MySQL优化(2)：索引与优化原理（上）-编程知识

作者简介：大家好，我是smart哥，前中兴通讯、美团架构师，现某互联网公司CTO

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上一篇，我们重走了一遍数据库索引的历史，认识了B+树结构，这一篇我们回归现实中的MySQL数据库，学习具体的SQL优化原则，并从索引底层原理出发，分析为什么会有这些优化原则。

提到索引，很多人就会说：哦，索引能提高查询速度。一般这么说的人，可能学得还不错，但绝对还没有完全掌握索引的底层原理。

索引的类型

打开Navicat，尝试创建索引时会发现有4种索引类型可以选择：

全文索引
普通索引
空间索引
唯一索引

普通索引就可以组织树结构了，而唯一索引在普通索引的基础上还要求索引列不能重复。比如，假设我们给student表的name列加了唯一索引，如果表中已经存在"张三"，那么再次插入"张三"将会报错。

MySQL这种关系型数据库并不适合进行全文检索（考虑Elastic Search），所以全文索引一般很少使用。

至于空间索引，我也不知道是什么。

实际开发常用的索引只有普通索引和唯一索引，其他的可以不用理会。

索引的实现方法

索引的实现方式一般有两种，通过B+树结构或hash算法实现。

特别注意，这里虽然写的是"BTREE"，但MySQL确实使用的是B+Tree。

这个概念，其实和上面“索引的类型”并不冲突。

比如，对于普通索引，我们可以使用B+树的结构组织索引，也可以使用hash算法实现。经过上一篇的学习，我们对B+树结构已经比较了解，所以这里单独聊一下hash索引。

所谓hash索引，其实就是利用哈希算法为索引列计算得到唯一的存储地址，一般来说这个地址是不会重复的（重复的情况被称为哈希冲突）。

举个燕十八老师说的例子：

在墙上装一根弹性永不衰变的弹簧，每次拿不同的物件把弹簧压到极限后放开，不同的物件最终落点会不同。比如你上回存了一本书，那么下次想要找到这本书时，只需要拿一本 一模一样的书重新弹一下，即可在本次落点处找到上次那本书。

对应到实际的数据库索引设计上，就好比你存入id=10086的数据时，根据id弹一下得到了一个落点并存储数据，下次拿着id=10086查询时，只要把id再弹一下，就能马上找到对应的行数据，是不是很快呢~

而所谓的哈希冲突，指的是某次你换成一个书包测试时，结果因为空气阻力或重量等综合因素作用，落点竟然和某本书是一样的，也就是落点发生了冲突。

但上面的比喻其实不准确，会让人误以为越重的物品落点越近，越轻的物品落点越远，误以为hash索引可以进行范围查找。我们先来了解下hash索引的优劣，再来解释为什么hash索引不适合做范围查询。

hash索引的优劣势

优势：速度非常快，只需一次计算即可得到地址，时间复杂度O(1)，而B+树是O(logn)
劣势：对于范围查找无能为力，只能逐次计算得到所有数据，而B+树叶子节点是有序链表，范围查询非常方便。另外，哈希算法本身代表着精确定位，依赖于计算的入参得出唯一的值，所以无法进行模糊匹配。你给我"bravo"，我可以计算唯一的hash值，你给我"bra%"，我会以为这人就叫"bra%"，也计算一个值，但这个值代表着"bra%"计算得到的落点，而不是"所有以bra开头的数据"的落点，显然是不对的

hash索引为什么不适合做范围查询呢？通常做范围查询时，我们只需要计算两个边界值，处于边界值之间的数据都是符合要求的。但对于hash索引，这是不成立的，因为hash本身就是散列的，它的落点其实是没有规律的。

比如你想要重量在500克~1000克的全部书籍，但这个区间内的数据不一定就是500~1000克的书（对于真正的hash算法，重量与距离并不是正相关，所以我说上面的弹簧例子不是很恰当）。比如在JavaSE阶段接触HashMap时，大家也发现了，put的顺序和遍历的顺序并不一定相同。比如第一次put存了1001克的书，第二次put存了500克的书，你以为取出的顺序是1001克、500克，其实是500克，1001克（顺序）。

