每日一面系列之Mysql索引

1、 数据库性能优化的意义

业务发展初期，数据库中量一般都不高，也不太容易出一些性能问题或者出的问题也不大，但是当数据库的量级达到一定规模之后，如果缺失有效的预警、监控、处理等手段则会对用户的使用体验造成影响，严重的则会直接导致订单、金额直接受损，因而就需要时刻关注数据库的性能问题。

2、 性能优化的几个常见措施

数据库性能优化的常见手段有很多，比如添加索引、分库分表、优化连接池等，具体如下：

序号	类型	措施	说明
1	物理级别	提升硬件性能	将数据库安装到更高配置的服务器上会有立竿见影的效果，例如提高CPU配置、增加内存容量、采用固态硬盘等手段，在经费允许的范围可以尝试。
2	应用级别	连接池参数优化	我们大部分的应用都是使用连接池来托管数据库的连接，但是大部分都是默认的配置，因而配置好超时时长、连接池容量等参数就显得尤为重要。 1、 如果链接长时间被占用，新的请求无法获取到新的连接，就会影响到业务。 2、 如果连接数设置的过小，那么即使硬件资源没问题，也无法发挥其功效。之前公司做过一些压测，但就是死活不达标，最后发现是由于连接数太小。
3	单表级别	合理运用索引	如果数据量较大，但是又没有合适的索引，就会拖垮整个性能，但是索引是把双刃剑，并不是说索引越多越好，而是要根据业务的需要进行适当的添加和使用。 缺失索引、重复索引、冗余索引、失控索引这几类情况其实都是对系统很大的危害。
4	库表级别	分库分表	当数据量较大的时候，只使用索引就意义不大了，需要做好分库分表的操作，合理的利用好分区键，例如按照用户ID、订单ID、日期等维度进行分区，可以减少扫描范围。
5	监控级别	加强运维	针对线上的一些系统还需要进一步的加强监控，比如订阅一些慢SQL日志，找到比较糟糕的一些SQL，也可以利用业务内一些通用的工具，例如druid组件等。

3、 MySQL底层架构

  首先了解一下数据的底层架构，也有助于我们做更好优化。

                               一次查询请求的执行过程        

      我们重点关注第二部分和第三部分，第二部分其实就是Server层，这层主要就是负责查询优化，制定出一些执行计划，然后调用存储引擎给我们提供的各种底层基础API，最终将数据返回给客户端。

4、MySQL索引构建过程

  目前比较常用的是InnoDB存储引擎，本文讨论也是基于InnoDB引擎。我们一直说的加索引，那到底什么是索引、索引又是如何形成的呢、索引又如何应用呢？这个话题其实很大也很小，说大是因为他底层确实很复杂，说小是因为在大部分场景下程序员只需要添加索引就好，不太需要了解太底层原理，但是如果了解不透彻就会引发线上问题，因而本文平衡了大家的理解成本和知识深度，有一定底层原理介绍，但是又不会太过深入导致难以理解。

 首先来做个实验：

 创建一个表，目前是只有一个主键索引

 CREATE  TABLE  `t1`(

a   int  NOT NULL,

b   int  DEFAULT NULL,

c   int  DEFAULT NULL,

d   int  DEFAULT NULL,

e   varchar(20) DEFAULT NULL,

 PRIMARYKEY(a)

 )ENGINE=InnoDB

插入一些数据：

insert into test.t1 values(4,3,1,1,'d');

insert into test.t1 values(1,1,1,1,'a');

insert into test.t1 values(8,8,8,8,'h');

insert into test.t1 values(2,2,2,2,'b');

insert into test.t1 values(5,2,3,5,'e');

insert into test.t1 values(3,3,2,2,'c');

insert into test.t1 values(7,4,5,5,'g');

insert into test.t1 values(6,6,4,4,'f');

