【MySQL】深入了解索引的底层逻辑结构

主键排序

我们创建一个user表，并乱序插入数据

mysql> create table if not exists user(
    -> id int primary key,
    -> age int not null,
    -> name varchar(16) not null
    -> );

mysql> insert into user (id,age,name )values(3,18,'杨过'),
											(4,16,'小龙女'),
											(2,26,'黄蓉'),
											(5,36,'郭靖'),
											(1,56,'欧阳锋');
Query OK, 5 rows affected (0.00 sec)
Records: 5  Duplicates: 0  Warnings: 0

mysql> select * from user;
+----+-----+-----------+
| id | age | name      |
+----+-----+-----------+
|  1 |  56 | 欧阳锋    |
|  2 |  26 | 黄蓉      |
|  3 |  18 | 杨过      |
|  4 |  16 | 小龙女    |
|  5 |  36 | 郭靖      |
+----+-----+-----------+
5 rows in set (0.00 sec)

我们发现，虽然是乱序插入，但是显示出来却是排好序的。这是MySQL做的吗？让我们带着这个疑问开始本章的学习

一. InnoDB的索引结构

MySQL的基本单位是Page，Page存储着数据，而一个数据表文件因其数据量多少由一个或多个Page构成

1. 单个page

不同的Page，在MySQL中，都是16KB大小，使用page_prev和page_next互相链接，构成双向链表

上面构建的user表，因为有主键，所以MySQL会默认按照主键对数据进行排序，让Page内的数据是有序且彼此关联的

排序同时也可以提高查询速度
Page内部存放数据，实质是使用了链表，链表是增删快，查询慢，所以需要优化查询效率。
而有序，可以保证每次查询都是有效查询，当前值一定比前面的值大，比后面的值小。

2. 多个page

• Page的作用是在查询数据时，直接将一整页的数据加载到内存中，以减少IO次数，从而提高性能。但Page内部采用了链表的结构，还是需要线性遍历的，效率太低

MySQL使用页目录进一步提高查询效率

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页目录

我们在看一本书时，前几页是整本书的目录，如果我们想查看其中的某一章节，那么就可以根据目录中那一章节的页数，跳跃查找
但存储目录同样需要纸张，所以目录是一种以空间换时间的做法

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单页情况

我们在单页Page中加入目录

通过引入目录，如果我们要查询id=4的数据，之前需要线性遍历4次，但现在可以先通过目录2[3]，直接进行定位新的起始位置，提高了效率。

所以，为什么MySQL要自动排序呢？
因为方便引入目录

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多页情况

Page的大小为16KB，当数据量不断增大时，势必需要多个Page存储数据
在单表数据不断被插入的情况下，MySQL会在容量不足时，自动开辟新的Page来保存新的数据，使用指针的方式，将所有的Page组织起来

而当Page越来越多时，Page之间也是使用指针连接，整体是双向链表结构，Page之间仍是线性查询。
如何解决呢？其实是一样的，给这些Page也带上目录就好了

• 使用一个目录来指向某一页，而这个目录项存放的是指向的Page中存放的最小的数据的键值
• 和Page内目录不同的地方在于，这种目录管理的级别是Page，页内目录管理级别是行
• 其中，每个目录项的构成是：键值+指针（下图没画指针的地址）

存在一个目录页来管理页目录，目录页中的数据存放的就是指向的那个Page中最小的数据。有数据，就可以通过比较，找到该访问那个Page，进而通过指针，找到下一个Page

目录页的本质也是页，普通页中存放的是用户数据，目录页存放的是普通页的地址

即使数据量变大，页目录变大，我们依然可以再在上方添加管理页目录的页目录来加快检索效率

这种结构其实就是B+树
此时，随便查找一个id值，查找的Page数减少，意味着IO次数也减少了，那么效率也就提高了

总结一下

• Page分为目录页和数据页，目录页只放各个下级Page的最小键值
• 查找的时候，自顶向下查找，只需要加载部分目录页到内存中，即可以完成算法的整个查找过程，大大减少了IO次数

二. 为什么选择B+树

• 链表or线性表
  链表和线性表肯定是不行的，线性查找的效率太低了

• 二叉搜索树
  二叉搜索树，如果插入的值一直比起始都大或者小，就会出现退化的问题，变成线性结构

• AVL树&&红黑树
  虽然AVL树是平衡树，红黑树是接近平衡，但是毕竟是二叉结构，相比较多阶B+，意味着树整体过高。都是自顶向下查找，层高越低，意味着查找次数越少，系统与硬盘的IO次数更少

• Hash
  官方的索引实现中，MySQL是支持Hash的，不过InnoDB和MyISAM并不支持Hase跟进其算法特征，决定了虽然有时候也很快O(1)，不过，在面对范围查找就明显不行，另外还有其他差别，有兴趣可以查一下

图中的BTREE是B+树

• B树

数据结构演示链接：数据结构可视化

B树

B+树

• B树的节点，既有数据，又有Page指针，而B+树，只有叶子节点有数据，其他目录页只有键值和Page指针

• B+树的叶子节点是相连的，而B树没有

之所以选择B+树，是因为目录页不存储数据，只存储指针，可以存储更多的key，可以使得树更矮，所以IO次数更少
叶子节点相连，也更便于进行范围查找

三. 聚簇索引和非聚簇索引

先介绍一下MyISAM的存储结构
MyISAM同样使用B+树，但不同的是叶节点的数据存放的是数据记录的地址。
如下图所示：CoI1为主键

MyISAM最大的特点，是将索引Page和数据Page分离，也就是叶子节点没有数据，只有对应数据的地址

相较于InnoDB索引，InnoDB是将索引和数据放在一起的

用MyISAM为存储引擎创建表会形成三个文件

.frm后缀表示表结构数据
.MYD后缀表示用户数据
.MYI后缀表示主键索引数据

其中，MyISAM这种用户数据与索引数据分离的索引方案，叫做非聚簇索引

用InnoDB为存储引擎创建表会形成两个文件

.from后缀表示表结构数据
.ibd后缀表示主键索引和用户数据

InnoDB这种用户数据与索引数据放在一起的索引方案，叫做聚簇索引

MySQL除了默认会建立主键索引以外，用户也可能按照需求用其他列信息建立索引，一般这种索引叫做普通（辅助）索引

对于MyISAM建立普通索引和主键索引没有什么差别，无非是主键不能重复，而非主键可以重复

下图是基于MyISAM的Col2建立的索引，和主键索引没有差别
MyISAM建立索引，会建立一个新的B+树，页目录和叶子结点所存储的指针改变，不会建立新的数据表

同样，InnoDB除了主键索引，用户也会创建普通索引，以上表的Col3建立普通索引，如下图

可以看到，InnoDB的非主键索引中叶子节点并没有数据，而只有对应记录的key值，存储的是主键索引的键值

所以通过普通索引，找到目标记录，需要两遍索引：
首先检索普通索引获得主键
然后用主键在主键索引中检索获得数据。
这个过程，叫作回表查询

结束语

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