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MySQL索引数据结构入门详细教程

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  • 引言
  • 1. 什么是索引
  • 2. 索引的数据结构
    • 2.1 B+Tree 和 B-Tree
    • 2.2 树高问题
    • 2.3 什么样的搜索可以用到索引?
    • 2.4 使用限制
    • 2.5 自适应哈希索引
  • 3. 小结

    引言

    之前松哥写过一个 mysql 系列,但是当时是基于 MySQL5.7 的,最近有空在看 MySQL8 的文档,发现和 MySQL5.7 相比还是有不少变化,同时 MySQL 又是小伙伴们在面试时一个非常重要的知识点,因此松哥打算最近再抽空和小伙伴们聊一聊 MySQL,讲讲原理,讲讲优化,我会从最基本最简单的开始,和大家梳理 MySQL 中常见的面试知识点。

    本文我们就先从最简单的索引开始吧~

    1. 什么是索引

    说到索引,最常见的例子就是查字典,当我们需要查询某一个字的含义时,js正常操作都是先根据字典的索引,找到该字在哪一页,然后直接翻到该页就行了。如果没有这个索引的话,那么我们就得一页一页的翻字典,直到找到该字。很明显,相对于第一种方案,第二种方案效率就要低很多了。

    数据库中的索引也是类似的。

    索引,我们也称之为 index 或者 key,当数据量比较少的时候,索引对于查询产生的效果并不明显,所以索引常常被人所忽略,但是当数据量比较大的时候,一个优秀的索引对查询产生的影响就是非常明显的了。在我们所掌握的各种 SQL 优化策略中,索引对 SQL 优化产生的效果算是最好的了,用好索引,SQL 性能可能会提升好几个数量级。

    这里有的小伙伴可能会有一个疑惑,很多索引优化策略都是针对传统的机械硬盘的,然而现在我们大部分都是固态硬盘(SSD),很多针对机械硬盘的优化策略在 SSD 上似乎并没有必要,那还有必要去考虑索引优化吗?答案当然是有!无论是用什么样的磁盘,索引优化的整体原则都是不变的,只不过在 SSD 上,如果你的索引没有创建好,那么它对查询的影响不像对机械硬盘那么糟糕。

    2. 索引的数据结构

    2.1 B+Tree 和 B-Tree

    小伙伴们知道,由于 MySQL 中的存储引擎设计成了可插拔的形式,任何机构和个人如果你有能力,都可以设计自己的存储引擎,而 MySQL 的索引编程客栈是在存储引擎层实现的,而不是在服务器层实现的,所以不同存储引擎的索引工作方式都不一样,甚至,相同类型的索引,在不同的存储引擎中实现方案都不同。

    本文松哥主要和小伙伴们介绍我们日常开发中最最常见的 InnoDB 存储引擎中的索引。

    小XOoAg伙伴们知道,InnoDB 存储引擎的索引数据结构是一个 B+Tree,至于什么是 B+Tree,这并非本文的重点,我这里不啰嗦,不了解 B+Tree 的小伙伴可以自行搜索一下学习一下。

    假设我有如下数据:

    usernameageaddressgender
    ab99深圳
    ac98广州
    af88北京
    bc80上海
    bg85重庆
    bw95天津
    bw99海口
    cc92武汉
    ck90深圳
    cx93深圳

    现在我给 username 和 age 字段建立联合索引,那么最终数据在磁盘上的存储结构是 B+Tree,为了小伙伴能够更好的理解 B+Tree 和 B-Tree,我画了如下两张图:

    MySQL索引数据结构入门详细教程

    MySQL索引数据结构入门详细教程

    这两张图看懂了,InnoDB 存储引擎的索引我觉得基本上都搞懂了 80% 了,松哥来和大家稍微梳理一下这张图:

    • 首先这两张图都是一个多路平衡查找树,即,不是二叉树,是多叉树。
    • 绿色的方块表示指向下一个节点的指针;红色的方块表示指向下一个叶子节点的指针(B-Tree 中不存在该部分);带阴影的矩形则表示索引数据。
    • B+Tree 非叶子节点只保存关键字的索引和指向下一个节点的指针(绿色区域),所有的数据最终都会保存到叶子节点。因此在具体的搜索过程中,所有数据都必须要到叶子节点才能获取到,因此每次数据查询所需的 IO 次数都一样,这也就意味着 B+Tree 的查询速度比较稳定。

    • 如果是 B-Tree 则分支节点上也保存了指向具体数据的指针,并且分支节点上出现的索引数据不会再次出现在叶子节点中,所以搜索的时候可能搜索到分支节点就找到需要的数据了,搜索效率不稳定,如 af 在分支节点上就找到了,而 ac 则要到叶子节点上才能找到)。

