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MySQL索引原理及慢查询优化

时间:2019-04-17   访问量:8

MySQL凭借着出色的性能、低廉的成本、丰富的资源,已经成为绝大多数互联网公司的首选关系型数据库。虽然性能出色,但所谓“好马配好鞍”,如何能够更好的使用它,已经成为开发工程师的必修课,我们经常会从职位描述上看到诸如“精通MySQL”、“SQL语句优化”、“了解数据库原理”等要求。我们知道一般的应用系统,读写比例在10:1左右,而且插入操作和一般的更新操作很少出现性能问题,遇到最多的,也是最容易出问题的,还是一些复杂的查询操作,所以查询语句的优化显然是重中之重。

一个慢查询引发的思考

select
   count(*)from
   taskwhere
   status=2
   and operator_id=20839
   and operate_time>1371169729
   and operate_time<1371174603
   and type=2;

系统使用者反应有一个功能越来越慢,于是工程师找到了上面的SQL。 并且兴致冲冲的找到了我,“这个SQL需要优化,给我把每个字段都加上索引” 我很惊讶,问道“为什么需要每个字段都加上索引?” “把查询的字段都加上索引会更快”工程师信心满满 “这种情况完全可以建一个联合索引,因为是最左前缀匹配,所以operate_time需要放到最后,而且还需要把其他相关的查询都拿来,需要做一个综合评估。” “联合索引?最左前缀匹配?综合评估?”工程师不禁陷入了沉思。 多数情况下,我们知道索引能够提高查询效率,但应该如何建立索引?索引的顺序如何?许多人却只知道大概。其实理解这些概念并不难,而且索引的原理远没有想象的那么复杂。

MySQL索引原理

索引目的

索引的目的在于提高查询效率,可以类比字典,如果要查“mysql”这个单词,我们肯定需要定位到m字母,然后从下往下找到y字母,再找到剩下的sql。如果没有索引,那么你可能需要把所有单词看一遍才能找到你想要的,如果我想找到m开头的单词呢?或者ze开头的单词呢?是不是觉得如果没有索引,这个事情根本无法完成?

索引原理

除了词典,生活中随处可见索引的例子,如火车站的车次表、图书的目录等。它们的原理都是一样的,通过不断的缩小想要获得数据的范围来筛选出最终想要的结果,同时把随机的事件变成顺序的事件,也就是我们总是通过同一种查找方式来锁定数据。 数据库也是一样,但显然要复杂许多,因为不仅面临着等值查询,还有范围查询(>、<、between、in)、模糊查询(like)、并集查询(or)等等。数据库应该选择怎么样的方式来应对所有的问题呢?我们回想字典的例子,能不能把数据分成段,然后分段查询呢?最简单的如果1000条数据,1到100分成第一段,101到200分成第二段,201到300分成第三段......这样查第250条数据,只要找第三段就可以了,一下子去除了90%的无效数据。但如果是1千万的记录呢,分成几段比较好?稍有算法基础的同学会想到搜索树,其平均复杂度是lgN,具有不错的查询性能。但这里我们忽略了一个关键的问题,复杂度模型是基于每次相同的操作成本来考虑的,数据库实现比较复杂,数据保存在磁盘上,而为了提高性能,每次又可以把部分数据读入内存来计算,因为我们知道访问磁盘的成本大概是访问内存的十万倍左右,所以简单的搜索树难以满足复杂的应用场景。

