【MySQL】索引

思维导图

学习目标

      MySQL的服务器本质是在内存中的，所有数据库的CRUD操作，全部是在内存中——索引也是这样。

      提高算法效率的因素：1.组织数据的方式；2.算法本身。所以，索引是通过组织数据的方式来进行减少海量数据的检索速度，利用树的数据结构来进行优化效率。

一、没有索引，可能会有什么问题

1.1 先看一下索引是什么

我们先要创建一个海量的表，在创建完表之后，我们来进行一些操作：

• 查询员工编号为998877的员工

select * from emp where empno = 998877;

      在未添加索引之前，我们可以看到查询耗时5.54秒，这还只是本机一个人在查询操作，在实际项目中， 假如同时有1000个人并发查询，那就有可能会死机，这是不能容忍的。

• 创建索引

alter table emp add index(empno);

      创建索引也是需要时间的， 但是在创建完索引之后，查询所需要的时间就会大大减少。

• 换一个员工编号，测试看看查询时间

select * from emp where empno = 123456;

1.2 索引的概念

      索引是用来提高数据库的性能，是一个物美价廉的东西。不需要添加内存，不需要修改程序，不需要调用sql，只用执行正确的create index，查询速度就可以提高成百上千倍。

      但是，没有事物是完美的：查询速度的提高是以插入、更新、删除的速度为代价的，这些写操作（插入、更新、删除）增加了大量的IO。所以其价值在于提高一个海量数据的检索速度。

1.3 索引的分类

常见的索引分为：

• 主键索引（primary key）
• 唯一索引（unique）
• 普通索引（index）
• 全文索引（fulltext）——解决中文索引的问题

二、认识磁盘

2.1 MySQL与存储

      MySQL给用户提供存储服务，而存储的都是数据，数据在磁盘这个外设中。

      磁盘是计算机中的一个机械设备，相比于计算机其他电子元件，磁盘的效率是比较低的，在加上IO本身的效率问题，可以知道，如何提高效率是MySQL的一个重要话题。

2.2 研究一下磁盘的构造

2.2.1 磁盘的介绍

• 先来看一下磁盘的总体形状：

• 再来看一下磁盘中的一个盘片：

      磁盘表面被分为许多个同心圆，每一个同心圆称为一个磁道。每一个磁道都有一个编号嘴最外面的是0磁道。

      每个磁道被划分为若干段（段又叫做扇区），每一个扇区的存储容量为512字节，每个扇区都有一个编号。

      近三十年以来，扇区的大小一直是512字节。但是在最近几年中，正在迁移到更大、更高效的4096字节扇区，通常称为4K扇区。

• 从上图可以看出，在半径方向上，距离圆心越近，扇区越小；距离圆心越远，扇区越大
• 那么，所有扇区基本都是默认512字节的，因为保证一个扇区有多大，是有比特位密度决定的
• 不过，最新的磁盘技术，已经慢慢让扇区的大小不同了，不过我们现在不考虑

2.2.2 扇区

      存储在数据库中的数据，其实在Linux操作系统中，是以文件的形式进行存储的。数据库文件本质其实就是保存在磁盘的盘片中，也就是上图中的一个个小格子中（又称为扇区）。明显地，一个数据库文件很大，很多时，一定也需要占据多个扇区。

      我们在使用Linux，所看到的大部分目录和文件都是在硬盘中进行保存的（一些内存文件系统，如：proc，sys之类的，我们不进行考虑）。

      所以，最基本的，找到一个文件的全部，本质上就是在磁盘中找到所有保存文件的扇区。而我们能够定位到任何一个扇区，那么便可以找到所有扇区，因为查找方式是一样的。

2.2.3 定位扇区

我们想要定位扇区，就需要先定位盘面，再定位磁道，最后定位扇区。我们需要了解一下：

• 柱面（磁道）：多盘磁道，每一个盘都是双面，大小完全相等。所以同半径的磁道在整体上便构成了一个柱面。
• 每一个盘面都有一个磁头，因此磁头和盘面的对应关系是一一对应的。

