一、索引的数据结构

1.1、为什么要使用索引

索引是存储引擎用于快速查找数据记录的一种数据结构，就好比一本教科书的目录部分，通过目录中找到对应文章的页码，便可快速定位到需要的文章。MySQL中也是一样的道理，进行数据查找时，首先查看查询条件是否命中某条索引，符合则通过索引查找相关数据，如果不符合则需要全表扫描，即需要一条一条地查找记录，直到找到与条件符合的记录。

         如上图所示，数据库没有索引的情况下，数据分布在硬盘不同的位置上面，读取数据时，摆臂需要前后摆动查询数据，这样操作非常消耗时间。如果数据顺序摆放，那么也需要从1到6行按顺序读取，这样就相当于进行了6次IO操作，依旧非常耗时。如果我们不借助任何索引结构帮助我们快速定位数据的话，我们查找 Col 2 = 89 这条记录，就要逐行去查找、去比较。从Col 2 = 34 开始，进行比较，发现不是，继续下一行。我们当前的表只有不到10行数据，但如果表很大的话，有上千万条数据，就意味着要做很多很多次硬盘I/0才能找到。现在要查找 Col 2 = 89 这条记录。CPU必须先去磁盘查找这条记录，找到之后加载到内存，再对数据进行处理。这个过程最耗时间就是磁盘I/O（涉及到磁盘的旋转时间（速度较快），磁头的寻道时间(速度慢、费时)）

假如给数据使用 二叉树 这样的数据结构进行存储，如下图所示

对字段 Col 2 添加了索引，就相当于在硬盘上为 Col 2 维护了一个索引的数据结构，即这个 二叉搜索树。二叉搜索树的每个结点存储的是 (K, V) 结构，key 是 Col 2，value 是该 key 所在行的文件指针（地址）。比如：该二叉搜索树的根节点就是：(34, 0x07)。现在对 Col 2 添加了索引，这时再去查找 Col 2 = 89 这条记录的时候会先去查找该二叉搜索树（二叉树的遍历查找）。读 34 到内存，89 > 34; 继续右侧数据，读 89 到内存，89==89；找到数据返回。找到之后就根据当前结点的 value 快速定位到要查找的记录对应的地址。我们可以发现，只需要 查找两次 就可以定位到记录的地址，查询速度就提高了。

这就是我们为什么要建索引，目的就是为了 减少磁盘I/O的次数，加快查询速率。

1.2、索引及其优缺点

1.2.1、索引概述

MySQL官方对索引的定义为：索引（Index）是帮助MySQL高效获取数据的数据结构。

索引的本质：索引是数据结构，可以简单理解为排好序的快速查找数据结构，满足特定查找算法，这些数据结构以某种方式指向数据， 这样就可以在这些数据结构的基础上实现 高级查找算法 。

   索引是在存储引擎中实现的，因此每种存储引擎的索引不一定完全相同，并且每种存储引擎不一定支持所有索引类型。同时，存储引擎可以定义每个表的 最大索引数和 最大索引长度。所有存储引擎支持每个表至少16个索引，总索引长度至少为256字节。有些存储引擎支持更多的索引数和更大的索引长度。

1.2.2、索引的优点

  • 类似大学图书馆建立书目索引，提高数据的检索效率，降低数据库的IO成本，这也是创建索引最主要的原因。
  • 通过创建唯一索引，可以保证数据库表中每一行数据的唯一性。
  • 在实现数据的参考完整性方面，可以加速表与表之间的连接，换句话说，对于有依赖关系的子表和父表联合查询时，可以提高查询速度。
  • 在使用分组和排序子句进行数据查询的时候，可以显著减少查询中分组和排序的时间，降低CPU的消耗。

1.2.3、索引的缺点

增加索引也有许多不利的方面，主要表现在如下几个方面：

  • 创建和维护索引要耗费时间，并且随着数据量的增加，所耗费的时间也会增加。
  • 索引需要占磁盘空间，除了数据表占数据空间之外，每一个索引还要占据一定的物理空间，存储在磁盘上，如果有大量的索引，索引文件就可能比数据文件更快达到最大文件尺寸。
  • 虽然索引大大提高了查询速度，同时却会降低更新表的速度，当对表中的数据进行增加、删除和修改的时候，索引也要动态的维护，这样就降低了数据的维护速度，因此，选择使用索引的时候，需要综合考虑索引的优点和缺点。

提示：索引可以提高查询的速度，但是会影响插入记录的速度。这种情况下，最好的办法是先删除表中的索引，然后插入数据，插入完成后再创建索引。

1.3、InnoDB中索引的推演

1.3.1、索引之前的查找

先来看一个精确匹配的例子：

SELECT [列名列表] FROM 表名 WHERE 列名 = xxx;

1、在一个页中的查找

假设目前表中的记录比较少，所有的记录都可以被存放到一个页中，在查找记录的时候可以根据搜索条件的不同分为两种情况：

  • 以主键为搜索条件

    可以在页目录中使用 二分法 快速定位到对应的槽，然后再遍历该槽对用分组中的记录即可快速找到指定记录。

  • 以其他列作为搜索条件

    因为在数据页中并没有对非主键列简历所谓的页目录，所以我们无法通过二分法快速定位相应的槽。这种情况下只能从 最小记录 开始 依次遍历单链表中的每条记录， 然后对比每条记录是不是符合搜索条件。很显然，这种查找的效率是非常低的。

2、在很多页中查找

在很多页中查找记录的活动可以分为两个步骤：

  1. 定位到记录所在的页。

  2. 从所在的页内中查找相应的记录。

在没有索引的情况下，不论是根据主键列或者其他列的值进行查找，由于我们并不能快速的定位到记录所在的页，所以只能 从第一个页沿着双向链表 一直往下找，在每一个页中根据我们上面的查找方式去查 找指定的记录。因为要遍历所有的数据页，所以这种方式显然是超级耗时 的。如果一个表有一亿条记录呢？此时索引应运而生。

1.3.2、设计索引

建一个表：

mysql> CREATE TABLE index_demo(
-> c1 INT,
-> c2 INT,
-> c3 CHAR(1),
-> PRIMARY KEY(c1)
-> ) ROW_FORMAT = Compact;

这个新建的 index_demo 表中有2个INT类型的列，1个CHAR(1)类型的列，而且我们规定了c1列为主键， 这个表使用 Compact 行格式来实际存储记录的。这里我们简化了index_demo表的行格式示意图：

我们只在示意图里展示记录的这几个部分：

  • record_type ：记录头信息的一项属性，表示记录的类型， 0 表示普通记录、 2 表示最小记 录、 3 表示最大记录、 1 暂时还没用过，下面讲。

  • mysql> CREATE TABLE index_demo( -> c1 INT, -> c2 INT, -> c3 CHAR(1), -> PRIMARY KEY(c1) -> ) ROW_FORMAT = Compact; next_record ：记录头信息的一项属性，表示下一条地址相对于本条记录的地址偏移量，我们用 箭头来表明下一条记录是谁。

  • 各个列的值 ：这里只记录在 index_demo 表中的三个列，分别是 c1 、 c2 和 c3 。

  • 其他信息 ：除了上述3种信息以外的所有信息，包括其他隐藏列的值以及记录的额外信息。

将记录格式示意图的其他信息项暂时去掉并把它竖起来的效果就是这样：

把一些记录放到页里的示意图就是：

 1、一个简单的索引设计方案

我们在根据某个搜索条件查找一些记录时为什么要遍历所有的数据页呢？因为各个页中的记录并没有规律，我们并不知道我们的搜索条件匹配哪些页中的记录，所以不得不依次遍历所有的数据页。所以如果我们 想快速的定位到需要查找的记录在哪些数据页 中该咋办？我们可以为快速定位记录所在的数据页而建立一个目录 ，建这个目录必须完成下边这些事：

  • 下一个数据页中用户记录的主键值必须大于上一个页中用户记录的主键
    假设：每个数据结构最多能存放3条记录（实际上一个数据页非常大，可以存放下好多记录）

    INSERT INTO index_demo VALUES(1, 4, 'u'), (3, 9, 'd'), (5, 3, 'y');

    那么这些记录以及按照主键值的大小串联成一个单向链表了，如图所示：

从图中可以看出来， index_demo 表中的3条记录都被插入到了编号为10的数据页中了。此时我们再来插入一条记录

INSERT INTO index_demo VALUES(4, 4, 'a');

因为 页10 最多只能放3条记录，所以我们不得不再分配一个新页：

注意：新分配的 数据页编号可能并不是连续的。它们只是通过维护者上一个页和下一个页的编号而建立了 链表 关系。另外，页10中用户记录最大的主键值是5，而页28中有一条记录的主键值是4，因为5>4，所以这就不符合下一个数据页中用户记录的主键值必须大于上一个页中用户记录的主键值的要求，所以在插入主键值为4的记录的时候需要伴随着一次 记录移动，也就是把主键值为5的记录移动到页28中，然后再把主键值为4的记录插入到页10中，这个过程的示意图如下：

         这个过程表明了在对页中的记录进行增删改查操作的过程中，我们必须通过一些诸如 记录移动 的操作来始终保证这个状态一直成立：下一个数据页中用户记录的主键值必须大于上一个页中用户记录的主键值。这个过程称为 页分裂。

  • 给所有的页建立一个目录项

由于数据页的 编号可能是不连续 的，所以在向 index_demo 表中插入许多条记录后，可能是这样的效果：

我们需要给它们做个 目录，每个页对应一个目录项，每个目录项包括下边两个部分：

1、页的用户记录中最小的主键值，我们用 key 来表示。

2、页号，我们用 page_on 表示。

以 页28为例，它对应目录项2 ，这个目录项中包含着该页的页号28以及该页中用户记录的最小主键值 5 。我们只需要把几个目录项在物理存储器上连续存储（比如：数组），就可以实现根据主键值快速查找某条记录的功能了。比如：查找主键值为 20 的记录，具体查找过程分两步：

  1. 先从目录项中根据 二分法 快速确定出主键值为 20 的记录在 目录项3 中（因为 12 < 20 < 209 ），它对应的页是 页9 。

  2. 再根据前边说的在页中查找记录的方式去 页9 中定位具体的记录。

至此，针对数据页做的简易目录就搞定了。这个目录有一个别名，称为 索引 。

2、InnoDB中的索引方案

① 迭代1次：目录项记录的页

InnoDB怎么区分一条记录是普通的 用户记录 还是 目录项记录 呢？使用记录头信息里的 record_type 属性，它的各自取值代表的意思如下：

  • 0：普通的用户记录
  • 1：目录项记录
  • 2：最小记录
  • 3：最大记录

我们把前边使用到的目录项放到数据页中的样子就是这样：

 从图中可以看出来，我们新分配了一个编号为30的页来专门存储目录项记录。这里再次强调 目录项记录 和普通的 用户记录 的不同点：

  • 目录项记录 的 record_type 值是1，而 普通用户记录 的 record_type 值是0。
  • 目录项记录只有 主键值和页的编号 两个列，而普通的用户记录的列是用户自己定义的，可能包含 很多列 ，另外还有InnoDB自己添加的隐藏列。
  • 了解：记录头信息里还有一个叫 min_rec_mask 的属性，只有在存储 目录项记录 的页中的主键值最小的 目录项记录 的 min_rec_mask 值为 1 ，其他别的记录的 min_rec_mask 值都是 0 。

 相同点：两者用的是一样的数据页，都会为主键值生成 Page Directory （页目录），从而在按照主键值进行查找时可以使用 二分法 来加快查询速度。

现在以查找主键为 20 的记录为例，根据某个主键值去查找记录的步骤就可以大致拆分成下边两步：

  1. 先到存储 目录项记录 的页，也就是页30中通过二分法 快速定位到对应目录项，因为 12 < 20 < 209 ，所以定位到对应的记录所在的页就是页9。

  2. 再到存储用户记录的页9中根据 二分法 快速定位到主键值为 20 的用户记录。

② 迭代2次：多个目录项记录的页

从图中可以看出，我们插入了一条主键值为320的用户记录之后需要两个新的数据页：

  • 为存储该用户记录而新生成了 页31 。

  • 因为原先存储目录项记录的 页30的容量已满 （我们前边假设只能存储4条目录项记录），所以不得 不需要一个新的 页32 来存放 页31 对应的目录项。

现在因为存储目录项记录的页不止一个，所以如果我们想根据主键值查找一条用户记录大致需要3个步骤，以查找主键值为 20 的记录为例：

  1. 确定目录项记录页，我们现在的存储目录项记录的页有两个，即 页30 和 页32 ，又因为页30表示的目录项的主键值的 范围是 [1, 320) ，页32表示的目录项的主键值不小于 320 ，所以主键值为 20 的记录对应的目 录项记录在 页30 中。

  2. 通过目录项记录页 确定用户记录真实所在的页。在一个存储 目录项记录 的页中通过主键值定位一条目录项记录的方式说过了。

  3. 在真实存储用户记录的页中定位到具体的记录。

③ 迭代3次：目录项记录也的目录页

如果我们表中的数据非常多则会产生很多存储目录项记录的页，那我们怎么根据主键值快速定位一个存储目录项记录的页呢？那就为这些存储目录项记录的页再生成一个更高级的目录，就像是一个多级目录一样，大目录里嵌套小目录，小目录里才是实际的数据，所以现在各个页的示意图就是这样子：

        如图，我们生成了一个存储更高级目录项的 页33 ，这个页中的两条记录分别代表页30和页32，如果用 户记录的主键值在 [1, 320) 之间，则到页30中查找更详细的目录项记录，如果主键值 不小于320 的 话，就到页32中查找更详细的目录项记录。

我们可以将上边的图抽象一下：

这个数据结构，它的名称是 B+。

 ④ B+Tree

一个B+树的节点其实可以分成好多层，规定最下边的那层，也就是存放我们用户记录的那层为第 0 层， 之后依次往上加。之前我们做了一个非常极端的假设：存放用户记录的页 最多存放3条记录 ，存放目录项 记录的页最多存放4条记录 。其实真实环境中一个页存放的记录数量是非常大的，假设所有存放用户记录的叶子节点代表的数据页可以存放100条用户记录 ，所有存放目录项记录的内节点代表的数据页可以存放1000条目录项记录，那么：