    • B+Tree 中,由于分支节点只保存索引数据和指向下一个节点的指针,所以在相同的磁盘空间中,能够指向更多的子节点,这就意味树的高度更低,搜索所需要的 IO 次数更少,搜索效率更高。

    • B-Tree 中,由于分支节点不仅保存索引数据和指向下一个节点的指针,还保存了指向具体数据的指针,所以在相同的空间下能够指向的子节点数量就少于 B+Tree,这就意味着相同的数据量,B-Tree 树高更高,搜索所需的 IO 次数更多,搜索效率低。

    • B+Tree 叶子节点的关键字从小到大按顺序排列,左边结尾数据都会保存右边节点开始数据的指针(红色区域),这个指针在范围搜索的时候非常有用,例如想搜索姓名在 ac~bc 之间的数据,按照树找到第一个节点 ac 之后,顺着指针一直往后找,找到第一个不满足条件的数据结束。

    • 如果是 B-Tree 则没有 ac 指向 bc 的指针,需要先回到分支节点 af 再继续向下搜索,效率就会低很多。

    • B+Tree 的叶子节点都是有序排列的,所以 B+Tree 对于数据的排序有着更好的支持。

    • B-Tree 由于有一部分数据保存在分支节点中,叶子节点并不是完整的数据,所以对于排序、范围搜索的支持并不如 B+Tree。

    • B+Tree 数据划分的原则是左闭右开,以 (af,88) 这个节点为例,小于 (af,88) 节点的在左边,大于等于 (af,88) 节点的在右边。

    • B-Tree 则是左开右开。

    • B+Tree 全表扫描更快,因为所有数据都出现在叶子节点上,并且叶子节点之间还有指针相连,直接遍历即可。

    • B-Tree 在全表扫描的时候则需要对树的每一层进行遍历才能读到所有数据。

    • 叶子节点指向数据的指针,如果是聚簇索引,则指向的是表中一条完整的记录;如果是非聚簇索引,则指向的是具体的主键值。在以非聚簇索引为依据进行搜索的时候,先找到记录的主键值,再根据 主键值去聚簇索引找到完整的记录,这个过程就是回表(InnoDB 中)。

    好了,相信通过上面八点的介绍,大家对于 B-Tree 和 B+Tree 已经有了基本的认知了。

    当我们想要搜索一条记录的时候,顺着根节点从上往下扫描树,比直接遍历一条一条的记录显然是要快很多。

    说一个不太恰当的比喻,MySQL 中的数据存储,就像是通过一个链表把所有数据按照顺序串到一起,然后在这个链表上面又架了一个多路平衡查找树的感觉,搜索的时候,按照链表一个一个找,就是全表扫描;从树的根节点开始找,就是用索引。

    2.2 树高问题

    一个经典的问题,高度为 3 的 B+Tree 大概可以保存多少条数据?

    计算机在存储数据的时候,最小存储单元是扇区,一个扇区的大小是 512 字节,而文件系统(例如 XFS/EXT4)最小单元是块,一个块的大小是 4KB。但是 InnoDB 在进行磁盘操作的时候,并不是以扇区或者块为依据的,InnoDB 在进行磁盘操作的时候,是以页为单位的,有时候也称作逻辑页,每个逻辑页的大小默认是 16KB,即四个块。这就意味着,InnoDB 在实际操作磁盘的时候,每次从磁盘上读取数据,至少读取 16KB,每次向磁盘上写数据,也至少写 16KB,并不是你需要 1KB 就读取 1KB,即使你只需要 1KB 的数据,InnoDB 也会从磁盘中将 16KB 的数据读取到内存中。

    通过如下命令我们可以查看 MySQL 中 InnoDB 存储引擎逻辑页的大小:

    MySQL索引数据结构入门详细教程

    16384/16=1024

    前面的结论没问题。

    以聚簇索引为例,现在我们假设数据库中一条记录的大小是 1KB,那么一个逻辑页就可以存 16 条数据(叶子节点)。

    对于非叶子节点存储的则是主键值+指针,在 InnoDB 中,一个指针的大小是 6 个字节,假设我们的主键是 bigint ,那么主键占 8 个字节,当然还有其他一些头信息也会占用字节我们这里就不考虑了,我们大概算一下,小伙伴们心里有数即可:

    16*1024/(8+6)=1170

    即一个非叶子节点可以指向 1170 个子节点,那么一个三层的 B+Tree 可以存储的数据量为:

    1170*1170*16=21902400

    可以存储 2100万 条数据。

    在 InnoDB 存储引擎中,B+Tree 的高度一般为 2-4 层,这就可以满足千万级的数据的存储,查找数据的时候,一次页的查找代表一次 IO,那我们通过主键索引查询的时候,其实最多只需要 2-4 次 IO 操作就可以了。

    2.3 什么样的搜索可以用到索引?