磁盘IO与预读

前面提到了访问磁盘,那么这里先简单介绍一下磁盘IO和预读,磁盘读取数据靠的是机械运动,每次读取数据花费的时间可以分为寻道时间、旋转延迟、传输时间三个部分,寻道时间指的是磁臂移动到指定磁道所需要的时间,主流磁盘一般在5ms以下;旋转延迟就是我们经常听说的磁盘转速,比如一个磁盘7200转,表示每分钟能转7200次,也就是说1秒钟能转120次,旋转延迟就是1/120/2 = 4.17ms;传输时间指的是从磁盘读出或将数据写入磁盘的时间,一般在零点几毫秒,相对于前两个时间可以忽略不计。那么访问一次磁盘的时间,即一次磁盘IO的时间约等于5+4.17 = 9ms左右,听起来还挺不错的,但要知道一台500 -MIPS的机器每秒可以执行5亿条指令,因为指令依靠的是电的性质,换句话说执行一次IO的时间可以执行40万条指令,数据库动辄十万百万乃至千万级数据,每次9毫秒的时间,显然是个灾难。下图是计算机硬件延迟的对比图,供大家参考: various-system-software-hardware-latencies 考虑到磁盘IO是非常高昂的操作,计算机操作系统做了一些优化,当一次IO时,不光把当前磁盘地址的数据,而是把相邻的数据也都读取到内存缓冲区内,因为局部预读性原理告诉我们,当计算机访问一个地址的数据的时候,与其相邻的数据也会很快被访问到。每一次IO读取的数据我们称之为一页(page)。具体一页有多大数据跟操作系统有关,一般为4k或8k,也就是我们读取一页内的数据时候,实际上才发生了一次IO,这个理论对于索引的数据结构设计非常有帮助。

索引的数据结构

前面讲了生活中索引的例子,索引的基本原理,数据库的复杂性,又讲了操作系统的相关知识,目的就是让大家了解,任何一种数据结构都不是凭空产生的,一定会有它的背景和使用场景,我们现在总结一下,我们需要这种数据结构能够做些什么,其实很简单,那就是:每次查找数据时把磁盘IO次数控制在一个很小的数量级,最好是常数数量级。那么我们就想到如果一个高度可控的多路搜索树是否能满足需求呢?就这样,b+树应运而生。

详解b+树

b+æ ‘

b+树 如上图,是一颗b+树,关于b+树的定义可以参见B+树,这里只说一些重点,浅蓝色的块我们称之为一个磁盘块,可以看到每个磁盘块包含几个数据项(深蓝色所示)和指针(黄色所示),如磁盘块1包含数据项17和35,包含指针P1、P2、P3,P1表示小于17的磁盘块,P2表示在17和35之间的磁盘块,P3表示大于35的磁盘块。真实的数据存在于叶子节点即3、5、9、10、13、15、28、29、36、60、75、79、90、99。非叶子节点不存储真实的数据,只存储指引搜索方向的数据项,如17、35并不真实存在于数据表中。

b+树的查找过程

如图所示,如果要查找数据项29,那么首先会把磁盘块1由磁盘加载到内存,此时发生一次IO,在内存中用二分查找确定29在17和35之间,锁定磁盘块1的P2指针,内存时间因为非常短(相比磁盘的IO)可以忽略不计,通过磁盘块1的P2指针的磁盘地址把磁盘块3由磁盘加载到内存,发生第二次IO,29在26和30之间,锁定磁盘块3的P2指针,通过指针加载磁盘块8到内存,发生第三次IO,同时内存中做二分查找找到29,结束查询,总计三次IO。真实的情况是,3层的b+树可以表示上百万的数据,如果上百万的数据查找只需要三次IO,性能提高将是巨大的,如果没有索引,每个数据项都要发生一次IO,那么总共需要百万次的IO,显然成本非常非常高。

b+树性质

1.通过上面的分析,我们知道IO次数取决于b+数的高度h,假设当前数据表的数据为N,每个磁盘块的数据项的数量是m,则有h=㏒(m+1)N,当数据量N一定的情况下,m越大,h越小;而m = 磁盘块的大小 / 数据项的大小,磁盘块的大小也就是一个数据页的大小,是固定的,如果数据项占的空间越小,数据项的数量越多,树的高度越低。这就是为什么每个数据项,即索引字段要尽量的小,比如int占4字节,要比bigint8字节少一半。这也是为什么b+树要求把真实的数据放到叶子节点而不是内层节点,一旦放到内层节点,磁盘块的数据项会大幅度下降,导致树增高。当数据项等于1时将会退化成线性表。 2.当b+树的数据项是复合的数据结构,比如(name,age,sex)的时候,b+数是按照从左到右的顺序来建立搜索树的,比如当(张三,20,F)这样的数据来检索的时候,b+树会优先比较name来确定下一步的所搜方向,如果name相同再依次比较age和sex,最后得到检索的数据;但当(20,F)这样的没有name的数据来的时候,b+树就不知道下一步该查哪个节点,因为建立搜索树的时候name就是第一个比较因子,必须要先根据name来搜索才能知道下一步去哪里查询。比如当(张三,F)这样的数据来检索时,b+树可以用name来指定搜索方向,但下一个字段age的缺失,所以只能把名字等于张三的数据都找到,然后再匹配性别是F的数据了, 这个是非常重要的性质,即索引的最左匹配特性。