  • 如果B+树只有1层，也就是只有1个用于存放用户记录的节点，最多能存放 100 条记录。
  • 如果B+树有2层，最多能存放 1000×100=10,0000 条记录。
  • 如果B+树有3层，最多能存放 1000×1000×100=1,0000,0000 条记录。
  • 如果B+树有4层，最多能存放 1000×1000×1000×100=1000,0000,0000 条记录。相当多的记录！

你的表里能存放 100000000000 条记录吗？所以一般情况下，我们用到的 B+树都不会超过4层 ，那我们通过主键值去查找某条记录最多只需要做4个页面内的查找（查找3个目录项页和一个用户记录页），又因为在每个页面内有所谓的 Page Directory （页目录），所以在页面内也可以通过 二分法 实现快速定位记录。

1.3.3、常见索引概念

索引按照物理实现方式，索引可以分为 2 种：聚簇（聚集）索引和非聚簇（非聚集）索引。我们也把非聚集索引称为二级索引或者辅助索引。

 1、聚簇索引

聚簇索引并不是一种单独的索引类型，而是一种数据存储方式（所有的用户记录都存储在了叶子结点），也就是所谓的 索引即数据，数据即索引。

特点：

  • 使用记录主键值的大小进行记录和页的排序，这包括三个方面的含义：
    页内 的记录是按照主键的大小顺序排成一个 单向链表 。
    各个存放 用户记录的页 也是根据页中用户记录的主键大小顺序排成一个 双向链表 。
    存放 目录项记录的页 分为不同的层次，在同一层次中的页也是根据页中目录项记录的主键大小顺序排成一个 双向链表 。
  • B+树的 叶子节点 存储的是完整的用户记录。
    所谓完整的用户记录，就是指这个记录中存储了所有列的值（包括隐藏列）。

我们把具有这两种特性的B+树称为聚簇索引，所有完整的用户记录都存放在这个聚簇索引的叶子节点处。这种聚簇索引并不需要我们在MySQL语句中显式的使用INDEX 语句去创建，InnDB 存储引擎会 自动 的为我们创建聚簇索引。

优点：

  • 数据访问更快 ，因为聚簇索引将索引和数据保存在同一个B+树中，因此从聚簇索引中获取数据比非聚簇索引更快
  • 聚簇索引对于主键的 排序查找 和 范围查找 速度非常快
  • 按照聚簇索引排列顺序，查询显示一定范围数据的时候，由于数据都是紧密相连，数据库不用从多个数据页中提取数据，所以 节省了大量的IO操作 。

缺点：

  • 插入速度严重依赖于插入顺序 ，按照主键的顺序插入是最快的方式，否则将会出现页分裂，严重影响性能。因此，对于InnoDB表，我们一般都会定义一个自增的ID列为主
  • 更新主键的代价很高 ，因为将会导致被更新的行移动。因此，对于InnoDB表，我们一般定义主键为不可更
  • 二级索引访问需要两次索引查找 ，第一次找到主键值，第二次根据主键值找到行数据

限制：

  • 对于MySQL数据库来说目前之后InnoDB存储引擎支持聚簇索引，MyISAM并不支持聚簇索引
  • 对于数据物理存储排序方式只能有一种，所以每个MySQL的表只能有一个聚簇索引，一般情况下就是该表的主键
  • 如果没有定义主键，InnoDB会选择非空的唯一索引代替，如果没有这样的索引，InnoDB会隐式的定义一个主键来作为聚簇索引
  • 为了充分利用聚簇索引的聚簇的特性，所以InnoDB表的主键列尽量选用有序的顺序id，而不建议用无序的id，比如UUID、MD5、HASH、字符串列作为主键，因为无法保证数据的顺序增长

2、二级索引（辅助索引、非聚簇索引 ）

如果我们想以别的列作为搜索条件该怎么办？肯定不能是从头到尾沿着链表依次遍历记录一遍。

答案：我们可以多建几颗B+树，不同的B+树中的数据采用不同的排列规则。比方说我们用c2列的大小作为数据页、页中记录的排序规则，再建一课B+树，效果如下图所示：

这个B+树与上边介绍的聚簇索引有几处不同：

  • 使用记录c2列的大小进行记录和页的排序，这包括三个方面的含义：
    页内的记录时按照c2列的大小顺序排成的一个单项链表
    各个存放用户记录的页也是根据页中记录c2列大小顺序排成一个双向链表
    存放目录项记录的页分为不同的层次，在同一层次中的页也是根据页中目录项记录的c2列大小顺序排成一个双向链表
  • B+树的页子节点存储的并不是完整的用户记录，而是c2列+主键这两个列的值
  • 目录项记录中不再是主键+页号的搭配，而变成了c2列+页号的搭配

所以如果我们现在想通过c2列的值查找某些记录的话就可以使用我们刚刚建好的这个B+树了。以查找c2列的值为4的记录为例，查找过程如下:

  1. 确定目录项记录页，根据根页面，也就是页44，可以快速定位到目录项记录所在的页为页42(因为2 < 4 < 9）
  2. 通过目录项记录页确定用户记录真实所在的页。在页42中可以快速定位到实际存储用户记录的页，但是由于c2列并没有唯一性约束，所以c2列值为4的记录可能分布在多个数据页中，又因为2<4≤4，所以确定实际存储用户记录的页在页34和页35中。
  3. 在真实存储用户记录的页中定位到具体的记录。到页34和页35中定位到具体的记录。
  4. 但是这个B+树的叶子节点中的记录只存储了c2和主键两个列，所以我们必须再根据主键值去聚簇索引中再查找一遍完整的用户记录。

概念：回表

我们根据这个以c2列大小排序的B+树只能确定我们要查找记录的主键值，所以如果我们想根据c2列的值查找到完整的用户记录的话，仍然需要到 聚簇索引中再查一遍，这个过程称为回表 。也就是根据c2列的值查询一条完整的用户记录需要使用到2棵B+树！

这种按照非主键列建立的B+树需要一次回表操作才可以定位到完整的用户记录，所以这种B+树也被称为二级索引，或者辅助索引。由于使用的是c2列的大小作为B+树的排序规则，所以我们也称这个B+树为c2列简历的索引。

非聚簇索引的存在不影响数据在聚簇索引中的组织，所以一张表可以有多个非聚簇索引。

小结：聚簇索引与非聚簇索引的原理不同，在使用上也有一些区别：

  • 聚簇索引的叶子节点存储的就是我们的数据记录, 非聚簇索引的叶子节点存储的是数据位置。非聚簇索引不会影响数据表的物理存储顺序。
  • 一个表只能有一个聚簇索引，因为只能有一种排序存储的方式，但可以有多个非聚簇索引，也就是多个索引目录提供数据检索。
  • 使用聚簇索引的时候，数据的查询效率高，但如果对数据进行插入，删除，更新等操作，效率会比非聚簇索引低。

3、联合索引

我们也可以同时以多个列的大小作为排序规则，也就是同时为多个列建立索引，比方说我们想让B+树按 照 c2和c3列 的大小进行排序，这个包含两层含义：

  • 先把各个记录和页按照c2列进行排序。
  • 在记录的c2列相同的情况下，采用c3列进行排序

为c2和c3建立的索引的示意图如下：

如图所示，我们需要注意以下几点：

  • 每条目录项都有c2、c3、页号这三个部分组成，各条记录先按照c2列的值进行排序，如果记录的c2列相同，则按照c3列的值进行排序
  • B+树叶子节点处的用户记录由c2、c3和主键c1列组成

注意一点，以c2和c3列的大小为排序规则建立的B+树称为联合索引 ，本质上也是一个二级索引。它的意思与分别为c2和c3列分别建立索引的表述是不同的，不同点如下：

  • 建立 联合索引 只会建立如上图一样的1棵B+树。
  • 为c2和c3列分别建立索引会分别以c2和c3列的大小为排序规则建立2棵B+树。

1.3.4、InnoDB的B+树索引的注意事项

1、根页面的位置万年不动

实际上B+树的形成过程是这样的：

  • 每当为某个表创建一个B+树索引（聚簇索引不是人为创建的，默认就有）的时候，都会为这个索引创建一个 根结点 页面。最开始表中没有数据的时候，每个B+树索引对应的 根结点 中即没有用户记录，也没有目录项记录。
  • 随后向表中插入用户记录时，先把用户记录存储到这个根节点 中。
  • 当根节点中的可用 空间用完时 继续插入记录，此时会将根节点中的所有记录复制到一个新分配的页，比如 页a 中，然后对这个新页进行 页分裂 的操作，得到另一个新页，比如页b 。这时新插入的记录根据键值（也就是聚簇索引中的主键值，二级索引中对应的索引列的值）的大小就会被分配到 页a 或者 页b 中，而 根节点 便升级为存储目录项记录的页。

这个过程特别注意的是：一个B+树索引的根节点自诞生之日起，便不会再移动。这样只要我们对某个表建议一个索引，那么它的根节点的页号便会被记录到某个地方。然后凡是 InnoDB 存储引擎需要用到这个索引的时候，都会从哪个固定的地方取出根节点的页号，从而来访问这个索引。

2、内节点中目录项记录的唯一性

我们知道B+树索引的内节点中目录项记录的内容是 索引列 + 页号 的搭配，但是这个搭配对于二级索引来说有点不严谨。还拿 index_demo 表为例，假设这个表中的数据是这样的：

        如果二级索引中目录项记录的内容只是 索引列 + 页号 的搭配的话，那么为 c2 列简历索引后的B+树应该长这样：

如果我们想新插入一行记录，其中 c1 、c2 、c3 的值分别是: 9、1、c, 那么在修改这个为 c2 列建立的二级索引对应的 B+ 树时便碰到了个大问题：由于 页3 中存储的目录项记录是由 c2列 + 页号 的值构成的，页3 中的两条目录项记录对应的 c2 列的值都是1，而我们 新插入的这条记录 的 c2 列的值也是 1，那我们这条新插入的记录到底应该放在 页4 中，还是应该放在 页5 中？答案：对不起，懵了

为了让新插入记录找到自己在那个页面，我们需要保证在B+树的同一层页节点的目录项记录除页号这个字段以外是唯一的。所以对于二级索引的内节点的目录项记录的内容实际上是由三个部分构成的：

  • 索引列的值
  • 主键值
  • 页号

也就是我们把主键值也添加到二级索引内节点中的目录项记录，这样就能保住 B+ 树每一层节点中各条目录项记录除页号这个字段外是唯一的，所以我们为c2建立二级索引后的示意图实际上应该是这样子的：

这样我们再插入记录(9, 1, 'c') 时，由于 页3 中存储的目录项记录是由 c2列 + 主键 + 页号 的值构成的，可以先把新纪录的 c2 列的值和 页3 中各目录项记录的 c2 列的值作比较，如果 c2 列的值相同的话，可以接着比较主键值，因为B+树同一层中不同目录项记录的 c2列 + 主键的值肯定是不一样的，所以最后肯定能定位唯一的一条目录项记录，在本例中最后确定新纪录应该被插入到 页5 中。

3、 一个页面最少存储 2 条记录

一个B+树只需要很少的层级就可以轻松存储数亿条记录，查询速度相当不错！这是因为B+树本质上就是一个大的多层级目录，每经过一个目录时都会过滤掉许多无效的子目录，直到最后访问到存储真实数据的目录。那如果一个大的目录中只存放一个子目录是个啥效果呢？那就是目录层级非常非常多，而且最后的那个存放真实数据的目录中只存放一条数据。所以 InnoDB 的一个数据页至少可以存放两条记录。

1.4、MyISAM中的索引方案

1.4.1、 MyISAM索引的原理

我们知道InnoDB中索引即数据，也就是聚簇索引的那棵B+树的页子节点中已经把所有完整的用户记录全部包括了，而MyISAM的索引方案虽然也是用了树形结构，但是确将索引和数据分开存储。

  • 将表中的记录按照记录的插入顺序单独存储在一个文件中，称之为数据文件，这个文件并不划分为若干个数据页，有多少记录就往这个文件中塞多少记录就行了，由于在插入数据的时候并没有刻意的按照主键大小排序，所以我们并不能在这些数据上使用二分法进行查找。
  • 使用MyISAM存储引擎的表会把索引信息另外存储在一个称为索引文件的文件中，MyISAM会单独为表的主键创建一个索引，只不过在索引的页子节点中存储的不是完整的用户记录，而是主键+数据记录地址的组合。

这里设表一共有三列，假设我们以col1为主键，上图是一个MyISAM表的主索引 (Primary key)示意。可以看出MyISAM的索引文件仅仅保存数据记录的地址。在MylISAM中，主键索引和二级索引(Secondary key)）在结构上没有任何区别，只是主键索引要求key是唯一的，而二级索引的key可以重复。如果我们在Col2上建立一个二级索引，则此索引的结构如下图所示:|

        同样也是一棵B+Tree，data域保存数据记录的地址。因此，MyISAM中索引检索的算法为:首先按照B+Tree搜索算法搜索索引，如果指定的Key存在，则取出其data域的值，然后以data域的值为地址，读取相应数据记录。

1.4.2、MyISAM与InnoDB对比

MyISAM的索引方式都是“非聚簇”的，与InnoDB包含1个聚簇索引是不同的。小结两种引擎中索引的区别：

  • 在InnoDB存储引擎中，我们只需要根据主键值对聚簇索引进行一次查找就能找到对应的记录，而在 MyISAM 中却需要进行一次回表操作，意味着MyISAM中建立的索引相当于全部都是二级索引 。
  • InnoDB的数据文件本身就是索引文件，而MyISAM索引文件和数据文件是分离的 ，索引文件仅保存数据记录的地址。
  • InnoDB的非聚簇索引data域存储相应记录主键的值 ，而MyISAM索引记录的是地址 。换句话说， InnoDB的所有非聚簇索引都引用主键作为data域。
  • MyISAM的回表操作是十分快速 的，因为是拿着地址偏移量直接到文件中取数据的，反观InnoDB是通 过获取主键之后再去聚簇索引里找记录，虽然说也不慢，但还是比不上直接用地址去访问。
  • InnoDB要求表必须有主键 （ MyISAM可以没有 ）。如果没有显式指定，则MySQL系统会自动选择一个可以非空且唯一标识数据记录的列作为主键。如果不存在这种列，则MySQL自动为InnoDB表生成一个隐含字段作为主键，这个字段长度为6个字节，类型为长整型。

