MySQL | 05 如何设计高性能的索引？

上回我们主要研究了为什么使用索引，以及索引的数据结构。今天带你了解如何设计高性能的索引。

其中，有这么一个点，说的是 InnoDB 引擎中使用的是聚簇索引，其主索引的实现树中的叶子结点存储的是完整的数据记录，而辅助索引中存储的则只是辅助键和主键的值。

这样在用辅助索引进行查询时，会先查出主键的值，然后再去主索引中根据主键的值查询目标值。

比如，假想一个表如下图存储了 4 行数据。其中 Id 作为主索引，Name 作为辅助索引。

对于聚簇索引，若使用主键索引进行查询，select * from tab where id = 14 这样的条件查找主键，则按照 B+ 树的检索算法即可查找到对应的叶节点，之后获得行数据。

若使用辅助索引进行查询，对 Name 列进行条件搜索，则需要两个步骤：

1、第一步在辅助索引 B+ 树中检索 Name，到达其叶子节点获取对应的主键值。
2、第二步根据主键值在主索引 B+ 树中再执行一次 B+ 树检索操作，最终到达叶子节点即可获取整行数据。

上面这个过程称为回表。

回表：在数据中，当查询数据的时候，在索引中查找索引后，获得该行的 rowid，根据 rowid 再查询表中数据，就是回表。

显然，使用辅助索引出现了回表操作，这势必会影响查询性能，那有什么办法能够减少回表吗？

下面就开始我们的主题：如何让 MySQL 索引更高效！

覆盖索引

上面，我们查询的是 select *，如果是根据 Name 查询 Id 呢？即 select Id from tab where Name='Jobs'。

很明显，由于辅助索引 Name 上已经存储了 Id 的值，所以这时，查询便不会再次回表查询。

如果索引已经包含了所有满足查询需要的数据，这时我们称之为覆盖索引（Covering Index），这时就不再需要回表操作。

覆盖索引是一种非常强大的工具，能大大提高查询性能，只需要读取索引而不用读取数据有以下一些优点：

1、索引条目通常远小于数据行大小，只需要读取索引，则 MySQL 会极大地减少数据访问量。

2、因为索引是按照列值顺序存储的，所以对于 IO 密集的范围查找会比随机从磁盘读取每一行数据的 IO 少很多。

3、覆盖索引对 InnoDB 表特别有用。因为 InnoDB 的辅助索引在叶子节点中保存了行的主键值，所以如果二级主键能够覆盖查询，则可以避免对主键索引的二次查询；

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化手段。

联合索引/最左匹配原则

又名复合索引，由两个或多个列的索引。

它规定了 MySQL 从左到右地使用索引字段，对字段的顺序有一定要求。

另外，一个查询可以只使用索引中的一部分，更准确地说是最左侧部分（最左优先），这就是传说中的最左匹配原则。

即最左优先，如：

如果有一个 2 列的索引 (col1,col2)，则相当于已经对 (col1)、(col1,col2) 上建立了索引；

如果有一个 3 列索引 (col1,col2,col3)，则相当于已经对 (col1)、(col1,col2)、(col1,col2,col3) 上建立了索引；

但是 (col2,col3) 上并没有。

假定数据表有一个包含 2 列的联合索引（a, b），则索引的 B+ 树结构可能如下：

键值都是排序的，通过叶子节点可以逻辑上顺序的读出所有数据。

数据（1,1）（1,2）（2,1）（2,4）（3,1）（3,2）是按照（a，b）先比较 a 再比较 b 的顺序排列。

所以从全局看，a 是全局有序的，而 b 则不是。

基于上面的结构，对于以下查询显然是可以使用（a，b）这个联合索引的：

select * from table where a=xxx and b=xxx ;

select * from table where a=xxx;

但是对于下面的 sql 是不能使用这个联合索引的，因为叶子节点的 b 值，1,2,1,4,1,2 显然不是排序的。

select * from table where b=xxx

只要满足最左前缀，就可以利用索引来加速检索。这个最左前缀可以是联合索引的最左 N 个字段，也可以是字符串索引的最左 M 个字符。

注意

1、主键字段其实跟所有非主键索引建立了联合索引，只是说如果主键字段没有在联合索引中明确声明，只会在其他索引中处于最右边；

2、最左前缀匹配原则，MySQL 会一直向右匹配直到遇到范围查询（>、<、between、like）就停止匹配。

比如 a = 1 and b = 2 and c > 3 and d = 4 如果建立 (a,b,c,d) 顺序的索引，d 是用不到索引的，如果建立 (a,b,d,c) 的索引，则都可以用到，a,b,d 的顺序可以任意调整。

3、= 和 in 的条件可以乱序

MySQL 的查询优化器会帮你优化成索引可以识别的形式。MySQL 查询优化器会判断纠正 SQL 语句该以什么样的顺序执行效率最高，最后才生成真正的执行计划。

为什么要使用联合索引？

1、 减少开销

"一个顶三个"。建一个联合索 引(col1,col2,col3)，实际相当于建了 (col1),(col1,col2),(col1,col2,col3) 三个索引。

每多一个索引，都会增加写操作的开销和磁盘空间的开销。对于大量数据的表，使用联合索引会大大的减少开销！

2、 覆盖索引

对联合索引 (col1,col2,col3)，如果有如下的sql: select col1,col2,col3 from test where col1=1 and col2=2。那么 MySQL 可以直接通过遍历索引取得数据，而无需回表，这减少了很多的随机 IO 操作。