      因此，我们只需要知道：磁头（Heads）、柱面（Cylinder）、扇区（Sector）对应的编号，就可以在磁盘中定位所要访问的扇区，这种数据定位方式为CHS。但是，在实际系统软件使用的并不是CHS（但是硬件是），而是LBA（一种线性结构，可以想象为虚拟地址与物理地址）系统将LBA地址最后转化为CHS，交给磁盘去进行数据读取。

2.2.4 总结

      我们现在已经能够在硬件层面上定位任何一个基本数据块（扇区），那么在操作系统中，直接是按照扇区（512字节，部分4096字节）进行IO交互吗？？答案：肯定不是的。

• 如果操作系统直接使用硬件提供的数据大小进行交互，那么系统的IO代码就和硬件强相关； 换言之，如果系统发生变化，软件也需要发生变化。
• 从目前来看，单次IO 512字节，还是太小了。IO单位小，意味着读取同样的数据内容，需要进行多次磁盘访问，会带来效率的降低。
• 之前学习文件系统，就是在磁盘的基本结构下建立的，文件系统读取基本单位，就不是扇区，而是数据块。

因此：系统读取磁盘，是以块为单位进行的，基本单位是4KB。

2.3 磁盘的随机访问与连续访问

      随机访问（Random Access）：本次IO所给出的扇区地址和上次IO给出的扇区地址不连续，这样的话，磁头在两次IO操作之间需要进行比较大的移动才可以重新读/写数据。

      连续访问（Sequential Access）：如果当前IO操作给出的扇区地址与上次IO给出的扇区地址是连续的，那么磁头很快就可以开始本次IO，这样的多个IO操作称为连续访问。

三、MySQL与磁盘交互的基本单位

      MySQL作为一款应用软件，可以想象成一种特殊的文件系统，它有着更高的IO场景。所以，为了提高基本的IO效率，MySQL进行IO的基本单位是16KB（后面统一使用InnoDB存储引擎）。也就是说，磁盘这个硬件设备的基本单位是512字节，而InnoDB存储引擎使用16KB进行IO交互，MySQL 和磁盘进行数据交互的基本单位是 16KB。这个数据基本单位在MySQL中称为page。

MySQL、操作系统与硬盘之间的关系：

四、建立共识

• MySQL中的数据文件，是以page为单位保存在磁盘当中的。
• 磁盘中的CRUD操作，都需要通过计算，找到对应的插入位置，或者找到对应要修改或者查询的数据。
• 然而只要涉及计算，就需要CPU参与，而为了便于CPU参与，一定要先将数据移动到内存中。
• 所以在特定时间中，数据一定是磁盘中有的，内存中也有，后续操作完数据之后，以特定的刷新策略，刷新到磁盘中。这时，就涉及到磁盘和内存的数据交互，也就是IO，此时IO的基本数据单位是page。
• 为了更好地进行上面的操作，MySQL服务器在内存中运行时，在服务器的内部，申请了被称为：buffer pool的大内存空间，来进行各种缓存。其实就是一个更大的内存空间，来和磁盘数据进行IO交互。
• 为了更高的效率，一定要尽可能的减少系统和磁盘IO的交互次数（局部性原理）。

五、索引的理解

5.1 建立测试表

// 创建一个数据表
create table if not exists user (
    id int primary key, --一定要添加主键哦，只有这样才会默认生成主键索引
    age int not null,
    name varchar(16) not null
);
 
// 插入数据
// 插入多条数据，注意，我们并不是按照主键的大小顺序进行插入的
insert into user (id, age, name) values(3, 18, '杨过');
insert into user (id, age, name) values(4, 16, '小龙女');
insert into user (id, age, name) values(2, 26, '黄蓉');
insert into user (id, age, name) values(5, 36, '郭靖');
insert into user (id, age, name) values(1, 56, '欧阳锋');