说到hash索引，还有人记得《实用小算法》中List转HashMap的操作吗？其实就是借鉴hash索引！

索引的创建

索引的创建时机有两处：

起初，建表时顺便建立索引
后期，修改表结构创建索引

比如，一开始就创建索引：

这张表有两个索引：主键索引、auditor_id普通索引。

主键索引并不属于上面介绍的4种索引类型之一，但所谓的Primary Key可以看做唯一索引 + NOT NULL约束。

后期如果需要添加索引，可以通过两种方式：SQL语句、Navicat图形界面。

-- 1.添加PRIMARY KEY（主键索引）  
ALTER TABLE `table_name` ADD PRIMARY KEY (`column`) ;-- 2.添加UNIQUE(唯一索引)  
ALTER TABLE `table_name` ADD UNIQUE (`column`); 
-- 3.添加INDEX(普通索引)  
ALTER TABLE `table_name` ADD INDEX index_name (`column`); 
-- 4.添加FULLTEXT(全文索引)  
ALTER TABLE `table_name` ADD FULLTEXT (`column`); 
-- 5.添加联合索引  
ALTER TABLE `table_name` ADD INDEX index_name (`column1`, `column2`, `column3`);

在本案例中，可以写：

ALTER TABLE `moneywithdraw` ADD INDEX idx_auditor_id (`auditor_id`);

利用Navicat图形界面创建单列索引：

利用Navicat图形界面创建联合索引：

索引的好与坏

文章开头有一句话：

提到索引，很多人就会说：哦，索引能提高查询速度。一般这么说的人，可能学得还不错，但绝对还没有完全掌握索引的底层原理。

如果你认为索引的优势只是加快查询，那就太小看索引了。

索引的优势是：

加快查询速度（包括关联查询）
加快排序速度（ORDER BY）
加快分组速度（GROUP BY）

虽然加快排序、加快分组最终还是体现在加快查询速度上，但能主动意识到这一点算是一种突破，只有你意识到索引能加快排序和分组，你才会在写ORDER BY和GROUP BY时有意识地利用索引（最左匹配原则），从而写出更优的SQL。

索引的劣势：

对索引列的增删改需要额外维护索引，也就是说索引能提高查询速度，但往往会降低增删改的速度
日常开发通常是建联合索引，而联合索引需要考虑索引失效问题
太多的索引会增加查询优化器的选择时间

建索引的原则

很多人觉得SQL优化才是重中之重，创建索引只需要一行代码即可，没什么大不了的。但现在你已经知道了索引的优势与劣势，你会明白“在合适的字段建立索引”是多么空泛的口号。创建索引的判断依据究竟是什么呢？

创建索引有4个大原则：

联合索引应该优于多个单列索引
索引应该建立在区分度高的字段上
尽量给查询频繁的字段创建索引，避免为修改频繁的字段创建索引
避免重复索引

第一个原则背后的原因是，实际上数据库一次查询只会选择一个索引（不包括回表），更专业的说法是每次查询只会选择一个执行计划。所以即使你给所有列都加了索引，SELECT xx, xxx FROM table WHERE ...时，数据库也只会择优选择一个执行计划进行查询。既然其他索引帮不上忙，又会增加维护负担，为何我们还要执意创建多个单列索引呢？

看到这，你可能会反问：我靠，那MySQL也太笨了吧，为什么这么死心眼一次只利用一个索引？

我个人的理解是，索引本身的出发点是“走完一遍索引后，数据库应该返回精确的结果或很小的结果集”，此时再走一遍索引还不如直接遍历结果集来得快。当然，这个假设是建立在“你建立的索引区分度很高”的基础上。

什么是区分度很高？这就是第二个原则。比如，表中有100w学生数据，你如果在sex列加索引，那么根据sex大概只能筛选出50w，这是一个很大的结果集，此时这个索引就很差，因为区分度太低了。

第三个原则就是字面意思，总之要意识到索引在加快查询的同时几乎必然会对修改产生负担，所以创建索引并没有那么简单，它绝对是一门“平衡的艺术”。

第四个原则是，比如已经建立a索引，又建立index(a,b,c)联合索引，此时单列索引a就是冗余的，因为联合索引已经可以保证符合条件时会利用a索引。在物理存储上，a单列索引和index(a, b, c)是两个独立的B+树。此时如果留着a单列索引，会增加维护成本。