MYSQL从磁盘读取数据到内存是按照一页读取的，一页默认是16K，而一页的格式大概如下。

每一页都包括了这么几个内容，首先是页头、其次是页目录、还有用户数据区域。

1）刚才插入的几条数据就是放到这个用户数据区域的，这个是按照主键依次递增的单向链表。

2）页目录这个是用来指向具体的用户数据区域，因为当用户数据区域的数据变多的时候也就会形成分组，而页目录就会指向不同的分组，利用二分查找可以快速的定位数据。

当数据量变多的时候，那么这一页就装不下这么多数据，就要分裂页，而每页之间都会双向链接，最终形成一个双向链表。

页内的单向链表是为了查找快捷，而页间的双向链表是为了在做范围查询的时候提效，下图为示意图，其中其二页和第三页是复制的第一页，并不真实。

     

而如果数据还继续累加，光这几个页也不够了，那就逐步的形成了一棵树，也就是说索引B-Tree是随着数据的积累逐步构建出来的。

最下边的一层叫做叶子节点，上边的叫做内节点，而叶子节点中存储的是全量数据，这样的树就是聚簇索引。一直有同学的理解是说索引是单独一份而数据是一份，其实MySQL中有一个原则就是数据即索引、索引即数据，真实的数据本身就是存储在聚簇索引中的，所谓的回表就是回的聚簇索引。

但是我们也不一定每次都按照主键来执行SQL语句，大部分情况下都是按照一些业务字段来，那就会形成别的索引树，例如，如果按照b,c,d来创建的索引就会长这样。

推荐1个网站，可以可视化的查看一些算法原型：

目录：

https://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/Algorithms.html

B+树

https://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/BPlusTree.html

而在MySQL官网上介绍的索引的叶子节点是双向链表。

关于索引结构的小结：

对于B-Tree而言，叶子节点是没有链接的，而B+Tree索引是单向链表，但是MySQL在B+Tree的基础之上加以改进，形成了双向链表，双向的好处是在处理> <，between and等'范围查询'语法时可以得心应手。

5、MySQL索引的一些使用规范

      1、  只为用于搜索、排序或分组的列创建索引。

            重点关注where语句后边的情况

     2、  当列中不重复值的个数在总记录条数中的占比很大时，才为列建立索引。

            例如手机号、用户ID、班级等，但是比如一张全校学生表，每条记录是一名学生，where语句是查询所有’某学校‘的学生，那么其实也不会提高性能。

     3、  索引列的类型尽量小。

           无论是主键还是索引列都尽量选择小的，如果很大则会占据很大的索引空间。

     4、  可以只为索引列前缀创建索引，减少索引占用的存储空间。

           alter table single_table add index idx_key1(key1(10))

     5、  尽量使用覆盖索引进行查询，以避免回表操作带来的性能损耗。

           select key1 from single_table order by key1

     6、  为了尽可能的少的让聚簇索引发生页面分裂的情况，建议让主键自增。

     7、  定位并删除表中的冗余和重复索引。

          冗余索引：

                 单列索引：（字段1）

                 联合索引：（字段1 字段2）

           重复索引：

                 在一个字段上添加了普通索引、唯一索引、主键等多个索引

6、 执行计划

        其中常用的是：

        possible_keys:  可能用到的索引

        key:  实际使用的索引

        rows：预估的需要读取的记录条数

7、 线上案例

      案例1：

      在建设互联网医院系统中，问诊单表当时量级23万左右，其中有一个business_id字符串字段，这个字段用来记录外部订单的ID，并且在该字段上也加了索引，但是'根据该ID查询详情'的SQL语句却总是时好时坏，性能不稳定，快则10ms，慢则2秒左右，SQL大体如下：

     select 字段1、字段2、字段3   from nethp_diag where business_Id = ?

     因为business_id是记录第三方系统的订单ID，为了兼容不同的第三方系统，因而设计成了字符串类型，但如果传入的是一个数字类型是无法使用索引的，因为MySQL只能将字符串转数字，而不能将数字转字符串，由于外部的ID有的是数字有的是字符串，因而导致索引一会可以走到，一会走不到，最终导致了性能的不稳定。

      案例2：

     在某次大促的当天，突然接到DBA运维的报警，说数据库突然流量激增，CPU也打到100%了，影响了部分线上功能和体验，遇到这种情况当时大部分人都比较紧张，下图为当时的数据库流量情况：

 

相关SQL语句：

     

 

   select count(1)

   from jdhe_medical_record

   where status = 1 and is_test = #{isTest,jdbcType=INTEGER} and electric_medical_record_status in (2,3)