5.1.1 我们向一个具有主键的表中，乱序插入数据，我们会发现数据会自动进行排序。为什么呢？？？

      mysqld内部进行排序操作，只有创建的表中有主键，mysqld才会对其进行排序，使之后的查找效率更高。

      插入数据时排序的目的是：优化查询的效率。

      内部存放数据的模块，实质上也是一个链表的结构，链表的特点也就是增删快，查询修改慢，所以优化效率是必须的。

      正是因为有序，在查找的时候，从头到尾都是有效查找，没有任何一个查找是浪费的，而且如果运气好，是可以提前结束查找过程的。

5.1.2 如何理解mysql中的page的概念？？

      mysql内部，一定需要并且会大量存在page，也就决定了，mysql必须要将多个同时存在的page管理起来！要管理所有的mysql内的page，我们需要进行先描述，再组织。所以，不要简单地认为page就是一个内存块，page内部也必须写入对应的管理信息！

struct page{
    struct page* next;
    string page* prev;
    char buffer[NUM];
};
// 将所有的page用一种特殊的数据结果管理起来，在 buffer pool 内部，对mysql中的page进行建模

5.2 为何IO交互要是page

      为什么MySQL和磁盘进行交互时，要采用 page 的方案进行交互呢？？我们可以用多少，加载多少。

      举个例子：比如上面的 5 条记录，如果 MySQL 要查找 id = 2 的记录，第一次加载 id = 1，第二次加载 id = 2，一次加载一条记录，那么就需要加载 2 次 IO，如果要查找的是 id = 5，那么就需要 5 次 IO。但是，如果这5条记录被保存在一个 page 中（16KB，可以保存很多记录），那么第一次IO 查找 id = 2 的时候，整个 page 都会被加载到 Buffer Pool 中，这里完成了一次 IO。但是如果往后在寻找 id = 3, 4, 5等，完全不需要进行 IO，而是直接在内存中进行了。所以，在单 page中，大大减少了 IO 的次数。

      因为计算机有局部性原理，有很大可能的概率用户下次找的数据在 page 中。往往 IO 效率低下的最主要矛盾不是 IO 单次数据量的大小，而是 IO 的次数。

5.3 理解单个 Page

      在MySQL中一定有很多数据库表文件，因此，在MySQL中要管理很多数据库表文件，而要管理好这些数据库表文件，就要先描述，在组织。我们目前可以简单理解为一个个文件是有一个或者多个page构成的。

      不同的page在MySQL中的大小都是16KB，使用prev和next构成双向链表。

      因为有主键的问题，MySQL会默认按照主键给我们的数据进行排序，从上面的page内的数据记录可以看出，数据之间是有序并且彼此关联。  

5.4 理解多个page

      通过上面的分析，我们知道，在上面的页模式中，只有一个功能：在查询某条数据的时候直接将一整页的数据加载到内存中，以减少硬盘IO的次数，从而提升性能。但是，我们也可以看到，现在的页模式内部，实际上是采用了链表的结构，前一条数据指向后一条数据，本质上还是通过数据的逐条比较来取出特定的数据。

      如果有一千万条数据，一定需要多个page来保存一千万条数据，多个page彼此使用双链表连接起来，而且每个page内部的数据也是基于链表的。那么，查找特定的一条记录，也一定是线式查找，其效率也是很低。

5.4.1 页目录

我们在生活中，想要看一本书的特定章节，我们有两种方式：

• 从头到尾逐页向后翻，直到找到目标内容
• 通过书本提供的目录，发现想要找的那个章节在235页，那么我们便可以直接翻到235页。同时，查找目录的方案，可以顺序找，不过因为目录数量少，所以可以快速提高定位。

      在生活中，会发现基本上每一个书都有其目录，我们读者可以通过该目录很快的找到了我们想要看的那一页，不需要我们进行一页一页的寻找。而上述链表结构就是需要我们一一遍历寻找。所以，在mysql中的数据也有其对应的目录，为了提高搜索效率。