    根据前面的介绍,我们可以得出结论,在以下类型的搜索中,会用到索引:

    • 全值匹配

    如上图中,如果我们要搜索 username 为 ac 且 age 为 98 的用户,就可以直接使用索引精确定位到。

    • 最左匹配

    如果我们只是想搜索 username 为 ac 的用户,很明显也可以使用上图索引,因为用户名是有序的。在上图中,username 和 age 组成了联合索引,其中 username 在前,age 在后,所以索引是先按照 username 进行排序,username 相同的时候,再按照 age 进行排序的(如 bw 这个用户),如果我们按照 username 进行搜索,那么没问题,可以用上索引;但是如果我们按照 age 进行搜索,很明显,age 在整个索引树中是无序的,所以当我们使用 age 作为搜索条件的时候,是没法使用上图这个联合索引的。

    • 前缀匹配

    如果我们搜索的关键字只是 username 字段的前半部分,那么很明显,也是可以使用索引的,例如搜索所有以 a 开始的 username。

    • 范围匹配

    如果我们的搜索条件是一个范围,很明显也可以使用到上述索引,例如搜索姓名介于 ab~cc 之间的用户,只需要先从索引树的根节点开始,先找到 ab,然后根据叶子节点之间的指针顺藤摸瓜,找到 cc 之后的第一个数据(不满足条件的第一个数据)结束。

    • 前面全值匹配,后面范围匹配

    例如查找 username 为 bw 且 age 介于 90~99 之间的XOoAg用户,这种情况也可以使用到上图的索引。在上图索引树中,当 username 相同的时候,就是按照 age 排序的,所以对于 username 都为 bw 的用户,它就是按照 age 进行排序的,此时,我们当然可以按照 age 的范围进行搜索了。

    • 覆盖索引

    有的时候,我们搜索的数据都在索引树中了,例如上图中的索引,我们想搜索 username 为 bw 的用户的 age,由于 age 就在索引树中,直接返回即可,这就是覆盖索引了。

    2.4 使用限制

    毫无疑问,基于 B+Tree 的索引,其实也存在一些使用限制。例如:

    • 如果我们将 age 作为搜索条件,虽然 age 也是联合索引的一部分,但是 age 整体上在索引树中是无序的,所以将 age 作为搜索条件是没法使用上述索引的。
    • 基于第一点,如果联合索引中还有第三、第四列等,那么凡是跳过第一列直接使用后面的列作为查询条件,索引都是不会生效的。
    • 范围条件的右边无法使用索引直接定位。例如搜索 username 以 a 开头并且年龄为 99 的用户:where username like 'a%' and age=99,此时 age=99 这个条件就无法在索引树中直接处理了(可以通过索引下推过滤)。原因很简单,当我们找到所有 username 以 a 开始的用户之后,这些用户的 age 并不是有序的,所以 age 就没法继续使用索引搜索了(但是可以通过索引下推过滤)。

    关于第三点,我举一个例子,假设我们还有两个用户,分别是:

    • username 为 ad 且 age 为 80;
    • username 为 ae 且 age 为 88;

    那么我们完善一下上面 B+Tree 的图应该变成下面这样:

    MySQL索引数据结构入门详细教程

    可以看到,username 以 a 开始的用户,age 并不是有序的,所以就只能通过索引下推过滤了,而无法直接通过索引扫描定位数据。

    对于第三点,如果范围搜索的字段值的可能性比较少,则可以通过多个等于比较来代替范围搜索。

    2.5 自适应哈希索引

    Hash 索引在 MySQL 中主要是 Memory 和 NDB 引擎支持,InnoDB 索引本身是 不支持的,但是 InnoDB 索引有一个特性叫做自适应哈希索引,自适应三个字意味着整个过程是全自动的,不需要开发者配置。

    当 InnoDB 监控到某些索引值被频繁的访问时,那么它就会在 B+Tree 索引之上,构建一个 Hash 索引,进而通过 Hash 查找来快速访问数据。

    默认情况下,自适应哈希索引是开启的状态,通过如下 SQL 我们可以查看XOoAg:

    MySQL索引数据结构入门详细教程

    可以看到,这个默认就是开启的。

    3. 小结

    整体上来说,使用索引有如下优点:

    • 减少了服务器需要扫描的数据量。
    • 索引可以帮助服务器避免排序和创建临时表。
    • 索引将随机 IO 变为了顺序 IO。

    以上就是MySQL索引数据结构入门详细教程的详细内容,更多关于MySQL索引数据结构的资料请关注我们其它相关文章!

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