慢查询优化

关于MySQL索引原理是比较枯燥的东西,大家只需要有一个感性的认识,并不需要理解得非常透彻和深入。我们回头来看看一开始我们说的慢查询,了解完索引原理之后,大家是不是有什么想法呢?先总结一下索引的几大基本原则

建索引的几大原则

  1. 最左前缀匹配原则,非常重要的原则,mysql会一直向右匹配直到遇到范围查询(>、<、between、like)就停止匹配,比如a = 1 and b = 2 and c > 3 and d = 4 如果建立(a,b,c,d)顺序的索引,d是用不到索引的,如果建立(a,b,d,c)的索引则都可以用到,a,b,d的顺序可以任意调整。

  2. =和in可以乱序,比如a = 1 and b = 2 and c = 3 建立(a,b,c)索引可以任意顺序,mysql的查询优化器会帮你优化成索引可以识别的形式

  3. 尽量选择区分度高的列作为索引,区分度的公式是count(distinct col)/count(*),表示字段不重复的比例,比例越大我们扫描的记录数越少,唯一键的区分度是1,而一些状态、性别字段可能在大数据面前区分度就是0,那可能有人会问,这个比例有什么经验值吗?使用场景不同,这个值也很难确定,一般需要join的字段我们都要求是0.1以上,即平均1条扫描10条记录

  4. 索引列不能参与计算,保持列“干净”,比如from_unixtime(create_time) = ’2014-05-29’就不能使用到索引,原因很简单,b+树中存的都是数据表中的字段值,但进行检索时,需要把所有元素都应用函数才能比较,显然成本太大。所以语句应该写成create_time = unix_timestamp(’2014-05-29’);

  5. 尽量的扩展索引,不要新建索引。比如表中已经有a的索引,现在要加(a,b)的索引,那么只需要修改原来的索引即可

回到开始的慢查询 根据最左匹配原则,最开始的sql语句的索引应该是status、operator_id、type、operate_time的联合索引;其中status、operator_id、type的顺序可以颠倒,所以我才会说,把这个表的所有相关查询都找到,会综合分析; 比如还有如下查询

select from task where status = 0 and type = 12 limit 10; select count() from task where status = 0 ; 那么索引建立成(status,type,operator_id,operate_time)就是非常正确的,因为可以覆盖到所有情况。这个就是利用了索引的最左匹配的原则

查询优化神器 - explain命令 关于explain命令相信大家并不陌生,具体用法和字段含义可以参考官网explain-output,这里需要强调rows是核心指标,绝大部分rows小的语句执行一定很快(有例外,下面会讲到)。所以优化语句基本上都是在优化rows。

慢查询优化基本步骤

  1. 先运行看看是否真的很慢,注意设置SQL_NO_CACHE

  2. where条件单表查,锁定最小返回记录表。这句话的意思是把查询语句的 where都应用到表中返回的记录数最小的表开始查起,单表每个字段分别查询,看哪个字段的区分度最高

  3. explain查看执行计划,是否与1预期一致(从锁定记录较少的表开始查询)

  4. order by limit 形式的sql语句让排序的表优先查

  5. 了解业务方使用场景

  6. 加索引时参照建索引的几大原则

  7. 观察结果,不符合预期继续从0分析

几个慢查询案例 下面几个例子详细解释了如何分析和优化慢查询

复杂语句写法 很多情况下,我们写SQL只是为了实现功能,这只是第一步,不同的语句书写方式对于效率往往有本质的差别,这要求我们对mysql的执行计划和索引原则有非常清楚的认识,请看下面的语句

select
   distinct cert.emp_idfrom
   cm_log clinner join
   (      select
         emp.id as emp_id,
         emp_cert.id as cert_id      from
         employee emp      left join
         emp_certificate emp_cert            on emp.id = emp_cert.emp_id      where
         emp.is_deleted=0
   ) cert      on (
         cl.ref_table='Employee'
         and cl.ref_oid= cert.emp_id
      )      or (
         cl.ref_table='EmpCertificate'
         and cl.ref_oid= cert.cert_id
      )where
   cl.last_upd_date >='2013-11-07 15:03:00'
   and cl.last_upd_date<='2013-11-08 16:00:00';