• 本质上，书中的目录是多花了纸张，但是却提高了效率
• 因此，目录是一种“空间换时间的做法”。

5.4.2 单页情况

      针对单页的page，我们是否也可以引入目录呢？当然可以：

      如上图所示，在一个page内部，我们引入了目录。比如，我们要查找的 id = 4 记录，按照之前的线性查找，需要进行线性遍历4次，才可以拿到结果。现在通过目录2可以直接定位到所要查找的记录，提高了效率。

5.4.3 多页情况

      MySQL中每一页的大小只有16KB，单个page大小固定，所以随着数据量的不断增大，16KB不可能存下所有的数据，必定会有多个也来存储数据。

      在单表数据不断被插入的情况下，MySQL会在容量不足的时候，自动开辟新的page来保存新的数据，然后通过指针的方式，将所有的page组织起来。

      这样，我们可以通过多个page的遍历，page内部通过目录来快速定位数据。可是，这样也会有效率问题，在page之间，也是需要mysql遍历的，遍历意味着依旧需要进行大量的IO操作，将下一个page加载到内存，进行线性检测，这样显得我们之前的page内部的目录有点无用。

我们可以通过一些额外的空间建立目录来优化查找速度：

• 使用一个目录项来指向某一页，而这个目录项存放的就是将要指向的页中存放的最小数据的键值
• 和页目录不同的地方在于：这种目录管理的级别是页，而页内目录管理的级别是行
• 最后，每一个目录项的构成是：键值 + 指针

      其中，目录页的本质是用户数据，而目录中的数据存放的就是指向的那一页的最小的数据。有数据，就可以通过该访问，进而通过指针找到下一个page。

      其实目录页的本质也是页，普通页中存的数据是用户数据，而目录页中存的数据是普通页的地址。

5.4.4 复盘一下

• 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，自定向下找，只要加载部分电量到内存，即可完成算法的整个查询过程，大大减少； IO次数。

5.4.5 Inno_DB 在建立索引结果来管理数据的时候，我们可以使用其他数据结构吗？？

• 链表——线性遍历
• 二叉搜索树——这个结构可能会发生退化，退化为线性结构
• AVL && 红黑树——虽然是平衡或者是近似平衡，但是毕竟是二叉结构，相比较多阶B+树，意味着树的整体过高，大家都是自顶向下找，层高越低，意味着系统与硬盘之间的IO交互的次数会更少
• Hash——官方的索引实现方式中，MySQL中是支持Hash，但是在InnoDB和MyIASM中并不支持Hash，Hash根据其算法特性，决定了虽然有时候速度是很快的（O(1)），不过，在面对范围查找的时候就明显不行，另外还有其他差别。

5.4.5.1 B树和B+树的对比

目前这两个树的区别是：

• B树的节点上既有数据，又有page指针，而B+树中，只有叶子节点有数据，其他目录页中，只有键值和page指针
• B+树中的叶子节点是全部相连的，而B树中的叶子节点是不相连的

为什么MySQL中的索引结构选择B+树？？

• B+树的节点不存放数据，不会占用一些空间，这样一个节点是可以存放更多的键值的，可以使得树更矮，IO次数就会变少
• B+树的叶子节点是相连的，更便于进行范围查找（重要的）

5.4.5.2 聚簇索引和非聚簇索引

      MyIASM引擎同样使用B+树作为索引结果，叶结点的data域存放的是数据记录的地址，简单的说就是将数据和索引是分来进行存储的。而InnoDB引擎中的叶节点是将数据和索引一样存储的。其中，MyIASM最大的特点是：将索引page和数据page进行分离，也就是叶子结点没有数据，只有对应数据的地址（如下图所示）。