减少 io 操作，特别的随机 io 其实是 dba 主要的优化策略。所以，在真正的实际应用中，覆盖索引是主要的提升性能的优化手段之一。

3、 效率高

索引列越多，通过索引筛选出的数据越少。

有 1000W 条数据的表，有如下sql: select col1,col2,col3 from table where col1=1 and col2=2 and col3=3，假设假设每个条件可以筛选出 10% 的数据。

如果只有单值索引，那么通过该索引能筛选出 1000W_10%=100w 条数据，然后再回表从 100w 条数据中找到符合 col2=2 and col3= 3 的数据，然后再排序，再分页；

如果是联合索引，通过索引筛选出 1000w_10% * 10% *10%=1w，效率提升可想而知！

索引下推

索引条件下推（ICP：index condition pushdown）是 MySQL 中一个常用的优化，尤其是当 MySQL 需要从一张表里检索数据时。

ICP（index condition pushdown）是 MySQL 利用索引（二级索引）元组和筛字段在索引中的 WHERE 条件从表中提取数据记录的一种优化操作。

ICP 的思想是：存储引擎在访问索引的时候检查筛选字段在索引中的 where 条件，如果索引元组中的数据不满足推送的索引条件，那么就过滤掉该条数据记录。

ICP（优化器）尽可能的把 index condition 的处理从 server 层下推到存储引擎层。

存储引擎使用索引过滤不相关的数据，仅返回符合 index condition 条件的数据给 server 层。也是说数据过滤尽可能存储引擎层进行，而不是返回所有数据给 server 层，然后后再根据 where 条件进行过滤。

下推过程

优化器没有使用 ICP 时

数据访问和提取的过程如下：

①：MySQL Server 发出读取数据的命令，调用存储引擎的索引读或全表表读。此处进行的是索引读。

②、③：进入存储引擎，读取索引树，在索引树上查找，把满足条件的（红色的）从表记录中读出（步骤 ④，通常有 IO）。

⑤：从存储引擎返回标识的结果。

以上，不仅要在索引行进行索引读取（通常是内存中，速度快。步骤 ③），还要进行进行步骤 ④，通常有 IO。

⑥：从存储引擎返回查找到的多条数据给 MySQL Server，MySQL Server 在 ⑦ 得到较多的元组。

⑦--⑧：依据 WHERE 子句条件进行过滤，得到满足条件的数据。

注意在 MySQL Server 层得到较多数据，然后才过滤，最终得到的是少量的、符合条件的数据。

在不支持 ICP 的系统下，索引仅仅作为 data access 使用。

优化器使用ICP时

①：MySQL Server 发出读取数据的命令，过程同图一。

②、③：进入存储引擎，读取索引树，在索引树上查找，把满足已经下推的条件的（红色的）从表记录中读出（步骤 ④，通常有 IO）；

⑤：从存储引擎返回标识的结果。

此处，不仅要在索引行进行索引读取（通常是内存中，速度快。步骤 ③），还要在 ③ 这个阶段依据下推的条件进行进行判断，不满足条件的，不去读取表中的数据，直接在索引树上进行下一个索引项的判断，直到有满足条件的，才进行步骤 ④ ，这样，较没有 ICP 的方式，IO 量减少。

⑥：从存储引擎返回查找到的少量数据给 MySQL Server，MySQL Server 在 ⑦ 得到少量的数据。

因此比较图一无 ICP 的方式，返回给 MySQL Server 层的即是少量的、 符合条件的数据。

举例

比如：

SELECT * FROM employees 
WHERE first_name='Mary' 
AND last_name LIKE '%man';

在没有 ICP 时，首先通过索引前缀从存储引擎中读出所有 first_name 为 Mary 的记录，然后在 server 端用 where 筛选 last_name 的 like 条件；

而启用 ICP 后，由于 last_name 的 like 筛选可以通过索引字段进行，那么存储引擎内部通过索引与 where 条件的对比来筛选掉不符合 where 条件的记录，这个过程不需要读出整条记录，同时只返回给 server 筛选后条记录，因此提高了查询性能。

注意事项

有几个关于ICP的事情要注意：

• ICP 只能用于二级索引，不能用于主索引；

• 也不是全部 where 条件都可以用 ICP 筛选，如果某 where 条件的字段不在索引中，当然还是要读取整条记录做筛选，在这种情况下，仍然要到 server 端做 where 筛选；

• ICP 的加速效果取决于在存储引擎内通过 ICP 筛选掉的数据的比例；

总结建索引的几大原则

1、最左前缀匹配原则，非常重要的原则，MySQL 会一直向右匹配直到遇到范围查询 （>、<、between、like）就停止匹配；

2、= 和 in 的条件可以乱序；

3、尽量选择区分度高的列作为索引，区分度表示字段不重复的比例，比例越大我们扫描的记录数越少；

4、索引列不能参与计算，保持列「干净」。原因很简单，b+ 树中存的都是数据表中的字段值，但进行检索时，需要把所有元素都应用函数才能比较，显然成本太大。

5、尽量的扩展索引，不要新建索引。

索引是最好的解决方案吗？

索引不是最好的，但已经是相当好的了。

当表非常小时，没必要使用索引，直接全表查询好了；

当表是中大型时，比较适合使用索引，来快速定位目标数据；

当表是超大型时，创建和维护索引都是不小的代价，需要专业的 DBA 来分析，这种情况下可以尝试使用分表技术；

参考：
https://blog.csdn.net/u012006689/article/details/73195837
http://lihx8.lofter.com/post/1cc9bc99_7da03fe