一个设计思想:如果内存够,就要多利用内存,尽量减少磁盘访问。
对于 InnoDB 表来说,rowid 排序会要求回表多造成磁盘读,因此不会被优先选择。
这个结论看上去有点废话的感觉,但是你要记住它,下一篇文章我们就会用到。
看到这里,你就了解了,MySQL 做排序是一个成本比较高的操作。那么你会问,是不是所有的 order by 都需要排序操作呢?如果不排序就能得到正确的结果,那对系统的消耗会小很多,语句的执行时间也会变得更短。
其实,并不是所有的 order by 语句,都需要排序操作的。从上面分析的执行过程,我们可以看到,MySQL 之所以需要生成临时表,并且在临时表上做排序操作,其原因是原来的数据都是无序的。
你可以设想下,如果能够保证从 city 这个索引上取出来的行,天然就是按照 name 递增排序的话,是不是就可以不用再排序了呢?
确实是这样的。
所以,我们可以在这个市民表上创建一个 city 和 name 的联合索引,对应的 SQL 语句是:
alter table t add index city_user(city, name);
作为与 city 索引的对比,我们来看看这个索引的示意图。
在这个索引里面,我们依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足 city='杭州’的记录,并且额外确保了,接下来按顺序取“下一条记录”的遍历过程中,只要 city 的值是杭州,name 的值就一定是有序的。
这样整个查询过程的流程就变成了:
可以看到,这个查询过程不需要临时表,也不需要排序。接下来,我们用 explain 的结果来印证一下。
图 9 引入 (city,name) 联合索引后,查询语句的执行计划
从图中可以看到,Extra 字段中没有 Using filesort 了,也就是不需要排序了。而且由于 (city,name) 这个联合索引本身有序,所以这个查询也不用把 4000 行全都读一遍,只要找到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了。也就是说,在我们这个例子里,只需要扫描 1000 次。
既然说到这里了,我们再往前讨论,**这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢?**不知道你还记不记得,我在第 5 篇文章[《 深入浅出索引(下)》]中,和你介绍的覆盖索引。
这里我们可以再稍微复习一下。覆盖索引是指,索引上的信息足够满足查询请求,不需要再回到主键索引上去取数据。
按照覆盖索引的概念,我们可以再优化一下这个查询语句的执行流程。
针对这个查询,我们可以创建一个 city、name 和 age 的联合索引,对应的 SQL 语句就是:
alter table t add index city_user_age(city, name, age);
这时,对于 city 字段的值相同的行来说,还是按照 name 字段的值递增排序的,此时的查询语句也就不再需要排序了。这样整个查询语句的执行流程就变成了:
然后,我们再来看看 explain 的结果。
图 11 引入 (city,name,age) 联合索引后,查询语句的执行计划
可以看到,Extra 字段里面多了“Using index”,表示的就是使用了覆盖索引,性能上会快很多。
当然,这里并不是说要为了每个查询能用上覆盖索引,就要把语句中涉及的字段都建上联合索引,毕竟索引还是有维护代价的。这是一个需要权衡的决定。
我在上一篇文章,为你讲解完 order by 语句的几种执行模式后,就想到了之前一个做英语学习 App 的朋友碰到过的一个性能问题。今天这篇文章,我就从这个性能问题说起,和你说说 MySQL 中的另外一种排序需求,希望能够加深你对 MySQL 排序逻辑的理解。
这个英语学习 App 首页有一个随机显示单词的功能,也就是根据每个用户的级别有一个单词表,然后这个用户每次访问首页的时候,都会随机滚动显示三个单词。他们发现随着单词表变大,选单词这个逻辑变得越来越慢,甚至影响到了首页的打开速度。
现在,如果让你来设计这个 SQL 语句,你会怎么写呢?