小结:

了解不同存储引擎的索引实现方式对于正确使用和优化索引都非常有帮助。比如：

  • 知道了InnoDB的索引实现后，就很容易明白为什么不建议使用过长的字段作为主键，因为所有的二级索引都引用主键索引，过长的主键索引会令二级索引变得过大。
  • 用非单调的字段作为主键在InnoDB中不是个好主意，因为InnoDB数据文件本身是一棵B+Tree，非单调的主键会造成在插入新纪录时，数据文件为了维持B+Tree的特性而频繁的进行页分裂调整，这是一种十分低效的操作，而使用自增字段作为主键是一个很好的选择。

1.5、索引的代价

索引是个好东西，但是不能乱建，它在空间和时间上都会有消耗：

  • 空间上的代价 
    每建立一个索引都要为它建立一棵B+树，每一棵B+树的每一个节点都是一个数据页，一个页默认会占用16KB的存储空间，一棵很大的B+树由许多数据页组成，那就是很大的一片存储空间。
  • 时间上的代价
    每次对表中的数据进行 增、删、改 操作时，都需要去修改各个B+树索引。而且我们讲过，B+树每层节点都是按照索引列的值从小到大的顺序排序而组成了双向链表 。不论是叶子节点中的记录，还 是内节点中的记录（也就是不论是用户记录还是目录项记录）都是按照索引列的值从小到大的顺序 而形成了一个单向链表。而增、删、改操作可能会对节点和记录的排序造成破坏，所以存储引擎需 要额外的时间进行一些 记录移位 ， 页面分裂、页面回收等操作来维护好节点和记录的排序。如果我们建了许多索引，每个索引对应的B+树都要进行相关的维护操作，会给性能拖后腿。

二、索引的创建与设计原则

2.1、索引的声明和使用

2.1.1、索引的分类

MySQL的索引包括普通索引、唯一性索引、全文索引、单列索引、多列索引和空间索引等。

从 功能逻辑 上说，索引主要有 4 种，分别是普通索引、唯一索引、主键索引、全文索引。

按照 物理实现方式 ，索引可以分为 2 种：聚簇索引和非聚簇索引。

按照 作用字段个数 进行划分，分成单列索引和联合索引。

1、普通索引

在创建普通索引的时候，不附加任何限制条件，只是用于提高查询效率，这类索引可以创建在任何数据类型中，其值是否唯一和非空，要由字段本身的完整性约束条件来决定，建立索引后，可以通过索引进行查询。例如，在表student的字段name上建立一个普通索引，查询记录时就可以根据该索引进行查询。

 2、唯一性索引

使用UNIQUE参数可以设置索引为唯一性索引，在创建唯一性索引时，限制该索引的值必须是唯一的，但允许有空值，在一张数据表中可以有多个唯一性索引。

例如，在表student的字段email中创建唯一索引，那么字段email的值就必须是唯一的，通过唯一性索引，可以更快的确定某条记录。

3、主键索引

主键索引就是一种特殊的唯一性索引，在唯一索引的基础上增加了不为空的约束，也就是NOT NULL+UNIQUE张表里最多只有一个主键索引。

Why?这是由主键索引的物理实现方式决定的，因为数据存储在文件中只能按照一种顺序进行存储。

4、单列索引

在表中的单个字段上创建索引。单列索引只根据该字段进行索引。单列索引可以是普通索引，也可以是唯一性索引，还可以是全文索引。只要保证该索引只对应一个字段即可。一个表可以有多个单列索引。

5、联合索引

联合索引是在表的多个字段组合上创建一个索引，该索引指向创建时对应的多个字段，可以通过这几个字段进行查询，但是只有查询条件中使用了这些字段中的第一个字段时才会被使用，例如：在表中的字段id，name和gender上建立了一个联合索引idx_id_name_gender，只有在查询条件中使用了字段id时该索引才会被使用，使用联合索引时遵循最左前缀原则。

2.1.2、创建索引

MySQL支持多种方法在单个或多个列上创建索引：在创建表的定义语句 CREATE TABLE 中指定索引列，使用 ALTER TABLE 语句在存在的表上创建索引，或者使用 CREATE INDEX 语句在已存在的表上添加索引。

1、创建表的时候创建索引

使用CREATE TABLE创建表时，除了可以定义列的数据类型外，还可以定义主键约束、外键约束或者唯一性约束，而不论创建哪种约束，在定义约束的同时相当于在指定列上创建了一个索引。

举例：

CREATE TABLE dept(
dept_id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
dept_name VARCHAR(20)
);CREATE TABLE emp(
emp_id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
emp_name VARCHAR(20) UNIQUE,
dept_id INT,
CONSTRAINT emp_dept_id_fk FOREIGN KEY(dept_id) REFERENCES dept(dept_id)
)

显式创建表时创建索引的话，基本语法格式如下：

CREATE TABLE table_name [col_name data_type]
[UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL] [INDEX | KEY] [index_name] (col_name [length]) [ASC |
DESC]

  • UNIQUE 、 FULLTEXT 和 SPATIAL 为可选参数，分别表示唯一索引、全文索引和空间索引；

  • INDEX 与 KEY 为同义词，两者的作用相同，用来指定创建索引；

  • index_name 指定索引的名称，为可选参数，如果不指定，那么MySQL默认col_name为索引名；

  • col_name 为需要创建索引的字段列，该列必须从数据表中定义的多个列中选择；

  • length 为可选参数，表示索引的长度，只有字符串类型的字段才能指定索引长度；

  • ASC 或 DESC 指定升序或者降序的索引值存储。

① 创建普通索引

在book表中的year_publication字段上建立普通索引，SQL语句如下：

CREATE TABLE book(
book_id INT ,
book_name VARCHAR(100),
authors VARCHAR(100),
info VARCHAR(100) ,
comment VARCHAR(100),
year_publication YEAR,
INDEX(year_publication)
);

② 创建唯一索引

CREATE TABLE test1(
id INT NOT NULL,
name varchar(30) NOT NULL,
UNIQUE INDEX uk_idx_id(id)
);

③ 主键索引

设定为主键后数据库会自动建立索引，innodb为聚簇索引，语法：

CREATE TABLE student (
id INT(10) UNSIGNED AUTO_INCREMENT ,
student_no VARCHAR(200),
student_name VARCHAR(200),
PRIMARY KEY(id)
);

④ 创建单列索引

CREATE TABLE test2(
id INT NOT NULL,
name CHAR(50) NULL,
INDEX single_idx_name(name(20))
);

⑤ 创建联合索引

CREATE TABLE test3(
id INT(11) NOT NULL,
name CHAR(30) NOT NULL,
age INT(11) NOT NULL,
info VARCHAR(255),
INDEX multi_idx(id,name,age)
);

 2、在已经存在的表上创建索引

在已经存在的表中创建索引可以使用ALTER TABLE语句或者CREATE INDEX语句。

① 使用ALTER TABLE语句创建索引，语法如下：

ALTER TABLE table_name ADD [UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL] [INDEX | KEY]
[index_name] (col_name[length],...) [ASC | DESC]

②  使用CREATE INDEX创建索引 CREATE INDEX语句可以在已经存在的表上添加索引，在MySQL中， CREATE INDEX被映射到一个ALTER TABLE语句上，基本语法结构为：

CREATE [UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL] INDEX index_name
ON table_name (col_name[length],...) [ASC | DESC]

2.1.3、删除索引

1、 使用ALTER TABLE删除索引 ALTER TABLE删除索引的基本语法格式如下：

ALTER TABLE table_name DROP INDEX index_name;

2、使用DROP INDEX语句删除索引 DROP INDEX删除索引的基本语法格式如下：

DROP INDEX index_name ON table_name;

2.2、MySQL8.0索引新特性

2.1.1、支持降序索引

降序索引以降序存储键值。虽然在语法上，从MySQL 4版本开始就已经支持降序索引的语法了，但实际上DESC定义是被忽略的，直到MySQL 8.x版本才开始真正支持降序索引 (仅限于InnoDBc存储引擎)。

MySQL在8.0版本之前创建的仍然是升序索引，使用时进行反向扫描，这大大降低了数据库的效率。在某些场景下，降序索引意义重大。例如，如果一个查询，需要对多个列进行排序，且顺序要求不一致，那么使用降序索引将会避免数据库使用额外的文件排序操作，从而提高性能。

举例：分别在MySQL 5.7版本和MySQL 8.0版本中创建数据表ts1，结果如下：

CREATE TABLE ts1(a int,b int,index idx_a_b(a,b desc));

在MySQL 5.7版本中查看数据表ts1的结构，结果如下:

从结果可以看出，索引仍然是默认的升序

在MySQL 8.0版本中查看数据表ts1的结构，结果如下：

从结果可以看出，索引已经是降序了。下面继续测试降序索引在执行计划中的表现。

分别在MySQL 5.7版本和MySQL 8.0版本的数据表ts1中插入800条随机数据，执行语句如下：

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE ts_insert()
BEGINDECLARE i INT DEFAULT 1;WHILE i < 800DOinsert into ts1 select rand()*80000, rand()*80000;SET i = i+1;END WHILE;commit;
END //
DELIMITER;# 调用
CALL ts_insert();

在MySQL 5.7版本中查看数据表ts1的执行计划，结果如下:

EXPLAIN SELECT * FROM ts1 ORDER BY a, b DESC LIMIT 5;

在MySQL 8.0版本中查看数据表 ts1 的执行计划。

EXPLAIN SELECT * FROM ts1 ORDER BY a, b DESC LIMIT 5;

从结果可以看出，MySQL8.0的执行计划明显要好于MySQL5.7。

2.1.2、隐藏索引

在MySQL 5.7版本及之前，只能通过显式的方式删除索引。此时，如果发展删除索引后出现错误，又只能通过显式创建索引的方式将删除的索引创建回来。如果数据表中的数据量非常大，或者数据表本身比较大，这种操作就会消耗系统过多的资源，操作成本非常高。

从MySQL 8.x开始支持 隐藏索引（invisible indexes） ，只需要将待删除的索引设置为隐藏索引，使查询优化器不再使用这个索引（即使使用force index（强制使用索引），优化器也不会使用该索引）， 确认将索引设置为隐藏索引后系统不受任何响应，就可以彻底删除索引。 这种通过先将索引设置为隐藏索引，再删除索引的方式就是软删除。

2.3、索引的设计原则（重要）

为了使索引的使用效率更高，在创建索引时，必须考虑在哪些字段上创建索引和创建什么类型的索引。索引设计不合理或者缺少索引都会对数据库和应用程序的性能造成障碍。高效的索引对于获得良好的性能非常重要。设计索引时，应该考虑相应准则。

2.3.1、那些情况适合创建索引

 1、字段的数值有唯一性的限制

索引本身可以起到约束的作用，比如唯一索引、主键索引都是可以起到唯一性约束的，因此在我们的数据表中，如果某个字段是唯一性的，就可以直接创建唯一性索引，或者主键索引。这样可以更快速地通过该索引来确定某条记录。

例如，学生表中学号是具有唯一性的字段，为该字段建立唯一性索引可以很快确定某个学生的信息，如果使用姓名的话，可能存在同名现象，从而降低查询速度。

注意：业务上具有唯一特性的字段，即使是组合字段，也必须建成唯一索引。（来源：Alibaba）

说明：不要以为唯一索引影响了 insert 速度，这个速度损耗可以忽略，但提高查找速度是明显的。

 2、频繁作为where查询条件的字段

某个字段在SELECT语句的 WHERE 条件中经常被使用到，那么就需要给这个字段创建索引了。尤其是在 数据量大的情况下，创建普通索引就可以大幅提升数据查询的效率。

比如student_info数据表（含100万条数据），假设我们想要查询 student_id=123110 的用户信息。

3、经常group by 和 order by 的列

索引就是让数据按照某种顺序进行存储或检索，因此当我们使用 GROUP BY 对数据进行分组查询，或者使用 ORDER BY 对数据进行排序的时候，就需要对分组或者排序的字段进行索引 。如果待排序的列有多个，那么可以在这些列上建立组合索引 。

4、update、delete的where条件列 

对数据按照某个条件进行查询后再进行 UPDATE 或 DELETE 的操作，如果对 WHERE 字段创建了索引，就能大幅提升效率。原理是因为我们需要先根据 WHERE 条件列检索出来这条记录，然后再对它进行更新或删除。如果进行更新的时候，更新的字段是非索引字段，提升的效率会更明显，这是因为非索引字段更新不需要对索引进行维护。

5、distinct字段需要创建索引

有时候我们需要对某个字段进行去重，使用 DISTINCT，那么对这个字段创建索引，也会提升查询效率。

比如，我们想要查询课程表中不同的 student_id 都有哪些，如果我们没有对 student_id 创建索引，执行 SQL 语句：

SELECT DISTINCT(student_id) FROM `student_info`;

运行结果（600637 条记录，运行时间 0.683s ）

如果我们对 student_id 创建索引，再执行 SQL 语句：

SELECT DISTINCT(student_id) FROM `student_info`;

运行结果（600637 条记录，运行时间 0.010s ）

你能看到 SQL 查询效率有了提升，同时显示出来的 student_id 还是按照递增的顺序 进行展示的。这是因为索引会对数据按照某种顺序进行排序，所以在去重的时候也会快很多。

 6、多表join连接操作时，创建索引注意事项

首先，连接表的数量尽量不要超过3张，因为没增加一张表就相当于增加了一次嵌套的循环，数量级增长会非常快，严重影响查询的效率。

其次，对where条件创建索引，因为where才是对数据条件的过滤，如果在数据量非常大的情况下，没有where条件过滤是非常可怕的。

最后，对用于连接的字段创建索引，并且该字段在多张表中的数据类型必须一致，比如course_id在student_info表和course表中都为int(11)类型，而不能一个为int另一个为varchar类型，这样在连接时会存在一个类型的隐式转换，而类型的隐式转化会导致索引的失效。