先运行一下,53条记录 1.87秒,又没有用聚合语句,比较慢

53 rows in set (1.87 sec)

1.explain

+----+-------------+------------+-------+---------------------------------+-----------------------+---------+-------------------+-------+--------------------------------+
| id | select_type | table      | type  | possible_keys                   | key                   | key_len | ref               | rows  | Extra                          |
+----+-------------+------------+-------+---------------------------------+-----------------------+---------+-------------------+-------+--------------------------------+
|  1 | PRIMARY     | cl         | range | cm_log_cls_id,idx_last_upd_date | idx_last_upd_date     | 8       | NULL              |   379 | Using where; Using temporary   |
|  1 | PRIMARY     | <derived2> | ALL   | NULL                            | NULL                  | NULL    | NULL              | 63727 | Using where; Using join buffer |
|  2 | DERIVED     | emp        | ALL   | NULL                            | NULL                  | NULL    | NULL              | 13317 | Using where                    |
|  2 | DERIVED     | emp_cert   | ref   | emp_certificate_empid           | emp_certificate_empid | 4       | meituanorg.emp.id |     1 | Using index                    |
+----+-------------+------------+-------+---------------------------------+-----------------------+---------+-------------------+-------+--------------------------------+

简述一下执行计划,首先mysql根据idx_last_upd_date索引扫描cm_log表获得379条记录;然后查表扫描了63727条记录,分为两部分,derived表示构造表,也就是不存在的表,可以简单理解成是一个语句形成的结果集,后面的数字表示语句的ID。derived2表示的是ID = 2的查询构造了虚拟表,并且返回了63727条记录。我们再来看看ID = 2的语句究竟做了写什么返回了这么大量的数据,首先全表扫描employee表13317条记录,然后根据索引emp_certificate_empid关联emp_certificate表,rows = 1表示,每个关联都只锁定了一条记录,效率比较高。获得后,再和cm_log的379条记录根据规则关联。从执行过程上可以看出返回了太多的数据,返回的数据绝大部分cm_log都用不到,因为cm_log只锁定了379条记录。 如何优化呢?可以看到我们在运行完后还是要和cm_log做join,那么我们能不能之前和cm_log做join呢?仔细分析语句不难发现,其基本思想是如果cm_log的ref_table是EmpCertificate就关联emp_certificate表,如果ref_table是Employee就关联employee表,我们完全可以拆成两部分,并用union连接起来,注意这里用union,而不用union all是因为原语句有“distinct”来得到唯一的记录,而union恰好具备了这种功能。如果原语句中没有distinct不需要去重,我们就可以直接使用union all了,因为使用union需要去重的动作,会影响SQL性能。 优化过的语句如下

select
   emp.idfrom
   cm_log clinner join
   employee emp      on cl.ref_table = 'Employee'
      and cl.ref_oid = emp.idwhere
   cl.last_upd_date >='2013-11-07 15:03:00'
   and cl.last_upd_date<='2013-11-08 16:00:00'
   and emp.is_deleted = 0unionselect
   emp.idfrom
   cm_log clinner join
   emp_certificate ec      on cl.ref_table = 'EmpCertificate'
      and cl.ref_oid = ec.idinner join
   employee emp      on emp.id = ec.emp_idwhere
   cl.last_upd_date >='2013-11-07 15:03:00'
   and cl.last_upd_date<='2013-11-08 16:00:00'
   and emp.is_deleted = 0

4.不需要了解业务场景,只需要改造的语句和改造之前的语句保持结果一致

5.现有索引可以满足,不需要建索引

6.用改造后的语句实验一下,只需要10ms 降低了近200倍!