      在引擎中，我们除了主键索引，我们还可以建立其他索引。

      在InnoDB中，如果建立普通索引，在非主键索引的叶子节点中并没有数据，而只有对应记录的Key值。所以通过辅助（普通）索引，找到目标记录，需要两遍索引：首先检索辅助索引获得主键，然后用主键到主索引中检索获得记录，这种过程就叫做回表查询。

      为什么InnoDB针对这种辅助（普通）索引的场景，不给叶子结点附上数据呢？原因就是太浪费空间。

六、索引操作

6.1 创建索引

6.1.1 创建主键索引

• 第一种方式

// 在创建表的时候，直接在字段名后指定：primary key
create table user1(
    id int primary key,
    name varchar(30)
);

• 第二种方式

// 在创建表的最后，指定某列或某几列为主键索引
create table user2(
    id int,
    name varchar(30),
    primary key(id)
);

• 第三种方式

create table user3(
    id int,
    name varchar(30)
);
// 在创建表之后，在添加主键
alter table user3 add primary key(id);

主键索引的特点：

• 一个表中，最多有一个主键索引，当然也可以是复合主键
• 主键索引的效率高（主键不可重复）
• 创建主键索引的列，它的值不能为NULL，且不能重复
• 主键索引的列基本上是int

6.1.2 创建唯一键索引

• 第一种方式

// 在表定义时，在某列后直接指定unique唯一属性
create table user4(
    id int primary key,
    name varchar(30) unique
);

• 第二种方式

// 创建表时，在表的后面指定某列或者某几列为unique
create table user5(
    id int primary key,
    name varchar(30),
    unique(name)
);

• 第三种方式

create table user6(
    id int primary key,
    name varchar(30)
);
 
alter table user6 add unique(name);

唯一索引的特点：

• 一个表中，可以有多个唯一索引
• 查询效率高
• 如果在某一列建立唯一索引，必须保证这列不能有重复数据
• 如果一个唯一索引上指定not null，等价于主键索引

6.1.3 创建普通索引

• 第一种方式

create table user8(
    id int primary key,
    name varchar(30),
    index(name)  // 在表的定义最后，指定某列为索引
);

• 第二种方式

create table user10(
    id int primary key,
    name varchar(30)
);
alter table user10 add index(name); 

• 第三种方式

create table user11(
    id int primary key,
    name varchar(30)
);
create index idx_name on user11(name);

普通索引的特点：

• 一个表中可以有多个普通索引，普通索引在实际开发中用的比较多
• 如果某列需要创建索引，但是该列有重复值，那么我们就应该使用普通索引

6.1.4 创建全文索引（不重要）

      当对文章字段或有大量文字的字段进行检索时，会使用到全文索引。MySQL 提供全文索引机制，但是有要求，要求表的存储引擎必须是MyISAM ，而且默认的全文索引支持英文，不支持中文。如果对中文进行全文检索，可以使用sphinx的中文版。

• 查询有没有database数据

如果使用如下查询方式，虽然查询出数据，但是没有使用到全文索引：

• 如何使用全文索引？

select * from articals
>> where match (title, body) against ('database');

我们可以通过explain来分析这个sql语句，来看一下是否使用到索引：

6.2 查询索引

• 第一种方式

show keys from 表名\G

• 第二种方式

show index from 表名

• 第三种方式

desc 表名

6.3 删除索引

• 第一种方式——删除主键索引

alter table 表名 drop primary key;

• 第二种方式——删除其他索引

alter table 表名 drop index 索引名;  索引名就是show index from 表名中的key_name字段

• 第三种方式

drop index 索引名 on 表名;

6.4 索引的创建原则

• 比较频繁作为查询条件的字段应该创建索引
• 唯一性太差的字段不适合单独创建索引，即使频繁作为查询条件
• 更新非常频繁的字段不适合作创建索引
• 不会出现在where子句中的字段不该创建索引

6.5 其他概念

• 复合索引
• 索引最左匹配原则
• 索引覆盖