7、使用列的类型小的创建索引

我们这里所说的类型大小指的就是该类型表示的数据范围的大小。

我们在定义表的结构的时候要显示的指定列的类型，已整数类型为例，有tinyint、mediumint、int、bigint等，他们所占用的存储空间依次递增，能表示的整数范围当然也是依次递增。如果我们想要对某个整数列建立索引的话，在表示的整数范围允许的情况下，尽量让索引列使用较小的类型，比如我们能使用int类型就不要使用bigint，能使用mediumint就不要使用int。这是因为：

  • 数据类型越小，在查询的时候进行的操作就越快
  • 数据类型越小，索引占用的存储空间就越少，在一个数据页中就可以放下更多的记录，从而减少磁盘IO带来的性能损耗，也就意味着可以把更多的数据页缓存在内存中，从而加快读写效率。

这个建议对于表的主键来说更加适用，因为不仅是聚簇索引中会存储主键值，其他所有的二级索引的节点处都会存储一份记录的主键值，如果主键使用更小的数据类型，也就意味着节省更多的存储空间和更高效的IO。

8、使用字符串前缀创建索引

假设我们的字符串很长，那存储一个字符串就需要占用很大的存储空间。在我们需要为这个字符串列建立索引时，那就意味着在对应的B+树中有这么两个问题:

  • B+树索引中的记录需要把该列的完整字符串存储起来，更费时。而且字符串越长，在索引中占用的存储空间越大。
  • 如果B+树索引中索引列存储的字符串很长，那在做字符串比较时会占用更多的时间。

我们可以通过截取字段的前面一部分内容建立索引，这个就叫前缀索引。这样在查找记录时虽然不能精确的定位到记录的位置，但是能定位到相应前缀所在的位置，然后根据前缀相同的记录的主键值回表查询完整的字符串值。既节约空间，又减少了字符串的比较时间，还大体能解决排序的问题。

例如，TEXT和BLOG类型的字段，进行全文检索会很浪费时间，如果只检索字段前面的若干字符，这样可以提高检索速度。

创建一张商户表， 因为地址字段比较长，在地址字段上建立前缀索引。

create table shop(address varchar(120) not null);
alter table shop add index(address(12));

问题是，截取多少呢？截取得多了，达不到节省索引存储空间的目的；截取得少了，重复内容太多，字 段的散列度(选择性)会降低。怎么计算不同的长度的选择性呢？

先看一下字段在全部数据中的选择度：

select count(distinct address) / count(*) from shop

通过不同长度去计算，与全表的选择性对比：

公式：

count(distinct left(列名, 索引长度))/count(*)

例如：

select count(distinct left(address,10)) / count(*) as sub10, -- 截取前10个字符的选择度
count(distinct left(address,15)) / count(*) as sub11, -- 截取前15个字符的选择度
count(distinct left(address,20)) / count(*) as sub12, -- 截取前20个字符的选择度
count(distinct left(address,25)) / count(*) as sub13 -- 截取前25个字符的选择度
from shop;

 越接近1越好，说明越有区分度

引申另一个问题：索引列前缀对排序的影响

如果使用了索引列前缀，比方说前边只把address列的 前12个字符 放到了二级索引中，下边这个查询可能就有点尴尬了：

SELECT * FROM shop
ORDER BY address
LIMIT 12;

因为二级索引中不包含完整的address列信息，所以无法对前12个字符相同，后边的字符不同的记录进行排序，也就是使用索引列前缀的方式 无法支持使用索引排序 ，只能使用文件排序。

拓展：Alibaba《Java开发手册》

【强制】在 varchar 字段上建立索引时，必须指定索引长度，没必要对全字段建立索引，根据实际文本 区分度决定索引长度。

说明：索引的长度与区分度是一对矛盾体，一般对字符串类型数据，长度为 20 的索引，区分度会高达 90% 以上 ，可以使用 count(distinct left(列名, 索引长度))/count(*)的区分度来确定。

9、区分度高(散列性高)的列适合作为索引

列的基数指的是某一列中不重复数据的个数，比方说某个列包含值 2, 5, 8, 2, 5, 8, 2, 5, 8，虽然有9条记录，但该列的基数却是3。也就是说在记录行数一定的情况下，列的基数越大，该列中的值越分散；列的基数越小，该列中的值越集中。这个列的基数指标非常重要，直接影响我们是否能有效的利用索引。最好为列的基数大的列建立索引，为基数太小的列的简历索引效果可能不好。

可以使用公式select count(distinct a) / count(*) from t1 计算区分度，越接近1越好，一般超过33%就算比较高效的索引了。

扩展：联合索引把区分度搞(散列性高)的列放在前面。

10. 使用最频繁的列放到联合索引的左侧

这样也可以较少的建立一些索引。同时，由于"最左前缀原则"，可以增加联合索引的使用率。

11. 在多个字段都要创建索引的情况下，联合索引优于单值索引

2.3.2、限制索引的数目

在实际工作中，我们也需要注意平衡，索引的数目不是越多越好。我们需要限制每张表上的索引数量，建议单张表索引数量不超过6个。原因:

  • 每个索引都需要占用磁盘空间，索引越多，需要的磁盘空间就越大。
  • 索引会影响INSERT、DELETE、UPDATE等语句的性能，因为表中的数据更改的同时，索引也会进行调整和更新，会造成负担。
  • 优化器在选择如何优化查询时，会根据统一信息，对每一个可以用到的索引来进行评估，以生成出一个最好的执行计划，如果同时有很多个索引都可以用于查询，会增加MySQL优化器生成执行计划时间，降低查询性能。

2.3.3、那些情况不适合常见索引

 1、在where中使用不到的字段，不要设置索引

WHERE条件 (包括 GROUP BY、ORDER BY) 里用不到的字段不需要创建索引，索引的价值是快速定位，如果起不到定位的字段通常是不需要创建索引的。举个例子：

SELECT course_id, student_id, create_time
FROM student_info
WHERE student_id = 41251;

因为我们是按照 student_id 来进行检索的，所以不需要对其他字段创建索引，即使这些字段出现在SELECT字段中。

2、数据量小的表最好不要创建索引

如果表记录太少，比如少于1000个，那么是不需要创建索引的。表记录太少，是否创建索引 对查询效率的影响并不大。甚至说，查询花费的时间可能比遍历索引的时间还要短，索引可能不会产生优化效果。

举例：创建表1：

CREATE TABLE t_without_index(
a INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
b INT
);

提供存储过程1：

#创建存储过程
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE t_wout_insert()
BEGINDECLARE i INT DEFAULT 1;WHILE i <= 900DOINSERT INTO t_without_index(b) SELECT RAND()*10000;SET i = i + 1;END WHILE;COMMIT;
END //
DELIMITER ;#调用
CALL t_wout_insert()

创建表2：

CREATE TABLE t_with_index(
a INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
b INT,
INDEX idx_b(b)
);

创建存储过程2：

#创建存储过程
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE t_with_insert()
BEGINDECLARE i INT DEFAULT 1;WHILE i <= 900DOINSERT INTO t_with_index(b) SELECT RAND()*10000;SET i = i + 1;END WHILE;COMMIT;
END //
DELIMITER ;#调用
CALL t_with_insert();

查询对比：

mysql> select * from t_without_index where b = 9879;
+------+------+
| a | b |
+------+------+
| 1242 | 9879 |
+------+------+
1 row in set (0.00 sec)mysql> select * from t_with_index where b = 9879;
+-----+------+
| a | b |
+-----+------+
| 112 | 9879 |
+-----+------+
1 row in set (0.00 sec)

你能看到运行结果相同，所以在数据量不大的情况下，索引就发挥不出作用了。

3、有大量重复数据的列上不要常见索引

在条件表达式中经常用到的不同值较多的列上建立索引，但字段中如果有大量重复数据，也不用创建索引。比如在学生表的"性别"字段上只有“男”与“女”两个不同值，因此无须建立索引。如果建立索引，不但不会提高查询效率，反而会严重降低数据更新速度。

举例1：要在 100 万行数据中查找其中的 50 万行（比如性别为男的数据），一旦创建了索引，你需要先 访问 50 万次索引，然后再访问 50 万次数据表，这样加起来的开销比不使用索引可能还要大。

举例2：假设有一个学生表，学生总数为 100 万人，男性只有 10 个人，也就是占总人口的 10 万分之1。学生表 student_gender 结构如下。其中数据表中的 student_gender 字段取值为 0 或 1，0 代表女性，1 代表男性。

CREATE TABLE student_gender(student_id INT(11) NOT NULL,student_name VARCHAR(50) NOT NULL,student_gender TINYINT(1) NOT NULL,PRIMARY KEY(student_id)
)ENGINE = INNODB;

如果我们要筛选出这个学生表中的男性，可以使用：

SELECT * FROM student_gender WHERE student_gender = 1;

所以，当数据重复度大，比如 高于 10% 的时候，也不需要对这个字段使用索引。

 4、避免对经常更新的表创建过多的索引

第一层含义：频繁更新的字段不一定要创建索引。因为更新数据的时候，也需要更新索引，如果索引太多，在更新索引的时候也会造成负担，从而影响效率。

第二层含义：避免对经常更新的表创建过多的索引，并且索引中的列尽可能少。此时，虽然提高了查询速度，同时却降低更新表的速度。

5、不建议用无序的值作为索引

例如身份证、UUID(在索引比较时需要转为ASCII，并且插入时可能造成页分裂)、MD5、HASH、无序长字 符串等。

6、删除不再使用或者很少使用的索引

表中的数据被大量更新，或者数据的使用方式被改变后，原有的一些索引可能不再需要。数据库管理员应当定期找出这些索引，将它们删除，从而减少索引对更新操作的影响。

7、不要定义冗余或重复的索引

① 冗余索引

举例：建表语句如下

CREATE TABLE person_info(id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,name VARCHAR(100) NOT NULL,birthday DATE NOT NULL,phone_number CHAR(11) NOT NULL,country varchar(100) NOT NULL,PRIMARY KEY (id),KEY idx_name_birthday_phone_number (name(10), birthday, phone_number),KEY idx_name (name(10))
);

我们知道，通过 idx_name_birthday_phone_number 索引就可以对 name 列进行快速搜索，再创建一 个专门针对 name 列的索引就算是一个 冗余索引 ，维护这个索引只会增加维护的成本，并不会对搜索有 什么好处。

② 重复索引

另一种情况，我们可能会对某个列重复建立索引 ，比方说这样：

CREATE TABLE repeat_index_demo (
col1 INT PRIMARY KEY,
col2 INT,
UNIQUE uk_idx_c1 (col1),
INDEX idx_c1 (col1)
);

我们看到，col1 既是主键、又给它定义为一个唯一索引，还给它定义了一个普通索引，可是主键本身就 会生成聚簇索引，所以定义的唯一索引和普通索引是重复的，这种情况要避免。

三、 索引优化与查询优化

都可以从那些维度来进行调优？简言之：

  • 索引失效、没有充分利用到索引——建立索引
  • 关联查询太多join(设计缺陷或不得已的需求)——SQL优化
  • 服务器调优及各个参数设置(缓冲、线程数等)——调整my.cnf
  • 数据过多——分库分表

虽然SQL查询优化的技术有很多，但是大方向上完全可以分成物理查询优化和逻辑查询优化两大块。

  • 物理查询优化是通过索引和表连接方式等技术来进行优化，这里重点需要掌握索引的使用。
  • 逻辑查询优化就是通过SQL等价变换提升查询效率，直白一点就是说，换一种查询写法效率可能更高。

3.1、数据准备

学员表插入50W条，班级表插入1W条

步骤1：建表

CREATE TABLE `class` (`id` INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,`className` VARCHAR(30) DEFAULT NULL,`address` VARCHAR(40) DEFAULT NULL,`monitor` INT NULL ,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=INNODB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;CREATE TABLE `student` (`id` INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,`stuno` INT NOT NULL ,`name` VARCHAR(20) DEFAULT NULL,`age` INT(3) DEFAULT NULL,`classId` INT(11) DEFAULT NULL,PRIMARY KEY (`id`)#CONSTRAINT `fk_class_id` FOREIGN KEY (`classId`) REFERENCES `t_class` (`id`)
) ENGINE=INNODB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

步骤2：设置参数

允许创建函数

set global log_bin_trust_function_creators=1; # 不加global只是当前窗口有效。

步骤3：创建函数

保证每条数据都不同。

#随机产生字符串
DELIMITER //
CREATE FUNCTION rand_string(n INT) RETURNS VARCHAR(255)
BEGIN
DECLARE chars_str VARCHAR(100) DEFAULT
'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFJHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
DECLARE return_str VARCHAR(255) DEFAULT '';
DECLARE i INT DEFAULT 0;
WHILE i < n DO
SET return_str =CONCAT(return_str,SUBSTRING(chars_str,FLOOR(1+RAND()*52),1));
SET i = i + 1;
END WHILE;
RETURN return_str;
END //
DELIMITER ;
#假如要删除
#drop function rand_string;

随机产生班级编号

#用于随机产生多少到多少的编号
DELIMITER //
CREATE FUNCTION rand_num (from_num INT ,to_num INT) RETURNS INT(11)
BEGIN
DECLARE i INT DEFAULT 0;
SET i = FLOOR(from_num +RAND()*(to_num - from_num+1)) ;
RETURN i;
END //
DELIMITER ;
#假如要删除
#drop function rand_num;

步骤4：创建存储过程

#创建往stu表中插入数据的存储过程
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_stu( START INT , max_num INT )
BEGIN
DECLARE i INT DEFAULT 0;
SET autocommit = 0; #设置手动提交事务
REPEAT #循环
SET i = i + 1; #赋值
INSERT INTO student (stuno, name ,age ,classId ) VALUES
((START+i),rand_string(6),rand_num(1,50),rand_num(1,1000));
UNTIL i = max_num
END REPEAT;
COMMIT; #提交事务
END //
DELIMITER ;
#假如要删除
#drop PROCEDURE insert_stu;

创建往class表中插入数据的存储过程

#执行存储过程，往class表添加随机数据
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE `insert_class`( max_num INT )
BEGIN
DECLARE i INT DEFAULT 0;
SET autocommit = 0;
REPEAT
SET i = i + 1;
INSERT INTO class ( classname,address,monitor ) VALUES
(rand_string(8),rand_string(10),rand_num(1,100000));
UNTIL i = max_num
END REPEAT;
COMMIT;
END //
DELIMITER ;
#假如要删除
#drop PROCEDURE insert_class;