   

     and patient_id = #{patientId,jdbcType=BIGINT}

 

   

     and doctor_pin = #{doctorPin,jdbcType=VARCHAR}

   

   and created >#{dateStart,jdbcType=TIMESTAMP};

 

当时的索引情况

当时的执行计划

   其实在patientId和doctor_pin两个字段上是有索引的，但是由于线上情况的改变，导致test判断没有进入，这样的通用查询导致这两个字段没有设置上，进而导致了数据库扫描的量激增，对数据库产生了很大压力。

         

        案例3：

   2020年某日上午收到数据库CPU异常报警，对线上有一定的影响，后续检查数据库CPU情况如下，从7点51分开始，CPU从8%瞬间达到99.92%，丝毫没有给程序员留任何情面。

当时的SQL语句：

   select rx_id, rx_create_time
        from nethp_rx_info
   where rx_status = 5
        and status = 1
        and rx_product_type = 0
        and (parent_rx_id = 0 or parent_rx_id is null)
        and business_type != 7
        and vender_id = 8888
  order by rx_create_time asc
  limit 1;

当时的索引情况:

PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uniq_rx_id` (`rx_id`),
KEY `idx_diag_id` (`diag_id`),
KEY `idx_doctor_pin` (`doctor_pin`) USING BTREE,
KEY `idx_rx_storeId` (`store_id`),
KEY `idx_parent_rx_id` (`parent_rx_id`) USING BTREE,
KEY `idx_rx_status` (`rx_status`) USING BTREE,
KEY `idx_doctor_status_type` (`doctor_pin`, `rx_status`, `rx_type`),
KEY `idx_business_store` (`business_type`, `store_id`),
KEY `idx_doctor_pin_patientid` (`patient_id`, `doctor_pin`) USING BTREE,
KEY `idx_rx_create_time` (`rx_create_time`)

当时这张表量级2000多万，而当这条慢SQL执行较少的时候，数据库的CPU也就下来了，恢复到了49.91%，基本可以恢复线上业务，从而表象就是线上间歇性的一会可以开方一会不可以，这条SQL当时总共执行了230次，当时的CPU情况也是忽高忽低，伴随这条SQL语句的执行情况，从而最终证明CPU的飙升是由于这条慢SQL。当线上业务逻辑复杂的时候，你很难第一时间知道到底是由于那条SQL引起的，这个就需要对业务非常熟悉，对SQL很熟悉，否则就会白白浪费大量的排查时间。

最后的排查结果：

在头天晚上的时候添加了一条索引rx_create_time，当时没事，但是第二天却出了事故。

加索引前后走的索引不同，一个是走的rx_status（处方审核状态）单列索引，一个是走的rx_create_time(处方提交事件)单列索引，这个就要回到业务，因为处方状态是个枚举，且枚举范围不到10个，也就说线上29,000,000的数据量也就是被分成了不到10份，rx_status=5的值是其中一份，因而通过这个索引就可以命中很多行，这是业务规则，再套用MySQL的特性，主要是以下几条：

1、没加新索引rx_create_time的时候，由于order by后边没有索引，就看where条件中是否有合适的索引，查询选择器选定rx_status这个单列索引，而rx_status=5这个条件下限制的数据行在索引中是连续，即使需要的rx_id不在索引中，再回主键聚簇索引也来得及，由于order by后边没有索引，所以走磁盘级别的排序filesort，高峰积压的时候处方就1万到2万，跑到了100ms,白天低谷的时候几百单也就20ms。

2、新加索引之后，就分两种情况：

2.1、加索引是在晚上，当前命中的行数比较少，由于当天晚上的时候待审核的处方确实很少，也就是rx_status=5的确实很少，查询优化器感觉反正没多少行，排序不重要，因而就还是选择rx_status索引。

2.2、第二天白天，待审核的处方数量很多了（rx_status=5的数据量多了），当时可以命中几万数据，如果当前命中的行数比较多，查询优化器就开始算成本，感觉排序的成本会更高，那就优先保排序吧，所以就选择rx_create_time这个字段，但是这个索引树上没有别的索引字段的信息，没办法，几乎每条数据都要回表，进而引发了灾难。