53 rows in set (0.01 sec) 明确应用场景 举这个例子的目的在于颠覆我们对列的区分度的认知,一般上我们认为区分度越高的列,越容易锁定更少的记录,但在一些特殊的情况下,这种理论是有局限性的

select fromstage_poi spwheresp.accurate_result=1and (
 sp.sync_status=0
 or sp.sync_status=2
 or sp.sync_status=4);

0.先看看运行多长时间,951条数据6.22秒,真的很慢

951 rows in set (6.22 sec)

1.先explain,rows达到了361万,type = ALL表明是全表扫描

2.所有字段都应用查询返回记录数,因为是单表查询 0已经做过了951条

3.让explain的rows 尽量逼近951

看一下accurate_result = 1的记录数

select count(*),accurate_result from stage_poi  group by accurate_result;
+----------+-----------------+
| count(*) | accurate_result |
+----------+-----------------+
|     1023 |              -1 |
|  2114655 |               0 |
|   972815 |               1 |
+----------+-----------------+

我们看到accurate_result这个字段的区分度非常低,整个表只有-1,0,1三个值,加上索引也无法锁定特别少量的数据

再看一下sync_status字段的情况

select count(*),sync_status from stage_poi  group by sync_status;
+----------+-------------+
| count(*) | sync_status |
+----------+-------------+
|     3080 |           0 |
|  3085413 |           3 |
+----------+-------------+

同样的区分度也很低,根据理论,也不适合建立索引

问题分析到这,好像得出了这个表无法优化的结论,两个列的区分度都很低,即便加上索引也只能适应这种情况,很难做普遍性的优化,比如当sync_status 0、3分布的很平均,那么锁定记录也是百万级别的

4.找业务方去沟通,看看使用场景。业务方是这么来使用这个SQL语句的,每隔五分钟会扫描符合条件的数据,处理完成后把sync_status这个字段变成1,五分钟符合条件的记录数并不会太多,1000个左右。了解了业务方的使用场景后,优化这个SQL就变得简单了,因为业务方保证了数据的不平衡,如果加上索引可以过滤掉绝大部分不需要的数据

5.根据建立索引规则,使用如下语句建立索引

alter table stage_poi add index idx_acc_status(accurate_result,sync_status);

6.观察预期结果,发现只需要200ms,快了30多倍。

952 rows in set (0.20 sec)

我们再来回顾一下分析问题的过程,单表查询相对来说比较好优化,大部分时候只需要把where条件里面的字段依照规则加上索引就好,如果只是这种“无脑”优化的话,显然一些区分度非常低的列,不应该加索引的列也会被加上索引,这样会对插入、更新性能造成严重的影响,同时也有可能影响其它的查询语句。所以我们第4步调差SQL的使用场景非常关键,我们只有知道这个业务场景,才能更好地辅助我们更好的分析和优化查询语句。

无法优化的语句

select
   c.id,
   c.name,
   c.position,
   c.sex,
   c.phone,
   c.office_phone,
   c.feature_info,
   c.birthday,
   c.creator_id,
   c.is_keyperson,
   c.giveup_reason,
   c.status,
   c.data_source,
   from_unixtime(c.created_time) as created_time,
   from_unixtime(c.last_modified) as last_modified,
   c.last_modified_user_idfrom
   contact cinner join
   contact_branch cb      on  c.id = cb.contact_idinner join
   branch_user bu      on  cb.branch_id = bu.branch_id      and bu.status in (         1,      2)   inner join
      org_emp_info oei         on  oei.data_id = bu.user_id         and oei.node_left >= 2875
         and oei.node_right <= 10802
         and oei.org_category = - 1
   order by
      c.created_time desc  limit 0 ,      10;

还是几个步骤 0.先看语句运行多长时间,10条记录用了13秒,已经不可忍受

10 rows in set (13.06 sec)

1.explain

+----+-------------+-------+--------+-------------------------------------+-------------------------+---------+--------------------------+------+----------------------------------------------+| id | select_type | table | type   | possible_keys                       | key                     | key_len | ref                      | rows | Extra                                        |
+----+-------------+-------+--------+-------------------------------------+-------------------------+---------+--------------------------+------+----------------------------------------------+|  1 | SIMPLE      | oei   | ref    | idx_category_left_right,idx_data_id | idx_category_left_right | 5       | const                    | 8849 | Using where; Using temporary; Using filesort |
|  1 | SIMPLE      | bu    | ref    | PRIMARY,idx_userid_status           | idx_userid_status     &nb

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