步骤5：调用存储过程

#执行存储过程，往class表添加1万条数据
CALL insert_class(10000);
#执行存储过程，往stu表添加50万条数据
CALL insert_stu(100000,500000);

步骤6：删除某表上的索引

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE `proc_drop_index`(dbname VARCHAR(200),tablename VARCHAR(200))
BEGINDECLARE done INT DEFAULT 0;DECLARE ct INT DEFAULT 0;DECLARE _index VARCHAR(200) DEFAULT '';DECLARE _cur CURSOR FOR SELECT index_name FROM
information_schema.STATISTICS WHERE table_schema=dbname AND table_name=tablename AND
seq_in_index=1 AND index_name <>'PRIMARY' ;
#每个游标必须使用不同的declare continue handler for not found set done=1来控制游标的结束DECLARE CONTINUE HANDLER FOR NOT FOUND set done=2 ;
#若没有数据返回,程序继续,并将变量done设为2OPEN _cur;FETCH _cur INTO _index;WHILE _index<>'' DOSET @str = CONCAT("drop index " , _index , " on " , tablename );PREPARE sql_str FROM @str ;EXECUTE sql_str;DEALLOCATE PREPARE sql_str;SET _index='';FETCH _cur INTO _index;END WHILE;CLOSE _cur;
END //
DELIMITER ;

执行存储过程

CALL proc_drop_index("dbname","tablename");

3.2、索引失效案例

MySQL中提高性能的一个最有效的方法就是对数据表设计合理的索引。索引提供了高效访问数据的方法，并且加快了查询的速度，因此索引对查询的速度有着至关重要的影响。

  • 使用索引可以快速定位表中的某条记录，从而提高数据库查询的速度，提高数据库的性能
  • 如果查询时没有使用索引，查询语句就会扫描表中的所有记录，在数据量大的情况下，这样查询速度会很慢

大多数情况下都采用B+树来构建索引，只是空间列类型的索引使用R-树，MEMORY表还支持hash索引

其实，用不用索引，最终都还是优化器说了算，优化器是基于什么判断的呢？它不是基于规则，也不是基于语义，而是基于cost开销，怎样开销小就怎么来。另外，SQL语句是否使用索引，跟数据库版本、数据量、数据选择度都有关系。

3.2.1、全值匹配

系统中经常出现的sql语句如下：

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4 AND name = 'abcd';

建立索引前执行：（关注执行时间）

mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4 AND name = 'abcd';
Empty set, 1 warning (0.28 sec)

建立索引

CREATE INDEX idx_age ON student(age);
CREATE INDEX idx_age_classid ON student(age,classId);
CREATE INDEX idx_age_classid_name ON student(age,classId,name);

建立索引后执行：

mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age=30 AND classId=4 AND name = 'abcd';
Empty set, 1 warning (0.01 sec)

可以看到，创建索引前的查询时间是0.28s，创建索引后的查询时间是0.01s，索引帮助我们极大的提高了查询效率。

3.2.2、最佳左前缀法则

在MySQL建立联合索引时会遵守最佳左前缀原则，即最左优先，在检索数据时从联合索引的最左边开始匹配。

举例1：

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age=30 AND student.name = 'abcd';

举例2：

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.classId=1 AND student.name = 'abcd';

举例3：索引idx_age_classid_name还能否正常使用？

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.classId=4 AND student.age=30 AND student.name = 'abcd';

如果索引了多列，要遵守最左前缀法则。指的是查询从索引的最左前列开始并且不跳过索引中的列。

mysql> EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age=30 AND student.name = 'abcd';

虽然可以正常使用，但是只有部分被使用到了。

mysql> EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.classId=1 AND student.name = 'abcd';

完全没有使用上索引。

结论：MySQL可以为多个字段创建索引，一个索引可以包含16个字段。对于多列索引，过滤条件要使用索引必须按照索引建立时的顺序，依次满足，一旦跳过某个字段，索引后面的字段都无法被使用。如果查询条件中没有用这些字段中第一个字段时，多列（或联合）索引不会被使用。

扩展：Alibaba《Java开发手册》

索引文件具有B+tree的最左前缀匹配特性，如果左边的值未确定，name无法使用此索引。

3.2.3、主键插入顺序

对于一个使用InnoDB存储引擎的表来说，在我们没有显式的创建索引时，表中的数据实际上都是存储在聚簇索引的叶子节点的。而记录又是存储在数据页中的，数据页和记录又是按照记录主键值从小到大的顺序进行排序，所以如果我们插入的记录的主键值是依次增大的话，那我们每插满一个数据页就换到下一个数据页继续插，而如果我们插入的主键值忽大忽小的话，就比较麻烦了，假设某个数据页存储的记录已经满了，它存储的主键值在1~100之间:

如果此时再插入一条主键值为 9 的记录，那它插入的位置就如下图：

可这个数据页已经满了，再插进来咋办呢？我们需要把当前 页面分裂 成两个页面，把本页中的一些记录移动到新创建的这个页中。页面分裂和记录移位意味着什么？意味着： 性能损耗 ！所以如果我们想尽量避免这样无谓的性能损耗，最好让插入的记录的 主键值依次递增 ，这样就不会发生这样的性能损耗了。

所以我们建议：让主键具有 AUTO_INCREMENT ，让存储引擎自己为表生成主键，而不是我们手动插入 ， 比如： person_info 表：

CREATE TABLE person_info(id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,name VARCHAR(100) NOT NULL,birthday DATE NOT NULL,phone_number CHAR(11) NOT NULL,country varchar(100) NOT NULL,PRIMARY KEY (id),KEY idx_name_birthday_phone_number (name(10), birthday, phone_number)
);

我们自定义的主键列 id 拥有 AUTO_INCREMENT 属性，在插入记录时存储引擎会自动为我们填入自增的主键值。这样的主键占用空间小，顺序写入，减少页分裂。

3.2.4、计算、函数导致索引失效

以下有两个sql语句：

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name LIKE 'abc%';
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE LEFT(student.name,3) = 'abc';

创建索引:

CREATE INDEX idx_name ON student(NAME);

第一个sql语句：索引优化生效

mysql> EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name LIKE 'abc%';
mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name LIKE 'abc%';
+---------+---------+--------+------+---------+
| id | stuno | name | age | classId |
+---------+---------+--------+------+---------+
| 5301379 | 1233401 | AbCHEa | 164 | 259 |
| 7170042 | 3102064 | ABcHeB | 199 | 161 |
| 1901614 | 1833636 | ABcHeC | 226 | 275 |
| 5195021 | 1127043 | abchEC | 486 | 72 |
| 4047089 | 3810031 | AbCHFd | 268 | 210 |
| 4917074 | 849096 | ABcHfD | 264 | 442 |
| 1540859 | 141979 | abchFF | 119 | 140 |
| 5121801 | 1053823 | AbCHFg | 412 | 327 |
| 2441254 | 2373276 | abchFJ | 170 | 362 |
| 7039146 | 2971168 | ABcHgI | 502 | 465 |
| 1636826 | 1580286 | ABcHgK | 71 | 262 |
| 374344 | 474345 | abchHL | 367 | 212 |
| 1596534 | 169191 | AbCHHl | 102 | 146 |
...
| 5266837 | 1198859 | abclXe | 292 | 298 |
| 8126968 | 4058990 | aBClxE | 316 | 150 |
| 4298305 | 399962 | AbCLXF | 72 | 423 |
| 5813628 | 1745650 | aBClxF | 356 | 323 |
| 6980448 | 2912470 | AbCLXF | 107 | 78 |
| 7881979 | 3814001 | AbCLXF | 89 | 497 |
| 4955576 | 887598 | ABcLxg | 121 | 385 |
| 3653460 | 3585482 | AbCLXJ | 130 | 174 |
| 1231990 | 1283439 | AbCLYH | 189 | 429 |
| 6110615 | 2042637 | ABcLyh | 157 | 40 |
+---------+---------+--------+------+---------+
401 rows in set, 1 warning (0.01 sec)

第二个sql语句：索引优化失效

mysql> EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE LEFT(student.name,3) = 'abc';

mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE LEFT(student.name,3) = 'abc';
+---------+---------+--------+------+---------+
| id | stuno | name | age | classId |
+---------+---------+--------+------+---------+
| 5301379 | 1233401 | AbCHEa | 164 | 259 |
| 7170042 | 3102064 | ABcHeB | 199 | 161 |
| 1901614 | 1833636 | ABcHeC | 226 | 275 |
| 5195021 | 1127043 | abchEC | 486 | 72 |
| 4047089 | 3810031 | AbCHFd | 268 | 210 |
| 4917074 | 849096 | ABcHfD | 264 | 442 |
| 1540859 | 141979 | abchFF | 119 | 140 |
| 5121801 | 1053823 | AbCHFg | 412 | 327 |
| 2441254 | 2373276 | abchFJ | 170 | 362 |
| 7039146 | 2971168 | ABcHgI | 502 | 465 |
| 1636826 | 1580286 | ABcHgK | 71 | 262 |
| 374344 | 474345 | abchHL | 367 | 212 |
| 1596534 | 169191 | AbCHHl | 102 | 146 |
...
| 5266837 | 1198859 | abclXe | 292 | 298 |
| 8126968 | 4058990 | aBClxE | 316 | 150 |
| 4298305 | 399962 | AbCLXF | 72 | 423 |
| 5813628 | 1745650 | aBClxF | 356 | 323 |
| 6980448 | 2912470 | AbCLXF | 107 | 78 |
| 7881979 | 3814001 | AbCLXF | 89 | 497 |
| 4955576 | 887598 | ABcLxg | 121 | 385 |
| 3653460 | 3585482 | AbCLXJ | 130 | 174 |
| 1231990 | 1283439 | AbCLYH | 189 | 429 |
| 6110615 | 2042637 | ABcLyh | 157 | 40 |
+---------+---------+--------+------+---------+
401 rows in set, 1 warning (3.62 sec)

type为“ALL”，表示没有使用到索引，查询时间为 3.62 秒，查询效率较之前低很多。

再举例：

  • student表的字段stuno上设置有索引

    CREATE INDEX idx_sno ON student(stuno);

  • 索引优化失效

    EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE id, stuno, NAME FROM student WHERE stuno+1 = 900001;

    运行结果：

  • 索引优化生效：

    EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE id, stuno, NAME FROM student WHERE stuno = 900000;

3.2.5、类型转换导致索引失效

下列哪个sql语句可以用到索引。（假设name字段上设置有索引）

# 未使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name=123;

name字段的类型是char类型，但是上述SQL中给的值123是int类型，发生了类型隐式转换，导致索引失效。

# 使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name='123';

3.2.6、范围条件右边的列索引失效

系统经常出现的sql如下：

ALTER TABLE student DROP INDEX idx_name;
ALTER TABLE student DROP INDEX idx_age;
ALTER TABLE student DROP INDEX idx_age_classid;EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student
WHERE student.age=30 AND student.classId>20 AND student.name = 'abc' ;

那么索引 idx_age_classId_name 这个索引还能正常使用么？

答案是不能了！范围条件右边的列不能使用，比如：(<) (<=) (>) (>=) 和 between 等

如果这种sql出现较多，应该建立：

create index idx_age_name_classId on student(age,name,classId);

或者：将范围查询条件放置语句最后

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.age=30 AND student.name = 'abc' AND student.classId>20;

应用开发中范围查询，例如：金额查询，日期查询往往都是范围查询。应将查询条件放置where语句最后。（创建的联合索引中，务必把范围涉及到的字段写在最后）

3.2.7、不等于(!=或者<>)导致索引失效

为name字段创建索引

CREATE INDEX idx_name ON student(NAME);

查看索引是否失效

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name <> 'abc';

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE student.name != 'abc';

3.2.8、is  null可以使用索引，is not null无法使用索引

IS NULL: 可以触发索引

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age IS NULL;

IS NOT NULL: 无法触发索引

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age IS NOT NULL;

结论：最好在设计数据库的时候就将字段设置为 NOT NULL 约束，比如你可以将 INT 类型的字段，默认值设置为0。将字符类型的默认值设置为空字符串('')。

扩展：同理，在查询中使用not like也无法使用索引，导致全表扫描。

3.2.9、like模糊查询以通配符%开头导致索引失效

在使用LIKE关键字进行查询的查询语句中，如果匹配字符串的第一个字符为'%'，索引就不会起作用。只有'%'不在第一个位置，索引才会起作用。

使用到索引

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name LIKE 'ab%';

未使用到索引

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE name LIKE '%ab%';

拓展：Alibaba《Java开发手册》【强制】页面搜索严禁左模糊或者全模糊，如果需要请走搜索引擎来解决。

3.2.10、or前后存在非索引的列导致索引失效

在WHERE子句中，如果在OR前的条件列进行了索引，而在OR后的条件列没有进行索引，那么索引会失效。也就是说，OR前后的两个条件中的列都是索引时，查询中才使用索引。

因为OR的含义就是两个只要满足一个即可，因此只有一个条件列进行了索引是没有意义的，只要有条件列没有进行索引，就会进行全表扫描，因此所有的索引都会失效。

查询语句使用OR关键字的情况：

# 未使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 10 OR classid = 100;

因为classId字段上没有索引，所以上述查询语句没有使用索引。

#使用到索引
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 10 OR name = 'Abel';

因为age字段和name字段上都有索引，所以查询中使用了索引。你能看到这里使用到了index_merge，简单来说index_merge就是对age和name分别进行了扫描，然后将这两个结果集进行了合并。这样做的好处就是避免了全表扫描。

3.2.11、数据库和表的字符集不统一会导致索引失效

统一使用utf8mb4( 5.5.3版本以上支持)兼容性更好，统一字符集可以避免由于字符集转换产生的乱码。不 同的 字符集 进行比较前需要进行 转换 会造成索引失效。

