SQL,何必在忆之一(索引与执行计划篇)

简介: SQL,何必在忆之一(索引与执行计划篇)

B Tree


B树的种类


  • B Tree


  • B+ Tree


  • B* Tree


B 树的定义


B树(英语:B-tree)是一种自平衡的树,能够保持数据有序。这种数据结构能够让查找数据、顺序访问、插入数据及删除的动作,都在对数时间内完成。B树,概括来说是一个一般化的二叉查找树(binary search tree)一个节点可以拥有2个以上的子节点。与自平衡二叉查找树不同,B树适用于读写相对大的数据块的存储系统,例如磁盘。B树减少定位记录时所经历的中间过程,从而加快存取速度。B树这种数据结构可以用来描述外部存储。这种数据结构常被应用在数据库和文件系统的实现上。


三阶B树如下图所示


640 (1).jpg


采用树形状结构,采用链表进行划分,这样就可以大量减少查询IO(且平均),以上图为例子,等值的查询,需要三次IO,且仅要三次。


增加、删除、插入、搜索其之间的关系如下表所示


算法 平均 最差
空间 O(n) O(n)
搜索 O(log n) O(log n)
插入 O(log n) O(log n)
删除 O(log n) O(log n)


B树运用的理念


  • 保持键值有序,以顺序遍历


  • 使用层次化的索引来最小化磁盘读取


  • 使用不完全填充的块来加速插入和删除


  • 通过优雅的遍历算法来保持索引平衡


另外,B树通过保证内部节点至少半满来最小化空间浪费。一棵B树可以处理任意数目的插入和删除。


B树的弊端


  • 除非完全重建数据库,否则无法改变键值的最大长度。这使得许多数据库系统将人名截断到70字符之内。


B+树


B+树是B树的一种变形,比B树具有更广泛的应用,m阶 B+树有如下特征:


  1. 每个结点的关键字个数与孩子个数相等,所有非最下层的内层结点的关键字是对应子树上的最大关键字,最下层内部结点包含了全部关键字.


  1. 除根结点以外,每个内部结点有M/2 到m个孩子.


  1. 所有叶结点在树结构的同一层,并且不含任何信息(可看成是外部结点或查找失败的结点),因此,树结构总是树高平衡的。


在B+树,这些键值的拷贝被存储在内部节点;键值和记录存储在叶子节点;另外,一个叶子节点可以包含一个指针,指向另一个叶子节点以加速顺序存取。


如图


640 (2).jpg


一颗m阶的B+树和m阶的B_树的差异在于:


1.有n棵子树的结点中含有n个关键字;(而B树是n棵子树有n-1个关键字)


2.所有的叶子结点中包含了全部关键字的信息,及指向含有这些关键字记录的指针,且叶子结点本身依关键字的大小自小而大的顺序链接。(而B树的叶子节点并没有包括全部需要查找的信息)


3.*所有的非终端结点可以看成是索引部分*,结点中仅含有其子树根结点中最大(或最小)关键字。(而B 树的非终节点也包含需要查找的有效信息)


B+树的主要优点:非终端结点仅仅起高层索引作用,而B树非终端结点的关键字除作子树分界外,本身还是实际记录的有效关键字(含记录指针),因此相同的结点空间,B+树可以设计的阶树比B树大,相同的索引,B+树的索引层数比B树少,因此检索速度比B树快。此外,B+树叶子结点包含完整的索引信息,可以较方便地表示文件的稀疏索引。最后,B+树的检索、插入和删除都在叶子结点进行,比B树相对简单


B+树比B树更适合数据库索引?


1、 B+树的磁盘读写代价更低:B+树的内部节点并没有指向关键字具体信息的指针,因此其内部节点相对B树更小,如果把所有同一内部节点的关键字存放在同一盘块中,那么盘块所能容纳的关键字数量也越多,一次性读入内存的需要查找的关键字也就越多,相对IO读写次数就降低了。


2、B+树的查询效率更加稳定:由于非终结点并不是最终指向文件内容的结点,而只是叶子结点中关键字的索引。所以任何关键字的查找必须走一条从根结点到叶子结点的路。所有关键字查询的路径长度相同,导致每一个数据的查询效率相当。


3、由于B+树的数据都存储在叶子结点中,分支结点均为索引,方便扫库,只需要扫一遍叶子结点即可,但是B树因为其分支结点同样存储着数据,我们要找到具体的数据,需要进行一次中序遍历按序来扫,所以B+树更加适合在区间查询的情况,所以通常B+树用于数据库索引。


B*树


640 (3).jpg


B树是B+树的变体,在B+树的非根和非叶子结点再增加指向兄弟的指针;B树定义了非叶子结点关键字个数至少为(2/3)*M,即块的最低使用率为2/3(代替B+树的1/2)。


B+树的分裂:当一个结点满时,分配一个新的结点,并将原结点中1/2的数据复制到新结点,最后在父结点中增加新结点的指针;B+树的分裂只影响原结点和父结点,而不会影响兄弟结点,所以它不需要指向兄弟的指针;


B*树的分裂:当一个结点满时,如果它的下一个兄弟结点未满,那么将一部分数据移到兄弟结点中,再在原结点插入关键字,最后修改父结点中兄弟结点的关键字(因为兄弟结点的关键字范围改变了);如果兄弟也满了,则在原结点与兄弟结点之间增加新结点,并各复制1/3的数据到新结点,最后在父结点增加新结点的指针;


小结


B树:二叉树,每个结点只存储一个关键字,等于则命中,小于走左结点,大于走右结点;