以上四个原则，后面的内容还会重新提到。

MySQL常用引擎

MySQL的引擎有很多种，但最常听到的就MyISAM和InnoDB，而实际开发几乎99%选择使用InnoDB，而且MySQL5.6还是哪个版本以后默认引擎就从MyISAM变成了InnoDB，所以这里着重介绍InnoDB，简略介绍MyISAM。

对于两种引擎的介绍，可以看下面

这里主要想和大家讨论MyISAM和InnoDB在索引组织上的区别。大家应该都已经知道，MyISAM和InnoDB存储数据的方式是不同的。

MyISAM的每张表在存储时会分为3个文件：

表结构
表数据
索引

也就是说，表数据和索引是分别独立存储的。

而InnoDB的表数据在存储时只分为2个文件：

表结构
表数据+索引

需要注意的是，InnoDB所有表的数据和索引都在同一个文件里（见下一个小节）。

聚簇索引与非聚簇索引

对于BTREE索引而言，从数据的组织形式来看，索引又可以分为两大类：

聚簇索引
非聚簇索引

所谓聚簇索引，可以简单理解为索引和数据是“聚合”在一起的，而非聚簇索引的数据和索引是分开的。

对于MyISAM和InnoDB，可以简单总结如下：

非聚簇索引（MyISAM）
聚簇索引（InnoDB）
- 主键索引：叶子节点是表数据
- 辅助索引（唯一索引、普通索引）：叶子节点是主键，必要时需要根据主键回表查询

对于MyISAM而言，根据索引快速查询到目标结果后，往往都需要“回表”。所谓“回表”，一般指的是根据索引确定数据行以后，由于缺少其他列的字段，需要回到数据表中取得其余数据。在这句话描述中，索引和数据表是独立的，这也确实是MyISAM的文件结构。

而InnoDB引擎的主键索引无需回表，每一行完整的数据都直接挂在叶子节点下，可以直接返回。对于InnoDB的主键索引而言，数据即索引，索引即数据。

InnoDB的主键索引与辅助索引

InnoDB的索引属于聚簇索引，但并不是说InnoDB下的所有索引下面都会挂着数据。假设一个场景：

用户新建表后，自然会有主键索引。但后期发现name字段查询很频繁，于是加了name索引。

如果name索引（辅助索引）也和主键索引一样挂着数据，那么两个索引数据就会重复。相当于一张student表，存了两份数据。且不说数据冗余，更新时还可能产生数据不一致。

所以InnoDB的做法是，辅助索引只存储索引列+主键，必要时需要“回表”：

由于SELECT * FROM stu WHERE name='bravo'中，查询的数据是*，也就是整行数据。而上面的辅助索引只存了主键+name，所以必须回表，拿着主键再去跑一遍主键索引，最终返回数据。

总的来说，MyISAM由于是非聚簇索引，决定了它必须回表，而InnoDB是聚簇索引，主键索引一般是不用回表的，而利用辅助索引时可能需要回表。

再聊聊回表

介绍MyISAM时，我们第一次接触“回表”的概念，因为MyISAM的索引和表数据是分开的，从索引回到表数据中查询数据的操作称为“回表”，大家很容易接受。

而在InnoDB的辅助索引上查询完毕后回到主键索引的操作也叫“回表”，这是对于InnoDB的主键索引而言，数据即索引，索引即数据，回到主键索引查询当然也算是回表查询啦。

SQL优化的本质其实就是减少/减小磁盘IO，而回表必然会增加磁盘IO次数（还是要把主键索引的一个个节点加载到内存）。

如果仔细观察MyISAM和InnoDB的回表，你会发现MyISAM的查询速度会优于InnoDB。原因在于：

MyISAM索引和数据是分离的，索引很小，必要时可以全部一次性加载进内存，磁盘IO降到最低，只需在最后执行一次回表。

而InnoDB由于是聚簇索引，索引和数据不分离，导致无法直接一次性加载索引，转而采用磁盘IO的方式分多次读取节点。最差的情况下，根据普通索引找到目标数据的id后，还需要回表查询，重走一次主键索引！