3.2.12、一般性建议

  • 对于单列索引，尽量选择针对当前query过滤性更好的索引

  • 在选择组合索引的时候，当前query中过滤性最好的字段在索引字段顺序中，位置越靠前越好。

  • 在选择组合索引的时候，尽量选择能够当前query中where子句中更多的索引。

  • 在选择组合索引的时候，如果某个字段可能出现范围查询时，尽量把这个字段放在索引次序的最后面。

总之，书写SQL语句时，尽量避免造成索引失效的情况

3.3、关联查询优化

3.3.1、数据准备

# 分类
CREATE TABLE IF NOT EXISTS `type` (
`id` INT(10) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`card` INT(10) UNSIGNED NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`)
);
#图书
CREATE TABLE IF NOT EXISTS `book` (
`bookid` INT(10) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`card` INT(10) UNSIGNED NOT NULL,
PRIMARY KEY (`bookid`)
);#向分类表中添加20条记录
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO `type`(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));#向图书表中添加20条记录
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));

3.3.2、采用左外连接

下面开始 EXPLAIN 分析

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` LEFT JOIN book ON type.card = book.card;

结论：type 有All

添加索引优化

ALTER TABLE book ADD INDEX Y ( card); #【被驱动表】，可以避免全表扫描
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` LEFT JOIN book ON type.card = book.card;

可以看到第二行的 type 变为了 ref，rows 也变成了优化比较明显。这是由左连接特性决定的。LEFT JOIN 条件用于确定如何从右表搜索行，左边一定都有，所以 右边是我们的关键点,一定需要建立索引 。

给左边的表创建一个索引看一下效果：

ALTER TABLE `type` ADD INDEX X (card); #【驱动表】，无法避免全表扫描
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` LEFT JOIN book ON type.card = book.card;

接着：

DROP INDEX Y ON book;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` LEFT JOIN book ON type.card = book.card;

3.3.3、采用内连接

drop index X on type;
drop index Y on book;（如果已经删除了可以不用再执行该操作）

换成 inner join（MySQL自动选择驱动表）

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM type INNER JOIN book ON type.card=book.card;

添加索引优化

ALTER TABLE book ADD INDEX Y (card);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM type INNER JOIN book ON type.card=book.card;

ALTER TABLE type ADD INDEX X (card);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM type INNER JOIN book ON type.card=book.card;

对于内连接来说，查询优化器可以决定谁作为驱动表，谁作为被驱动表出现的

接着：

DROP INDEX X ON `type`;
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM TYPE INNER JOIN book ON type.card=book.card;

接着：

ALTER TABLE `type` ADD INDEX X (card);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` INNER JOIN book ON type.card=book.card;

接着：

#向图书表中添加20条记录
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));
INSERT INTO book(card) VALUES(FLOOR(1 + (RAND() * 20)));ALTER TABLE book ADD INDEX Y (card);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM `type` INNER JOIN book ON `type`.card = book.card;

图中发现，由于type表数据大于book表数据，MySQL选择将type作为被驱动表。这样可以尽量少的扫描数据。

3.3.4、join语句的原理

join方式连接多个表，本质就是各个表之间数据的循环匹配。MySQL5.5版本之前，MySQL只支持一种表间关联方式，就是嵌套循环(Nested Loop Join)。如果关联表的数据量很大，则join关联的执行时间会很长。在MySQL5.5以后的版本中，MySQL通过引入BNLJ算法来优化嵌套执行。

 1、驱动表和被驱动表

驱动表就是主表，被驱动表就是从表、非驱动表。

  • 对于内连接来说：

    SELECT * FROM A JOIN B ON ...

    A一定是驱动表吗？不一定，优化器会根据你查询语句做优化，决定先查哪张表。先查询的那张表就是驱动表，反之就是被驱动表。通过explain关键字可以查看。

  • 对于外连接来说：

    SELECT * FROM A LEFT JOIN B ON ...
# 或
SELECT * FROM B RIGHT JOIN A ON ...

    通常，大家会认为A就是驱动表，B就是被驱动表。但也未必。测试如下：

    CREATE TABLE a(f1 INT, f2 INT, INDEX(f1)) ENGINE=INNODB;
CREATE TABLE b(f1 INT, f2 INT) ENGINE=INNODB;INSERT INTO a VALUES(1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6);
INSERT INTO b VALUES(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),(8,8);SELECT * FROM b;# 测试1
EXPLAIN SELECT * FROM a LEFT JOIN b ON(a.f1=b.f1) WHERE (a.f2=b.f2);# 测试2
EXPLAIN SELECT * FROM a LEFT JOIN b ON(a.f1=b.f1) AND (a.f2=b.f2);

    2、Simple Nested-Loop Join (简单嵌套循环连接)

    算法相当简单，从表A中取出一条数据1，遍历表B，将匹配到的数据放到result.. 以此类推，驱动表A中的每一条记录与被驱动表B的记录进行判断

可以看到这种方式效率是非常低的，以上述表A数据100条，表B数据1000条计算，则A*B=10万次。开销统计如下:

当然mysql肯定不会这么粗暴的去进行表的连接，所以就出现了后面的两种对Nested-Loop Join优化算法。

3、Index Nested-Loop Join （索引嵌套循环连接）

Index Nested-Loop Join其优化的思路主要是为了减少内存表数据的匹配次数，所以要求被驱动表上必须有索引才行。通过外层表匹配条件直接与内层表索引进行匹配，避免和内存表的每条记录去进行比较，这样极大的减少了对内存表的匹配次数。

驱动表中的每条记录通过被驱动表的索引进行访问，因为索引查询的成本是比较固定的，故mysql优化器都倾向于使用记录数少的表作为驱动表（外表）。

如果被驱动表加索引，效率是非常高的，但如果索引不是主键索引，所以还得进行一次回表查询。相比，被驱动表的索引是主键索引，效率会更高。

4、Block Nested-Loop Join（块嵌套循环连接）

如果存在索引，那么会使用index的方式进行join，如果join的列没有索引，被驱动表要扫描的次数太多了。每次访问被驱动表，其表中的记录都会被加载到内存中，然后再从驱动表中取一条与其匹配，匹配结束后清除内存，然后再从驱动表中加载一条记录，然后把被驱动表的记录在加载到内存匹配，这样周而复始，大大增加了I0的次数。为了减少被驱动表的Io次数，就出现了Block Nested-Loop Join的方式。

不再是逐条获取驱动表的数据，而是一块一块的获取，引入了join buffer缓冲区，将驱动表join相关的部分数据列(大小受join buffer的限制)缓存到join buffer中，然后全表扫描被驱动表，被驱动表的每一条记录一次性和joinbuffer中的所有驱动表记录进行匹配(内存中操作)，将简单嵌套循环中的多次比较合并成一次，降低了被驱动表的访问频率。

注意：

这里缓存的不只是关联表的列，select后面的列也会缓存起来。

在一个有N个join关联的sql中会分配N-1个join buffer。所以查询的时候尽量减少不必要的字段，可以让join buffer中可以存放更多的列。

 3.3.5、小结

  • 保证被驱动表的JOIN字段已经创建了索引

  • 需要JOIN 的字段，数据类型保持绝对一致。

  • LEFT JOIN 时，选择小表作为驱动表， 大表作为被驱动表 。减少外层循环的次数。

  • INNER JOIN 时，MySQL会自动将 小结果集的表选为驱动表 。选择相信MySQL优化策略。

  • 能够直接多表关联的尽量直接关联，不用子查询。(减少查询的趟数)

  • 不建议使用子查询，建议将子查询SQL拆开结合程序多次查询，或使用 JOIN 来代替子查询。

  • 衍生表建不了索引

3.4、子查询优化

MySQL从4.1版本开始支持子查询，使用子查询可以进行SELECT语句的嵌套查询，即一个SELECT查询的结 果作为另一个SELECT语句的条件。 子查询可以一次性完成很多逻辑上需要多个步骤才能完成的SQL操作 。

        子查询是 MySQL 的一项重要的功能，可以帮助我们通过一个 SQL 语句实现比较复杂的查询。但是，子查询的执行效率不高。原因：

① 执行子查询时，MySQL需要为内层查询语句的查询结果 建立一个临时表 ，然后外层查询语句从临时表 中查询记录。查询完毕后，再 撤销这些临时表 。这样会消耗过多的CPU和IO资源，产生大量的慢查询。

② 子查询的结果集存储的临时表，不论是内存临时表还是磁盘临时表都 不会存在索引 ，所以查询性能会 受到一定的影响。

③ 对于返回结果集比较大的子查询，其对查询性能的影响也就越大。

        在MySQL中，可以使用连接（JOIN）查询来替代子查询。连接查询 不需要建立临时表 ，其 速度比子查询 要快 ，如果查询中使用索引的话，性能就会更好。

举例1：查询学生表中是班长的学生信息

使用子查询

# 创建班级表中班长的索引
CREATE INDEX idx_monitor ON class(monitor);EXPLAIN SELECT * FROM student stu1
WHERE stu1.`stuno` IN (
SELECT monitor
FROM class c
WHERE monitor IS NOT NULL
)

推荐使用多表查询

EXPLAIN SELECT stu1.* FROM student stu1 JOIN class c
ON stu1.`stuno` = c.`monitor`
WHERE c.`monitor` is NOT NULL;

3.5、排序优化

问题：在 WHERE 条件字段上加索引，但是为什么在 ORDER BY 字段上还要加索引呢？

回答：

在MySQL中，支持两种排序方式，分别是 FileSort 和 Index 排序。

  • Index 排序中，索引可以保证数据的有序性，不需要再进行排序，效率更高。

  • FileSort 排序则一般在 内存中 进行排序，占用CPU较多。如果待排结果较大，会产生临时文件 I/O 到磁盘进行排序的情况，效率较低。

优化建议：

  • SQL 中，可以在 WHERE 子句和 ORDER BY 子句中使用索引，目的是在 WHERE 子句中 避免全表扫描 ，在 ORDER BY 子句 避免使用 FileSort 排序 。当然，某些情况下全表扫描，或者 FileSort 排序不一定比索引慢。但总的来说，我们还是要避免，以提高查询效率。
  • 尽量使用 Index 完成 ORDER BY 排序。如果 WHERE 和 ORDER BY 后面是相同的列就使用单索引列； 如果不同就使用联合索引。
  • 无法使用 Index 时，需要对 FileSort 方式进行调优。

测试：

删除student表和class表中已创建的索引。

# 方式1
DROP INDEX idx_monitor ON class;
DROP INDEX idx_cid ON student;
DROP INDEX idx_age ON student;
DROP INDEX idx_name ON student;
DROP INDEX idx_age_name_classId ON student;
DROP INDEX idx_age_classId_name ON student;# 方式2
call proc_drop_index('atguigudb2','student';)

过程一：

过程二： order by 时不limit,索引失效

 过程三：order by 时顺序错误，索引失效

过程四：order by 时规则不一致，索引失效（顺序错，不索引；方向反，不索引）

结论：ORDER BY 子句，尽量使用 Index 方式排序，避免使用 FileSort 方式排序

过程五：无过滤，不索引

 小结：

INDEX a_b_c(a,b,c)
order by 能使用索引最左前缀
- ORDER BY a
- ORDER BY a,b
- ORDER BY a,b,c
- ORDER BY a DESC,b DESC,c DESC
如果WHERE使用索引的最左前缀定义为常量，则order by 能使用索引
- WHERE a = const ORDER BY b,c
- WHERE a = const AND b = const ORDER BY c
- WHERE a = const ORDER BY b,c
- WHERE a = const AND b > const ORDER BY b,c
不能使用索引进行排序
- ORDER BY a ASC,b DESC,c DESC /* 排序不一致 */
- WHERE g = const ORDER BY b,c /*丢失a索引*/
- WHERE a = const ORDER BY c /*丢失b索引*/
- WHERE a = const ORDER BY a,d /*d不是索引的一部分*/
- WHERE a in (...) ORDER BY b,c /*对于排序来说，多个相等条件也是范围查询*/

 案例实战：

ORDER BY子句，尽量使用Index方式排序，避免使用FileSort方式排序。

执行案例前先清除student上的索引，只留主键：

DROP INDEX idx_age ON student;
DROP INDEX idx_age_classid_stuno ON student;
DROP INDEX idx_age_classid_name ON student;#或者
call proc_drop_index('atguigudb2','student');

场景:查询年龄为30岁的，且学生编号小于101000的学生，按用户名称排序

EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 30 AND stuno <101000 ORDER BY NAME ;

查询结果如下

mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 30 AND stuno <101000 ORDER BY NAME;
+---------+--------+--------+------+---------+
| id      | stuno  |  name  | age  | classId |
+---------+--------+--------+------+---------+
| 922     | 100923 | elTLXD | 30   | 249     |
| 3723263 | 100412 | hKcjLb | 30   | 59      |
| 3724152 | 100827 | iHLJmh | 30   | 387     |
| 3724030 | 100776 | LgxWoD | 30   | 253     |
| 30      | 100031 | LZMOIa | 30   | 97      |
| 3722887 | 100237 | QzbJdx | 30   | 440     |
| 609     | 100610 | vbRimN | 30   | 481     |
| 139     | 100140 | ZqFbuR | 30   | 351     |
+---------+--------+--------+------+---------+
8 rows in set, 1 warning (3.16 sec)

结论：type 是 ALL，即最坏的情况。Extra 里还出现了 Using filesort,也是最坏的情况。优化是必须的。

方案一: 为了去掉filesort我们可以把索引建成

#创建新索引
CREATE INDEX idx_age_name ON student(age,NAME);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 30 AND stuno <101000 ORDER BY NAME;

这样我们优化掉了 using filesort

查询结果如下：

方案二：尽量让where的过滤条件和排序使用上索引

建一个三个字段的组合索引：

DROP INDEX idx_age_name ON student;
CREATE INDEX idx_age_stuno_name ON student (age,stuno,NAME);
EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student WHERE age = 30 AND stuno <101000 ORDER BY NAME;

我们发现using filesort依然存在，所以name并没有用到索引，而且type还是range光看名字其实并不美好。原因是，因为stuno是一个范围过滤，所以索引后面的字段不会在使用索引了 。

