深入浅出索引(上)

场景引入

某一个 SQL 查询比较慢,分析完原因之后,你可能就会说“给某个字段加个索引吧”之类的解决方案。但到底什么是索引,索引又是如何工作的呢?

一句话简单来说,索引的出现其实就是为了提高数据查询的效率,就像书的目录一样。一本
500 页的书,如果你想快速找到其中的某一个知识点,在不借助目录的情况下,那我估计
你可得找一会儿。同样,对于数据库的表而言,索引其实就是它的“目录”。

索引的常见模型

是哈希表、有序数组和搜索树

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。又因为前面我们提到的,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 里面对应一棵 B+ 树。
假设,我们有一个主键列为 ID 的表,表中有字段 k,并且在 k 上有索引。
这个表的建表语句是:(这里我想停顿的一下,在k上有索引实际上就是,又有一个b+树)

深入浅出索引(上)_第1张图片

表中 R1~R5 的 (ID,k) 值分别为 (100,1)、(200,2)、(300,3)、(500,5) 和 (600,6),两棵树
的示例示意图如下。

深入浅出索引(上)_第2张图片

从图中不难看出,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)

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 

为什么还要有二次索引

深入浅出索引(上)_第3张图片

 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%。

穿插

深入浅出索引(上)_第4张图片
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。
你一定看出来了,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。

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