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MySQL索引详解

前言

由于MySQL的索引中最重要的数据结构就是B+树,所以前面我们先大概讲讲B+树的原理

B+ Tree 原理

1. 数据结构

B Tree 指的是 Balance Tree,也就是平衡树。平衡树是一颗查找树,并且所有叶子节点位于同一层。

B+ Tree 是基于 B Tree 和叶子节点顺序访问指针进行实现,它具有 B Tree 的平衡性,并且通过顺序访问指针来提高区间查询的性能。

在 B+ Tree 中,一个节点中的 key 从左到右非递减排列,如果某个指针的左右相邻 key 分别是 keyi 和 keyi+1,且不为 null,则该指针指向节点的所有 key 大于等于 keyi 且小于等于 keyi+1。


2. 操作

进行查找操作时,首先在根节点进行二分查找,找到一个 key 所在的指针,然后递归地在指针所指向的节点进行查找。直到查找到叶子节点,然后在叶子节点上进行二分查找,找出 key 所对应的 data。

插入删除操作会破坏平衡树的平衡性,因此在插入删除操作之后,需要对树进行一个分裂、合并、旋转等操作来维护平衡性。

3. 与红黑树的比较

红黑树等平衡树也可以用来实现索引,但是文件系统及数据库系统普遍采用 B+ Tree 作为索引结构,主要有以下两个原因:

(一)更少的查找次数

平衡树查找操作的时间复杂度等于树高 h,而树高大致为 O(h)=O(logdN),其中 d 为每个节点的出度。
红黑树的出度为 2,而 B+ Tree 的出度一般都非常大,所以红黑树的树高 h 很明显比 B+ Tree 大非常多,查找的次数也就更多。

(二)利用磁盘预读特性

        为了减少磁盘 I/O,磁盘往往不是严格按需读取,而是每次都会预读。预读过程中,磁盘进行顺序读取,顺序读取不需要进行磁盘寻道,并且只需要很短的旋转时间,速度会非常快。

        操作系统一般将内存和磁盘分割成固态大小的块,每一块称为一页,内存与磁盘以页为单位交换数据。数据库系统将索引的一个节点的大小设置为页的大小,使得一次 I/O 就能完全载入一个节点。并且可以利用预读特性,相邻的节点也能够被预先载入。

MySQL 索引

索引是在存储引擎层实现的,而不是在服务器层实现的,所以不同存储引擎具有不同的索引类型和实现。

1. B+Tree 索引

是大多数 MySQL 存储引擎的默认索引类型。

因为不再需要进行全表扫描,只需要对树进行搜索即可,所以查找速度快很多。

除了用于查找,还可以用于排序和分组。

可以指定多个列作为索引列,多个索引列共同组成键。

适用于全键值、键值范围和键前缀查找,其中键前缀查找只适用于最左前缀查找。如果不是按照索引列的顺序进行查找,则无法使用索引。

InnoDB 的 B+Tree 索引分为主索引和辅助索引。主索引的叶子节点 data 域记录着完整的数据记录,这种索引方式被称为聚簇索引。因为无法把数据行存放在两个不同的地方,所以一个表只能有一个聚簇索引。


辅助索引的叶子节点的 data 域记录着主键的值,因此在使用辅助索引进行查找时,需要先查找到主键值,然后再到主索引中进行查找。


2. 哈希索引

哈希索引能以 O(1) 时间进行查找,但是失去了有序性:
  • 无法用于排序与分组;
  • 只支持精确查找,无法用于部分查找和范围查找。
InnoDB 存储引擎有一个特殊的功能叫“自适应哈希索引”,当某个索引值被使用的非常频繁时,会在 B+Tree 索引之上再创建一个哈希索引,这样就让 B+Tree 索引具有哈希索引的一些优点,比如快速的哈希查找。