结果如下：

mysql> SELECT SQL_NO_CACHE * FROM student
-> WHERE age = 30 AND stuno <101000 ORDER BY NAME ;
+-----+--------+--------+------+---------+
| id | stuno | name | age | classId |
+-----+--------+--------+------+---------+
| 167 | 100168 | AClxEF | 30 | 319 |
| 323 | 100324 | bwbTpQ | 30 | 654 |
| 651 | 100652 | DRwIac | 30 | 997 |
| 517 | 100518 | HNSYqJ | 30 | 256 |
| 344 | 100345 | JuepiX | 30 | 329 |
| 905 | 100906 | JuWALd | 30 | 892 |
| 574 | 100575 | kbyqjX | 30 | 260 |
| 703 | 100704 | KJbprS | 30 | 594 |
| 723 | 100724 | OTdJkY | 30 | 236 |
| 656 | 100657 | Pfgqmj | 30 | 600 |
| 982 | 100983 | qywLqw | 30 | 837 |
| 468 | 100469 | sLEKQW | 30 | 346 |
| 988 | 100989 | UBYqJl | 30 | 457 |
| 173 | 100174 | UltkTN | 30 | 830 |
| 332 | 100333 | YjWiZw | 30 | 824 |
+-----+--------+--------+------+---------+
15 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

结果竟然有 filesort的 sql 运行速度， 超过了已经优化掉 filesort的 sql ，而且快了很多，几乎一瞬间就出现了结果。

原因：

所有的排序都是在过滤之后才执行的，所以，如果过滤条件能过滤掉大部分数据的话，剩下的几百几千条数据进行排序其实并不是很消耗性能，即使索引优化了排序，但实际提升性能有限，相对于stuno<101000这个条件，如果没有用到索引的话，要对几万条的数据进行扫描，这是非常消耗性能的，所以索引放在这个字段上性价比最高，是最优选择。

结论：

  1. 两个索引同时存在，mysql自动选择最优的方案。（对于这个例子，mysql选择 idx_age_stuno_name）。但是， 随着数据量的变化，选择的索引也会随之变化的。

  2. 当【范围条件】和【group by 或者 order by】的字段出现二选一时，优先观察条件字段的过 滤数量，如果过滤的数据足够多，而需要排序的数据并不多时，优先把索引放在范围字段上。反之，亦然。

3.6、GROUP BY优化

  • group by 使用索引的原则几乎跟order by一致 ，group by 即使没有过滤条件用到索引，也可以直接使用索引。

  • group by 先排序再分组，遵照索引建的最佳左前缀法则

  • 当无法使用索引列，增大 max_length_for_sort_data 和 sort_buffer_size 参数的设置

  • where效率高于having，能写在where限定的条件就不要写在having中

  • 减少使用order by，和业务沟通能不排序就不排序，或将排序放到程序端去做。order by、group by、distinct这些语句较为耗费CPU，数据库的CPU资源是极其宝贵的。

  • 包含了order by、group by、distinct这些查询的语句，where条件过滤出来的结果集请保持在1000行 以内，否则SQL会很慢。

3.7、优化分页查询

一般分页查询时，通过创建覆盖索引能够比较好地提高性能。一个常见又非常头疼的问题就是limit 200000,10，此时需要MysQL排序前2000010记录，仅仅返回2000000 - 2000010的记录，其他记录丢弃，查询排序的代价非常大。

 优化思路一

在索引上完成排序分页操作，最后根据主键关联回原表查询所需要的其他列内容。

EXPLAIN SELECT * FROM student t,(SELECT id FROM student ORDER BY id LIMIT 2000000,10) a WHERE t.id = a.id;

优化思路二

该方案适用于主键自增的表，可以把Limit 查询转换成某个位置的查询

EXPLAIN SELECT * FROM student WHERE id > 2000000 LIMIT 10;

3.8、优先考虑覆盖索引

3.8.1、什么是覆盖索引？

理解方式一：索引是高效找到行的一个方法，但是一般数据库也能使用索引找到一个列的数据，因此它不必读取整个行。毕竟索引叶子节点存储了它们索引的数据；当能通过读取索引就可以得到想要的数据，那就不需要读取行了。一个索引包含了满足查询结果的数据就叫做覆盖索引。

理解方式二：非聚簇复合索引的一种形式，它包括在查询里的SELECT、JOIN和WHERE子句用到的所有列 （即建索引的字段正好是覆盖查询条件中所涉及的字段）。

简单说就是， 索引列+主键 包含 SELECT 到 FROM之间查询的列 。

举例一：

# 删除之前的索引
DROP INDEX idx_age_stuno ON student;
CREATE INDEX idx_age_name ON student(age, NAME);
EXPLAIN SELECT * FROM student WHERE age <> 20;

举例二：

EXPLAIN SELECT * FROM student WHERE NAME LIKE '%abc';

CREATE INDEX idx_age_name ON student(age, NAME);
EXPLAIN SELECT id,age,NAME FROM student WHERE NAME LIKE '%abc';

上述都使用到了声明的索引，下面的情况则不然，查询列依然多了classId,结果是未使用到索引：

EXPLAIN SELECT id,age,NAME,classId FROM student WHERE NAME LIKE '%abc';

3.8.2、覆盖索引的利弊

好处:

1.避免Innodb表进行索引的二次查询(回表)

Innodb是以聚集索引的顺序来存储的，对于InnoaD术说，一以杂9Ao本十的#取我们直实所需要的数据。是用二级索引查询数据，在查找到相应的键值后，还需迪辽工斑进1J一人SAd BAi在覆盖索引中，二级索引的键值中可以获取所要的数据，避免了对主键的二次查询，减少了IO操作，提升了查询效率。

2.可以把随机Io变成顺序IO加快查询效率 

        由于覆盖索引是按键值的顺序存储的，对于I0密集型的范围查找来说，对比随机从磁盘读取每一行的数据I0要少的多，因此利用覆盖索引在访问时也可以把磁盘的随机读取的IO转变成索引查找的顺序I0。

由于覆盖索引可以减少树的搜索次数，显著提升查询性能，所以使用覆盖索引是一个常用的性能优

弊端:

索引字段的维护总是有代价的。因此，在建立冗余索引来支持覆盖索引时就需要权衡考虑了。这是业务DBA，或者称为业务数据架构师的工作。

3.9、如何给字符串添加索引

有一张教师表，表定义如下：

create table teacher(
ID bigint unsigned primary key,
email varchar(64),
...
)engine=innodb;

讲师要使用邮箱登录，所以业务代码中一定会出现类似于这样的语句：

mysql> select col1, col2 from teacher where email='xxx';

如果email这个字段上没有索引，那么这个语句就只能做 全表扫描 。

3.9.1、前缀索引

MySQL是支持前缀索引的。默认地，如果你创建索引的语句不指定前缀长度，那么索引就会包含整个字符串。

mysql> alter table teacher add index index1(email);
#或
mysql> alter table teacher add index index2(email(6));

这两种不同的定义在数据结构和存储上有什么区别呢？下图就是这两个索引的示意图。

以及

如果使用的是index1（即email整个字符串的索引结构），执行顺序是这样的：

  1. 从index1索引树找到满足索引值是’ zhangssxyz@xxx.com’的这条记录，取得ID2的值；

  2. 到主键上查到主键值是ID2的行，判断email的值是正确的，将这行记录加入结果集；

  3. 取index1索引树上刚刚查到的位置的下一条记录，发现已经不满足email=' zhangssxyz@xxx.com ’的 条件了，循环结束。

这个过程中，只需要回主键索引取一次数据，所以系统认为只扫描了一行。

如果使用的是index2（即email(6)索引结构），执行顺序是这样的：

  1. 从index2索引树找到满足索引值是’zhangs’的记录，找到的第一个是ID1；

  2. 到主键上查到主键值是ID1的行，判断出email的值不是’ zhangssxyz@xxx.com ’，这行记录丢弃；

  3. 取index2上刚刚查到的位置的下一条记录，发现仍然是’zhangs’，取出ID2，再到ID索引上取整行然 后判断，这次值对了，将这行记录加入结果集；

  4. 重复上一步，直到在idxe2上取到的值不是’zhangs’时，循环结束。

也就是说使用前缀索引，定义好长度，就可以做到既节省空间，又不用额外增加太多的查询成本。前面已经讲过区分度，区分度越高越好。因为区分度越高，意味着重复的键值越少。

3.10、普通索引 vs 唯一索引

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？

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，假设字段 k 上的值都不重复。

这个表的建表语句是：

mysql> create table test(
id int primary key,
k int not null,
name varchar(16),
index (k)
)engine=InnoDB;

表中R1~R5的(ID,k)值分别为(100,1)、(200,2)、(300,3)、(500,5)和(600,6)。

3.10.1、查询的过程

假设，执行查询的语句是 select id from test where k=5。

  • 对于普通索引来说，查找到满足条件的第一个记录(5,500)后，需要查找下一个记录，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，就会停止继续检 索。

那么，这个不同带来的性能差距会有多少呢？答案是， 微乎其微 。

3.10.2、更新的过程

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，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。

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。

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。

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。

3.10.3、change buffer的使用场景

  1. 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，建议你尽量选择普通索引 。

  2. 在实际使用中会发现， 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。

  3. 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。

  4. 由于唯一索引用不上change buffer的优化机制，因此如果 业务可以接受 ，从性能角度出发建议优 先考虑非唯一索引。但是如果"业务可能无法确保"的情况下，怎么处理呢？

    • 首先， 业务正确性优先 。我们的前提是“业务代码已经保证不会写入重复数据”的情况下，讨论性能 问题。如果业务不能保证，或者业务就是要求数据库来做约束，那么没得选，必须创建唯一索引。 这种情况下，本节的意义在于，如果碰上了大量插入数据慢、内存命中率低的时候，给你多提供一 个排查思路。

    • 然后，在一些“ 归档库 ”的场景，你是可以考虑使用唯一索引的。比如，线上数据只需要保留半年， 然后历史数据保存在归档库。这时候，归档数据已经是确保没有唯一键冲突了。要提高归档效率， 可以考虑把表里面的唯一索引改成普通索引。

3.11、其他查询优化策略

3.11.1、EXISTS和IN的区分

哪种情况下应该使用 EXISTS，哪种情况应该用 IN。选择的标准是看能否使用表的索引吗？

其实选择与否还是要看表的大小，可以将选择的标准理解为小表驱动大表，这种方式下效率是最高的。

比如下面这种：

SELECT * FROM A WHERE cc IN (SELECT cc FROM B);SELECT * FROM A WHERE cc EXISTS (SELECT cc FROM B WHERE B.cc=A.cc);

当A小于B时，用EXISTS的实现，相当于外表循环，实现的逻辑类似于：

反之，当A大于B的时候，用IN，实现逻辑类似于：

那个表小就用那个表来驱动

3.11.2、count(*)与count(具体字段)的效率

在 MySQL 中统计数据表的行数，可以使用三种方式： SELECT COUNT(*) 、 SELECT COUNT(1) 和 SELECT COUNT(具体字段) ，使用这三者之间的查询效率是怎样的？

前提:如果你要统计的是某个字段的非空数据行数，则另当别论，毕竟比较执行效率的前提是结果一样才可以。

环节1:COUNT(*)和COUNT(1)都是对所有结果进行COUNT，COUNT(*)和COUNT(1)本质上并没有区别(二者执行时间可能略有差别，不过你还是可以把它俩的执行效率看成是相等的)。如果有WHERE子句，则是对所有符合筛选条件的数据行进行统计;如果没有WHERE子句，则是对数据表的数据行数进行统计。

环节2:如果是MyISAM存储引擎，统计数据表的行数只需要0(1)的复杂度，这是因为每张MylSAM的数据表都有一个meta信息存储了row_count值，而一致性则由表级锁来保证。

如果是InnoDB存储引擎，因为InnoDB支持事务，采用行级锁和MVCC机制，所以无法像MylSAM一样，维护一个row_count变量，因此需要采用扫描全表，是0(n)的复杂度，进行循环＋计数的方式来完成统。

环节3:在InnoDB引擎中，如果采用COUNT(具体字段)来统计数据行数，要尽量采用二级索引。因为主键采用的索引是聚簇索引，聚簇索引包含的信息多，明显会大于二级索引(非聚簇索引)。对于COUNT(*)和COUNT(1)来说，它们不需要查找具体的行，只是统计行数，系统会自动采用占用空间更小的二级索引来进行统计。

如果有多个二级索引，会使用key_len小的二级索引进行扫描。当没有二级索引的时候，才会采用主键索引来进行统计。

3.11.3、关于SELECT *

在表查询中，建议明确字段，不要使用 * 作为查询的字段列表，推荐使用SELECT <字段列表> 查询。原因：

① MySQL 在解析的过程中，会通过查询数据字典将 * 按序转换成所有列名，这会大大的耗费资源和时间。

② 无法使用 覆盖索引

3.11.4、LIMIT 1对优化的影响

针对的是会扫描全表的 SQL 语句，如果你可以确定结果集只有一条，那么加上 LIMIT 1 的时候，当找到一条结果的时候就不会继续扫描了，这样会加快查询速度。

如果数据表已经对字段建立了唯一索引，那么可以通过索引进行查询，不会全表扫描的话，就不需要加上 LIMIT 1 了。

四、数据库其他调优策略

4.1、数据库调优的措施

4.1.1、调优的目标

  • 尽可能节省系统资源 ，以便系统可以提供更大负荷的服务。（吞吐量更大）

  • 合理的结构设计和参数调整，以提高用户操作响应的速度 。（响应速度更快）

  • 减少系统的瓶颈，提高MySQL数据库整体的性能

4.1.2、如何定位调优问题

随着用户量的不断增加，以及应用程序复杂度的提升，我们很难用"更快”去定义数据库调优的目标，因为用户在不同时间段访问服务器遇到的瓶颈不同，比如双十一促销的时候会带来大规模的并发访问;还有用户在进行不同业务操作的时候，数据库的事务处理和SQL查询都会有所不同。因此我们还需要更加精细的定位，去确定调优的目标。

一般有以下几种方式确定：

  • 用户的反馈（主要)
    用户是我们的服务对象，因此他们的反馈是最直接的。虽然他们不会直接提出技术建议，但是有些问题往往是用户第一时间发现的。我们要重视用户的反馈，找到和数据相关的问题。
  • 日志分析(主要)
    我们可以通过查看数据库日志和操作系统日志等方式找出异常情况，通过它们来定位遇到的问题
  • 服务器资源使用监控
    通过监控服务器的CPU、内存、I/o等使用情况，可以实时了解服务器的性能使用，与历史情况进行对比。
  • 数据库内部状况监控
    在数据库的监控中，活动会话（Active Session)监控是一个重要的指标。通过它，你可以清楚地了解数据库当前是否处于非常繁忙的状态，是否存在sQL堆积等。
  • 其它
    除了活动会话监控以外，我们也可以对事务、锁等等进行监控，这些都可以帮助我们对数据库的运行状态有更全面的认识。