首先,你会想到用 order by rand() 来实现这个逻辑。
mysql> select word from words order by rand() limit 3;
这个语句的意思很直白,随机排序取前 3 个。虽然这个 SQL 语句写法很简单,但执行流程却有点复杂的。
我们先用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。
图 1 使用 explain 命令查看语句的执行情况
Extra 字段显示 Using temporary,表示的是需要使用临时表;Using filesort,表示的是需要执行排序操作。
因此这个 Extra 的意思就是,需要临时表,并且需要在临时表上排序。
然后,我再问你一个问题,你觉得对于临时内存表的排序来说,它会选择哪一种算法呢?回顾一下上一篇文章的一个结论:对于 InnoDB 表来说,执行全字段排序会减少磁盘访问,因此会被优先选择。
我强调了“InnoDB 表”,你肯定想到了,对于内存表,回表过程只是简单地根据数据行的位置,直接访问内存得到数据,根本不会导致多访问磁盘。优化器没有了这一层顾虑,那么它会优先考虑的,就是用于排序的行越小越好了,所以,MySQL 这时就会选择 rowid 排序。
理解了这个算法选择的逻辑,我们再来看看语句的执行流程。同时,通过今天的这个例子,我们来尝试分析一下语句的扫描行数。
这条语句的执行流程是这样的:
现在,我来把完整的排序执行流程图画出来。
图中的 pos 就是位置信息,你可能会觉得奇怪,这里的“位置信息”是个什么概念?在上一篇文章中,我们对 InnoDB 表排序的时候,明明用的还是 ID 字段。
这时候,我们就要回到一个基本概念:MySQL 的表是用什么方法来定位“一行数据”的。
在前面[第 4]和[第 5]篇介绍索引的文章中,有几位同学问到,如果把一个 InnoDB 表的主键删掉,是不是就没有主键,就没办法回表了?
其实不是的。如果你创建的表没有主键,或者把一个表的主键删掉了,那么 InnoDB 会自己生成一个长度为 6 字节的 rowid 来作为主键。
这也就是排序模式里面,rowid 名字的来历。实际上它表示的是:每个引擎用来唯一标识数据行的信息。
到这里,我来稍微小结一下:order by rand() 使用了内存临时表,内存临时表排序的时候使用了 rowid 排序方法。
那么,是不是所有的临时表都是内存表呢?
其实不是的。tmp_table_size 这个配置限制了内存临时表的大小,默认值是 16M。如果临时表大小超过了 tmp_table_size,那么内存临时表就会转成磁盘临时表。
磁盘临时表使用的引擎默认是 InnoDB,是由参数 internal_tmp_disk_storage_engine 控制的。
当使用磁盘临时表的时候,对应的就是一个没有显式索引的 InnoDB 表的排序过程。
为了复现这个过程,我把 tmp_table_size 设置成 1024,把 sort_buffer_size 设置成 32768, 把 max_length_for_sort_data 设置成 16。
因为将 max_length_for_sort_data 设置成 16,小于 word 字段的长度定义,所以我们看到 sort_mode 里面显示的是 rowid 排序,这个是符合预期的,参与排序的是随机值 R 字段和 rowid 字段组成的行。
这时候你可能心算了一下,发现不对。R 字段存放的随机值就 8 个字节,rowid 是 6 个字节(至于为什么是 6 字节,就留给你课后思考吧),数据总行数是 10000,这样算出来就有 140000 字节,超过了 sort_buffer_size 定义的 32768 字节了。但是,number_of_tmp_files 的值居然是 0,难道不需要用临时文件吗?
这个 SQL 语句的排序确实没有用到临时文件,采用是 MySQL 5.6 版本引入的一个新的排序算法,即:优先队列排序算法。接下来,我们就看看为什么没有使用临时文件的算法,也就是归并排序算法,而是采用了优先队列排序算法。
其实,我们现在的 SQL 语句,只需要取 R 值最小的 3 个 rowid。但是,如果使用归并排序算法的话,虽然最终也能得到前 3 个值,但是这个算法结束后,已经将 10000 行数据都排好序了。
也就是说,后面的 9997 行也是有序的了。但,我们的查询并不需要这些数据是有序的。所以,想一下就明白了,这浪费了非常多的计算量。
而优先队列算法,就可以精确地只得到三个最小值,执行流程如下:
(对数据结构印象模糊的同学,可以先设想成这是一个由三个元素组成的数组)
这里我简单画了一个优先队列排序过程的示意图。
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这个流程结束后,我们构造的堆里面,就是这个 10000 行里面 R 值最小的三行。然后,依次把它们的 rowid 取出来,去临时表里面拿到 word 字段,这个过程就跟上一篇文章的 rowid 排序的过程一样了。
我们再看一下上面一篇文章的 SQL 查询语句:
select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000 ;
你可能会问,这里也用到了 limit,为什么没用优先队列排序算法呢?原因是,这条 SQL 语句是 limit 1000,如果使用优先队列算法的话,需要维护的堆的大小就是 1000 行的 (name,rowid),超过了我设置的 sort_buffer_size 大小,所以只能使用归并排序算法。
总之,不论是使用哪种类型的临时表,order by rand() 这种写法都会让计算过程非常复杂,需要大量的扫描行数,因此排序过程的资源消耗也会很大。
再回到我们文章开头的问题,怎么正确地随机排序呢?