3. 全文索引

MyISAM 存储引擎支持全文索引,用于查找文本中的关键词,而不是直接比较是否相等。
查找条件使用 MATCH AGAINST,而不是普通的 WHERE。
全文索引使用倒排索引实现,它记录着关键词到其所在文档的映射。
InnoDB 存储引擎在 MySQL 5.6.4 版本中也开始支持全文索引。

4. 空间数据索引

MyISAM 存储引擎支持空间数据索引(R-Tree),可以用于地理数据存储。空间数据索引会从所有维度来索引数据,可以有效地使用任意维度来进行组合查询。
必须使用 GIS 相关的函数来维护数据。

索引优化

1. 独立的列

在进行查询时,索引列不能是表达式的一部分,也不能是函数的参数,否则无法使用索引。

例如下面的查询不能使用 actor_id 列的索引:

SELECT actor_id FROM sakila.actor WHERE actor_id + 1 = 5;复制代码

2. 多列索引

在需要使用多个列作为条件进行查询时,使用多列索引比使用多个单列索引性能更好。例如下面的语句中,最好把 actor_id 和 film_id 设置为多列索引。

SELECT film_id, actor_ id FROM sakila.film_actor WHERE actor_id = 1 AND film_id = 1;复制代码

3. 索引列的顺序

让选择性最强的索引列放在前面。

索引的选择性是指:不重复的索引值和记录总数的比值。最大值为 1,此时每个记录都有唯一的索引与其对应。选择性越高,查询效率也越高。

例如下面显示的结果中 customer_id 的选择性比 staff_id 更高,因此最好把 customer_id 列放在多列索引的前面。

SELECT COUNT(DISTINCT staff_id)/COUNT(*) AS staff_id_selectivity,
COUNT(DISTINCT customer_id)/COUNT(*) AS customer_id_selectivity,
COUNT(*)
FROM payment;复制代码
   staff_id_selectivity: 0.0001
customer_id_selectivity: 0.0373
               COUNT(*): 16049复制代码

4. 前缀索引

对于 BLOB、TEXT 和 VARCHAR 类型的列,必须使用前缀索引,只索引开始的部分字符。

对于前缀长度的选取需要根据索引选择性来确定。

5. 覆盖索引

索引包含所有需要查询的字段的值。

具有以下优点:

  • 索引通常远小于数据行的大小,只读取索引能大大减少数据访问量。
  • 一些存储引擎(例如 MyISAM)在内存中只缓存索引,而数据依赖于操作系统来缓存。因此,只访问索引可以不使用系统调用(通常比较费时)。
  • 对于 InnoDB 引擎,若辅助索引能够覆盖查询,则无需访问主索引。

6. 最左前缀原则

顾名思义是最左优先,以最左边的为起点任何连续的索引都能匹配上

联合索引本质:

当创建(a,b,c)联合索引时,相当于创建了(a)单列索引,(a,b)联合索引以及(a,b,c)联合索引
想要索引生效的话,只能使用 a和a,b和a,b,c三种组合。

索引的优点

  • 大大减少了服务器需要扫描的数据行数。
  • 帮助服务器避免进行排序和分组,以及避免创建临时表(B+Tree 索引是有序的,可以用于 ORDER BY 和 GROUP BY 操作。临时表主要是在排序和分组过程中创建,因为不需要排序和分组,也就不需要创建临时表)。
  • 将随机 I/O 变为顺序 I/O(B+Tree 索引是有序的,会将相邻的数据都存储在一起)。

索引的使用条件

  • 对于非常小的表、大部分情况下简单的全表扫描比建立索引更高效;
  • 对于中到大型的表,索引就非常有效;
  • 但是对于特大型的表,建立和维护索引的代价将会随之增长。这种情况下,需要用到一种技术可以直接区分出需要查询的一组数据,而不是一条记录一条记录地匹配,例如可以使用分区技术。

小结

索引是MySQL中一个很重要的功能,日常开发中如果能用好索引,能大幅度提高SQL语句的执行性能,所以了解其中的原理也是十分必要的。


文章大部分参考自

github.com/CyC2018/CS-…


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