4.1.3、调优的维度和步骤

我们需要调优的对象是整个数据库管理系统，它不仅包括 SQL 查询，还包括数据库的部署配置、架构 等。从这个角度来说，我们思考的维度就不仅仅局限在 SQL 优化上了。通过如下的步骤我们进行梳理：

第1步：选择适合的 DBMS

如果对事务性处理以及安全性要求高的话，可以选择商业的数据库产品。这些数据库在事务处理和查询性能上都比较强，比如采用SQL Server、Oracle，那么单表存储上亿条数据是没有问题的。如果数据表设计得好，即使不采用分库分表的方式，查询效率也不差。

除此以外，也可以采用开源的MySQL进行存储，它有很多存储引擎可以选择，如果进行事务处理的话可以选择lnnoDB，非事务处理可以选择MylSAM。

NoSQL阵营包括键值型数据库、文档型数据库、搜索引擎、列式存储和图形数据库。这些数据库的优缺点和使用场景各有不同，比如列式存储数据库可以大幅度降低系统的V/O，适合于分布式文件系统，但如果数据需要频繁地增删改，那么列式存储就不太适用了。

DBMS的选择关系到了后面的整个设计过程，所以第一步就是要选择适合的DBMS。如果已经确定好了DBMS，那么这步可以跳过。

第2步：优化表设计

选择了DBMS之后，就需要进行表设计了。而数据表的设计方式也直接影响了后续的SQL查询语句。RDBMS中，每个对象都可以定义为一张表，表与表之间的关系代表了对象之间的关系。如果用的是MySQL，我们还可以根据不同表的使用需求，选择不同的存储引擎。除此以外，还有一些优化的原则可以参考:

  • 表结构要尽量遵循三范式的原则。这样可以让数据结构更加清晰规范，减少冗余字段，同时也减少了在更新，插入和删除数据时等异常情况的发生。
  • 如果查询应用比较多，尤其是需要进行多表联查的时候，可以采用反范式进行优化。反范式采用空间换时间的方式，通过增加冗余字段提高查询的效率。
  • 表字段的数据类型选择，关系到了查询效率的高低以及存储空间的大小。一般来说，如果字段可以采用数值类型就不要采用字符类型;字符长度要尽可能设计得短一些。针对字符类型来说，当确定字符长度固定时，就可以采用CHAR类型;当长度不固定时，通常采用VARCHAR类型

数据表的结构设计很基础，也很关键。好的表结构可以在业务发展和用户量增加的情况下依然发挥作用，不好的表结构设计会让数据表变得非常臃肿，查询效率也会降低。

第3步：优化逻辑查询

当我们建立好数据表之后，就可以对数据表进行增删改查的操作了。这时我们首先需要考虑的是逻辑查询优化。

SQL查询优化，可以分为逻辑查询优化和物理查询优化。逻辑查询优化就是通过改变SQL语句的内容让SQL执行效率更高效，采用的方式是对SQL语句进行等价变换，对查询进行重写。SQL的查询重写包括了子查询优化、等价谓词重写、视图重写、条件简化、连接消除和嵌套连接消除等。

比如我们在讲解EXISTS子查询和IN子查询的时候，会根据小表驱动大表的原则选择适合的子查询。在WHERE子句中会尽量避免对字段进行函数运算，它们会让字段的索引失效。

举例:查询评论内容开头为abc的内容都有哪些，如果在WHERE子句中使用了函数，语句就会写成下面这样:

SELECT comment_id，comment_text，comment_time FROM product_comment WHERE SUBSTRING ( comment text， 1.3 )= 'abc';

采用查询重写的方式进行等价替换:

SELECT comment_id，comment.text，comment_time FROM product_comment WHERE comment_text LIKE'abc%';

第4步：优化物理查询

物理查询优化是在确定了逻辑查询优化之后，采用物理优化技术（比如索引等），通过计算代价模型对 各种可能的访问路径进行估算,从而找到执行方式中代价最小的作为执行计划。在这个部分中，我们需要掌握的重点是对索引的创建和使用。

但索引不是万能的，我们需要根据实际情况来创建索引。那么都有哪些情况需要考虑呢?我们在前面几章中已经进行了细致的剖析。

SQL查询时需要对不同的数据表进行查询，因此在物理查询优化阶段也需要确定这些查询所采用的路径，具体的情况包括:

  • 单表扫描:对于单表扫描来说，我们可以全表扫描所有的数据，也可以局部扫描。
  • 两张表的连接:常用的连接方式包括了嵌套循环连接、HASH连接和合并连接。
  • 多张表的连接︰多张数据表进行连接的时候，顺序很重要，因为不同的连接路径查询的效率不同，搜索空间也会不同。我们在进行多表连接的时候，搜索空间可能会达到很高的数据量级，巨大的搜索空间显然会占用更多的资源，因此我们需要通过调整连接顺序，将搜索空间调整在一个可接受的范围内。

第5步：使用 Redis 或 Memcached 作为缓存

除了可以对 SQL 本身进行优化以外，我们还可以请外援提升查询的效率。

因为数据都是存放到数据库中，我们需要从数据库层中取出数据放到内存中进行业务逻辑的操作，当用 户量增大的时候，如果频繁地进行数据查询，会消耗数据库的很多资源。如果我们将常用的数据直接放 到内存中，就会大幅提升查询的效率。

键值存储数据库可以帮我们解决这个问题。常用的键值存储数据库有 Redis 和 Memcached，它们都可以将数据存放到内存中。

从可靠性来说，Redis支持持久化，可以让我们的数据保存在硬盘上，不过这样一来性能消耗也会比较大,Memcached仅仅是内存存储，不支持持久化。

从支持的数据类型来说，Redis 比Memcached要多，它不仅支持 key-value类型的数据，还支持List，Set，Hash等数据结构。当我们有持久化需求或者是更高级的数据处理需求的时候，就可以使用Redis。如果是简单的key-value存储，则可以使用Memcached。

通常我们对于查询响应要求高的场景（响应时间短，吞吐量大)，可以考虑内存数据库，毕竟术业有专攻。传统的RDBMS都是将数据存储在硬盘上，而内存数据库则存放在内存中，查询起来要快得多。不过使用不同的工具，也增加了开发人员的使用成本。

第6步：库级优化

库级优化是站在数据库的维度上进行的优化策略，比如控制一个库中的数据表数量。另外，单一的数据库总会遇到各种限制，不如取长补短，利用"外援"的方式。通过主从架构优化我们的读写策略，通过对数据库进行垂直或者水平切分，突破单—数据库或数据表的访问限制，提升查询的性能。

1、读写分离

如果读和写的业务量都很大，并且它们都在同一个数据库服务器中进行操作，那么数据库的性能就会出现瓶颈，这时为了提升系统的性能，优化用户体验，我们可以采用读写分离的方式降低主数据库的负载，比如用主数据库(master）完成写操作，用从数据库(slave)完成读操作。

2、数据分片

对数据库分库分表。当数据量级达到千万级以上时，有时候我们需要把一个数据库切成多份，放到不同的数据库服务器上，减少对单一数据库服务器的访问压力。如果你使用的是MysQL，就可以使用MySQL自带的分区表功能，当然你也可以考虑自己做垂直拆分（分库）、水平拆分(分表）、垂直+水平拆分（分库分表)。

4.2、优化数据库结构

一个好的数据库设计方案对于数据库的性能常常会起到事半功倍的效果合理的数据库结构不仅可以使数据库占用更小的磁盘空间，而且能够使查询速度更快。数据库结构的设计需要考虑数据冗余、查询和更新的速度、字段的数据类型是否合理等多方面的内容。

4.2.1、拆分表：冷热数据分离

拆分表的思路是，把1个包含很多字段的表拆分成2个或者多个相对较小的表。这样做的原因是，这些表中某些字段的操作频率很高（热数据），经常要进行查询或者更新操作，而另外一些字段的使用频率却很低（冷数据），冷热数据分离，可以减小表的宽度。如果放在一个表里面，每次查询都要读取大记录，会消耗较多的资源。

MySQL限制每个表最多存储4096列，并且每一行数据的大小不能超过65535字节。表越宽，把表装载进内存缓冲池时所占用的内存也就越大，也会消耗更多的l0。冷热数据分离的目的是:①减少磁盘IO，保证热数据的内存缓存命中率。②更有效的利用缓存，避免读入无用的冷数据。

举例1： 会员members表 存储会员登录认证信息，该表中有很多字段，如id、姓名、密码、地址、电 话、个人描述字段。其中地址、电话、个人描述等字段并不常用，可以将这些不常用的字段分解出另一 个表。将这个表取名叫members_detail，表中有member_id、address、telephone、description等字段。 这样就把会员表分成了两个表，分别为 members表 和 members_detail表 。

CREATE TABLE members (id int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,username varchar(50) DEFAULT NULL,password varchar(50) DEFAULT NULL,last_login_time datetime DEFAULT NULL,last_login_ip varchar(100) DEFAULT NULL,PRIMARY KEY(Id)
);
CREATE TABLE members_detail (Member_id int(11) NOT NULL DEFAULT 0,address varchar(255) DEFAULT NULL,telephone varchar(255) DEFAULT NULL,description text
);

如果需要查询会员的基本信息或详细信息，那么可以用会员的id来查询。如果需要将会员的基本信息和 详细信息同时显示，那么可以将members表和members_detail表进行联合查询，查询语句如下：

SELECT * FROM members LEFT JOIN members_detail on members.id =
members_detail.member_id;

通过这种分解可以提高表的查询效率。对于字段很多且有些字段使用不频繁的表，可以通过这种分解的方式来优化数据库的性能。

4.2.2、增加中间表

对于需要经常联合查询的表，可以建立中间表以提高查询效率。通过建立中间表，把需要经常联合查询的数据插入中间表中，然后将原来的联合查询改为对中间表的查询，以此来提高查询效率。

        首先，分析经常联合查询表中的字段;然后，使用这些字段建立一个中间表，并将原来联合查询的表的数据插入中间表中;最后，使用中间表来进行查询。

4.2.3、增加冗余字段

设计数据库表时应尽量遵循范式理论的规约，尽可能减少冗余字段，让数据库设计看起来精致、优雅。 但是，合理地加入冗余字段可以提高查询速度。

表的规范化程度越高，表与表之间的关系就越多，需要连接查询的情况也就越多。尤其在数据量大，而 且需要频繁进行连接的时候，为了提升效率，我们也可以考虑增加冗余字段来减少连接。

4.2.4、优化数据类型

改进表的设计时，可以考虑优化字段的数据类型。这个问题在大家刚从事开发时基本不算是问题。但是，随着你的经验越来越丰富，参与的项目越来越大，数据量也越来越多的时候，你就不能只从系统稳定性的角度来思考问题了，还要考虑到系统整体的稳定性和效率。此时，优先选择符合存储需要的最小的数据类型。

列的字段越大，建立索引时所需要的空间也就越大，这样一页中所能存储的索引节点的数量也就越少，在遍历时所需要的IO次数也就越多，索引的性能也就越差。

情况1：对整数类型数据进行优化。

遇到整数类型的字段可以用 INT 型 。这样做的理由是，INT 型数据有足够大的取值范围，不用担心数 据超出取值范围的问题。刚开始做项目的时候，首先要保证系统的稳定性，这样设计字段类型是可以 的。但在数据量很大的时候，数据类型的定义，在很大程度上会影响到系统整体的执行效率。

对于 非负型 的数据（如自增ID、整型IP）来说，要优先使用无符号整型 UNSIGNED 来存储。因为无符号 相对于有符号，同样的字节数，存储的数值范围更大。如tinyint有符号为-128-127，无符号为0-255，多 出一倍的存储空间。

情况2：既可以使用文本类型也可以使用整数类型的字段，要选择使用整数类型。

跟文本类型数据相比，大整数往往占用更少的存储空间 ，因此，在存取和比对的时候，可以占用更少的 内存空间。所以，在二者皆可用的情况下，尽量使用整数类型，这样可以提高查询的效率。如：将IP地 址转换成整型数据。

情况3：避免使用TEXT、BLOB数据类型

MySQL内存临时表不支持TEXT、BLOB这样的大数据类型，如果查询中包含这样的数据，在排序等操作时，就不能使用内存临时表，必须使用磁盘临时表进行。并且对于这种数据，MySQL还是要进行二次查询，会使SQL性能变得很差，但是不是说—定不能使用这样的数抿类型

如果一定要使用，建议把BLOB或是TEXT列分离到单独的扩展表中，查询时一定不要使用select*，而只需要取出必要的列，不需要TEXT列的数据时不要对该列进行查询。

情况4：避免使用ENUM类型

修改ENUM值需要使用ALTER语句。

ENUM类型的ORDER BY 操作效率低，需要额外操作。使用TINYINT来代替ENUM类型。

情况5：使用TIMESTAMP存储时间

TIMESTAMP存储的时间范围1970-01-01 00:00:01 ~ 2038-01_19-03:14:07。TIMESTAMP使用4字节，DATETIME使用8个字节，同时TIMESTAMP具有自动赋值以及自动更新的特性。

情况6：用DECIMAL代替FLOAT和DOUBLE存储精确浮点数

1) 非精准浮点： float, double

2) 精准浮点：decimal

Decimal类型为精准浮点数，在计算时不会丢失精度，尤其是财务相关的金融类数据。占用空间由定义的宽度决定，每4个字节可以存储9位数字，并且小数点要占用一个字节。可用于存储比bigint更大的整型数据。

总之，遇到数据量大的项目时，一定要在充分了解业务需求的前提下，合理优化数据类型，这样才能充 分发挥资源的效率，使系统达到最优。

4.2.5、使用非空约束

在设计字段的时候，如果业务允许，建议尽量使用非空约束。这样做的好处是:

  • 进行比较和计算时，省去要对NULL值的字段判断是否为空的开销，提高存储效率。
  • 非空字段也容易创建索引。因为索引NULL列需要额外的空间来保存，所以要占用更多的空间。使用非空约束，就可以节省存储空间(每个字段1个bit)

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