mysql> select count(*) from tradelog where month(t_modified)=7;
mysql> select count(*) from tradelog where
-> (t_modified >= '2016-7-1' and t_modified<'2016-8-1') or
-> (t_modified >= '2017-7-1' and t_modified<'2017-8-1') or
-> (t_modified >= '2018-7-1' and t_modified<'2018-8-1');
ps.在 t_modified 字段上有索引
第一条sql对字段做了函数计算,将不会走索引,而第二条可以。
现在你已经学过了 InnoDB 的索引结构了,可以再追问一句为什么?为什么条件是 where t_modified='2018-7-1’的时候可以用上索引,而改成 where month(t_modified)=7 的时候就不行了?
下面是这个 t_modified 索引的示意图。方框上面的数字就是 month() 函数对应的值。
如果你的 SQL 语句条件用的是 where t_modified='2018-7-1’的话,引擎就会按照上面绿色箭头的路线,快速定位到 t_modified='2018-7-1’需要的结果。
实际上,B+ 树提供的这个快速定位能力,来源于同一层兄弟节点的有序性。
但是,如果计算 month() 函数的话,你会看到传入 7 的时候,在树的第一层就不知道该怎么办了。
也就是说,对索引字段做函数操作,可能会破坏索引值的有序性,因此优化器就决定放弃走树搜索功能。
需要注意的是,优化器并不是要放弃使用这个索引。
在这个例子里,放弃了树搜索功能,优化器可以选择遍历主键索引,也可以选择遍历索引 t_modified,优化器对比索引大小后发现,索引 t_modified 更小,遍历这个索引比遍历主键索引来得更快。因此最终还是会选择索引 t_modified。
由于加了 month() 函数操作,MySQL 无法再使用索引快速定位功能,而只能使用全索引扫描。
我们一起看一下这条 SQL 语句:
mysql> select * from tradelog where tradeid=110717;
交易编号 tradeid 这个字段上,本来就有索引,但是 explain 的结果却显示,这条语句需要走全表扫描。你可能也发现了,tradeid 的字段类型是 varchar(32),而输入的参数却是整型,所以需要做类型转换。
那么,现在这里就有两个问题:
先来看第一个问题,你可能会说,数据库里面类型这么多,这种数据类型转换规则更多,我记不住,应该怎么办呢?
这里有一个简单的方法,看 select “10” > 9 的结果:
验证结果如图 3 所示。
图 3 MySQL 中字符串和数字转换的效果示意图
从图中可知,select “10” > 9 返回的是 1,所以你就能确认 MySQL 里的转换规则了:在 MySQL 中,字符串和数字做比较的话,是将字符串转换成数字。
这时,你再看这个全表扫描的语句:
mysql> select * from tradelog where tradeid=110717;
对于优化器来说,这个语句相当于:
mysql> select * from tradelog where CAST(tradid AS signed int) = 110717;
也就是说,这条语句触发了我们上面说到的规则:对索引字段做函数操作,优化器会放弃走树搜索功能。
如果你去问 DBA 同学,他们可能会告诉你,因为这两个表的字符集不同,一个是 utf8,一个是 utf8mb4,所以做表连接查询的时候用不上关联字段的索引。这个回答,也是通常你搜索这个问题时会得到的答案。
但是你应该再追问一下,为什么字符集不同就用不上索引呢?