B-树:多路搜索树,每个结点存储M/2到M个关键字,非叶子结点存储指向关键字范围的子结点;所有关键字在整颗树中出现,且只出现一次,非叶子结点可以命中;


B+树:在B-树基础上,为叶子结点增加链表指针,所有关键字都在叶子结点中出现,非叶子结点作为叶子结点的索引;B+树总是到叶子结点才命中;


B*树:在B+树基础上,为非叶子结点也增加链表指针,将结点的最低利用率从1/2提高到2/3


这里更加具体的有待探究,欢迎大佬批评与指点


索引


索引的概念


为了更快与查询,例如寻找书中的一页内容,我们可以先从目录进行选、从而加快查找的效率


索引的种类(算法)


  • B树索引 --> B+Tree --> B* Tree


  • Hash索引


  • R树


  • Full text


  • GIS


聚簇索引B树结构


区 extend => 簇 => 64 pages -> 1MB


构建前提


  • 建表时,指定了主键列,MySQL InnoDB会将主键作为聚簇索引列,比如 ID NOT NULL Primary Key


  • 如果没有主键,会选择唯一(unique)的列,作为聚集索引.


  • 以上均没有会生成隐藏的聚簇索引


作用


  • 有了聚簇索引后,将插入的数据行,都会按照Id值的顺序,有序在磁盘存储数据


辅助索引B树结构


使用普通的列作为条件构建的索引,需要认为创建


种类


  • 普通的单列辅助索引


  • 联合索引(多个列作为索引条件,生成索引树,理论上设计的好的,可以减少大量的回表查询)


  • 注意最左原则


  • 建立联合索引时,选择重复值少的列。作为最左列


  • 唯一索引(索引列的值都是唯一的.)


作用


优化非聚簇索引列之外的查询优化


构建过程


  1. 索引是基于表中,列(索引键)的值生成的B树结构


  1. 首先提取此列所有的值,进行自动排序


  1. 将排好序的值,均匀的分布到索引树的叶子节点中(16K)


  1. 然后生成此索引键值所对应后端数据页的指针


  1. 生成枝节点和根节点,根据数据量级和索引键长度,生成合适的索引树高度


前缀索引


当选取的索引列值过长,造成索引树增高,此时我们就需要使用前缀索引


索引管理


什么时候创建索引?


按业务所需创建合适的索引,并不是索引越多越好,将索引建立在经常where\`group by\\order by\\join on`的条件


为什么随意建立索引?


如果冗余索引过多,表的数据发生变化的时候,导致索引频繁更新,造成锁

索引过多会造成优化器选择偏差


1# 查询表索引
2desc table_name
3show index from table_name
4# PRI 聚簇索引、MUL辅助索引、 UNI索引


1# 创建索引
 2create index idx_name1 on city(name);
 3alter table student add index idx_name(name)
 4
 5# 联合索引
 6alter table city add index idx_co_po(countrycode,population);
 7# 前缀索引
 8alter table city add index idx_di(district(5));
 9# 唯一索引
10alter table city add unique index idx_uni1(name);
11
12# 删除索引
13alter table city drop index Index_Name


小结


  • 聚集索引只能有一个,非空唯一,一般主键


  • 辅助索引,可以有多个,配合聚集索引使用的


  • 聚集索引叶子节点,就是磁盘的数据行存储的数据页


  • MySQL是根据聚集索引,组织存储数据,数据存储时就是按照聚集索引的顺序进行存储数据


  • 辅助索引,只会提取索引键值,进行自动排序生成B树结构


建索引原则


1(1) 必须要有主键,如果没有可以做为主键条件的列,创建无关列
2(2) 经常做为where条件列  order by  group by  join on, distinct 的条件(业务:产品功能+用户行为)
3(3) 最好使用唯一值多的列作为索引,如果索引列重复值较多,可以考虑使用联合索引
4(4) 列值长度较长的索引列,我们建议使用前缀索引.
5(5) 降低索引条目,一方面不要创建没用索引,不常使用的索引清理,percona toolkit(xxxxx)
6(6) 索引维护要避开业务繁忙期
7


关于索引树的高度受什么影响


11. 数据量级, 解决方法:分表,分库,分布式
22. 索引列值过长 , 解决方法:前缀索引
33. 数据类型:
4变长长度字符串,使用了char,解决方案:变长字符串使用varchar
5enum类型的使用enum ('山东','河北','黑龙江','吉林','辽宁','陕西'......)
6                                         1      2      3


执行计划获取及分析


执行计划:优化器按照内置的cost计算,选择执行的方案


cost:IO、CPU、MEM


获取到的是优化器选择完成认为代价最小的执行计划.


作用: 语句执行前,先看执行计划信息,可以有效的防止性能较差的语句带来的性能问题.

如果业务中出现了慢语句,我们也需要借助此命令进行语句的评估,分析优化方案。

select 获取数据的方法


全表扫描(应当尽量避免,因为性能低)


索引扫描


获取不到数据


1# 查看执行计划
2desc 
3explain  
4# desc(explain) select * from sr_paper


640 (4).jpg


1# 需关注点
 2table                        :此次查询涉及的表
 3type                        : 查询类型:全表(一般来说有问题,重点关注)、索引(详细探究)
 4possible_keys        :可能会用的索引
 5key                            : 最后选择的索引
 6key_len                    : 索引覆盖长度
 7rows                        : 此次查询需要扫描的行数
 8Extra                     :额外的信息
 9
10# 输出介绍
11全表扫:ALL
12索引扫描
13index:全索引扫描
14range:索引范围查询
15ref    :辅助索引等值查询
16eq_ref: 多表连接
17const(system):聚簇索引等值查询
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