mysql> select * from trade_detail where tradeid=$L2.tradeid.value;
其中,$L2.tradeid.value 的字符集是 utf8mb4。
参照前面的两个例子,你肯定就想到了,字符集 utf8mb4 是 utf8 的超集,所以当这两个类型的字符串在做比较的时候,MySQL 内部的操作是,先把 utf8 字符串转成 utf8mb4 字符集,再做比较。
这个设定很好理解,utf8mb4 是 utf8 的超集。类似地,在程序设计语言里面,做自动类型转换的时候,为了避免数据在转换过程中由于截断导致数据错误,也都是“按数据长度增加的方向”进行转换的。
因此, 在执行上面这个语句的时候,需要将被驱动数据表里的字段一个个地转换成 utf8mb4,再跟 L2 做比较。
也就是说,实际上这个语句等同于下面这个写法:
select * from trade_detail where CONVERT(traideid USING utf8mb4)=$L2.tradeid.value;
CONVERT() 函数,在这里的意思是把输入的字符串转成 utf8mb4 字符集。
这就再次触发了我们上面说到的原则:对索引字段做函数操作,优化器会放弃走树搜索功能。
到这里,你终于明确了,字符集不同只是条件之一,连接过程中要求在被驱动表的索引字段上加函数操作,是直接导致对被驱动表做全表扫描的原因。
举了三个例子,其实是在说同一件事儿,即:对索引字段做函数操作,可能会破坏索引值的有序性,因此优化器就决定放弃走树搜索功能。
第二个例子是隐式类型转换,第三个例子是隐式字符编码转换,它们都跟第一个例子一样,因为要求在索引字段上做函数操作而导致了全索引扫描。
MySQL 的优化器确实有“偷懒”的嫌疑,即使简单地把 where id+1=1000 改写成 where id=1000-1 就能够用上索引快速查找,也不会主动做这个语句重写。
因此,每次你的业务代码升级时,把可能出现的、新的 SQL 语句 explain 一下,是一个很好的习惯。
mysql> CREATE TABLE `t` (
`id` int(11) NOT NULL,
`c` int(11) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;
在表 t 执行下面的 SQL 语句:
mysql> select * from t where id=1;
查询结果长时间不返回。
图 1 查询长时间不返回
一般碰到这种情况的话,大概率是表 t 被锁住了。接下来分析原因的时候,一般都是首先执行一下 show processlist 命令,看看当前语句处于什么状态。
然后我们再针对每种状态,去分析它们产生的原因、如何复现,以及如何处理。
如图 2 所示,就是使用 show processlist 命令查看 Waiting for table metadata lock 的示意图。
图 2 Waiting for table metadata lock 状态示意图
出现这个状态表示的是,现在有一个线程正在表 t 上请求或者持有 MDL 写锁,把 select 语句堵住了。
这类问题的处理方式,就是找到谁持有 MDL 写锁,然后把它 kill 掉。
但是,由于在 show processlist 的结果里面,session A 的 Command 列是“Sleep”,导致查找起来很不方便。不过有了 performance_schema 和 sys 系统库以后,就方便多了。(MySQL 启动时需要设置 performance_schema=on,相比于设置为 off 会有 10% 左右的性能损失)
通过查询 sys.schema_table_lock_waits 这张表,我们就可以直接找出造成阻塞的 process id,把这个连接用 kill 命令断开即可。
我在表 t 上,执行下面的 SQL 语句:
mysql> select * from information_schema.processlist where id=1;
我查出来这个线程的状态是 Waiting for table flush,你可以设想一下这是什么原因。
复现步骤:
Waiting for table flush 的复现步骤
在 session A 中,我故意每行都调用一次 sleep(1),这样这个语句默认要执行 10 万秒,在这期间表 t 一直是被 session A“打开”着。然后,session B 的 flush tables t 命令再要去关闭表 t,就需要等 session A 的查询结束。这样,session C 要再次查询的话,就会被 flush 命令堵住了。
图 7 是这个复现步骤的 show processlist 结果。这个例子的排查也很简单,你看到这个 show processlist 的结果,肯定就知道应该怎么做了。
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