MySQL索引原理

文章目录

• 一、索引的作用及现象
• 二、理解索引的准备工作
• • 1.MySQL的工作过程
  • 2.MySQL与磁盘的交互
  • • (1)磁盘的结构
    • (2)定位扇区
    • (3)磁盘与内存交互的单位
    • • Page的引入
      • 为何要是Page
    • (4)磁盘随机访问与连续访问
    • (5)总结
• 三、索引的原理
• • 1.主键默认排序
  • 2.I/O请求
  • 3.单页情况
  • • (1)数据的链表结构
    • (2)目录的引入
  • 4.多页情况
  • 5.为什么要是B+
  • 6.总结
• 四、MyISAM引擎
• • 1.聚簇索引与非聚簇索引
• 五、索引操作
• • 1.创建主键索引
  • 2.创建普通索引
  • 3.唯一键索引
  • 4.全文索引
• 六、索引创建原则

一、索引的作用及现象

对于数据库来说，最常使用的操作不是插入和删除，而是查找。只要为数据库加上正确的索引，查找的速度就会提高很多。但是查找效率的提高是以插入，删除数据的速度为代价的。
常见的索引分为：

• 主键索引
• 唯一索引
• 普通索引
• 全文索引–解决中文子索引的问题。

添加索引的语法是：index(字段)添加索引也是需要消耗时间的，但是一旦添加了就不需要进行重复添加了。
为了更加清晰的看到这一现象，我们建立一个拥有海量数据的数据库，并通过查询时间的变化体现索引的价值：

该数据库大概有八百多万条数据，在没有加入索引的时候，查询数据，发现时间在7s到9s之间。
下面对数据库进行加入索引：

mysql> alter table EMP add index(empno);

此时显示添加成功，下面我们再重复查询一下上述数据：

会发现时间已经变成了0.0几秒。
这就是索引的作用，大大提高了搜索的效率。

二、理解索引的准备工作

1.MySQL的工作过程

要理解索引的底层原理，我们需要先认识磁盘，因为MySQL是可以近似认为是直接和磁盘打交道的(实际上也是将数据从磁盘先加载到内存)。
MySQL数据库对数据的访问，全部都是内存中进行的，定期将数据刷新到磁盘中，所以MySQL是多线程的。
MySQL在启动的时候，就会直接给自己malloc出一大块内存空间(buffer_pool)，然后由这个buffer_pool将数据刷新到磁盘中。刷新的过程是一个系统调用，如果不想让OS帮忙做这件事，也可以手动刷新：

所以数据库访问磁盘的方式，大致是这样的，与用户访问磁盘的方式基本相同。只不过有了数据库之后，用户直接访问数据库即可。

2.MySQL与磁盘的交互

这里的一切交互指的是I/O交互，要理解I/O交互，首先需要认识一下磁盘。

(1)磁盘的结构

我们可以把磁盘近似认为一个柱状结构，它的每一个切面都有很多个同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号，最外面的磁道的编号是0。每个磁道又被划分成若干段(段又叫扇区)，每个扇区存储的容量为512字节。每个扇区都有一个编号。

(2)定位扇区

如果我们知道磁头位置，柱面位置，扇区位置即可定位扇区，磁头，柱面和扇区都是有对应的编号的。这种磁盘数据定位的方式我们称为CHS。不过实际上系统软件使用的并不是CHS(但是硬件是)，而是LBA。它是一种线性地址，可以类比虚拟地址与物理地址。系统将LBA地址最后会转化为CHS，交给磁盘去进行数据读取，不过我们现在不关心这些细节，知道这个东西，让我们逻辑自洽起来就好。

(3)磁盘与内存交互的单位

Page的引入

在系统上不是以扇区大小(512字节)为单位进行数据交互的。

• 如果操作系统直接使用硬件提供的数据大小进行交互，那么系统的IO代码，就需要和硬件强相关，换言之，如果硬件发生变化，那么系统也必须跟着变化。
• 从目前来看，单词IO使用512字节，还是太小了。IO单位小，意味着读取相同的数据内容，需要进行多次访问操作，会降低磁盘效率。
• 之前学习文件系统，就是在磁盘的基本结构下建立的，文件系统读取基本单位，不是扇区而是数据块。

因此引入了数据块，系统读取磁盘是以块为单位的，基本单位是4KB。
而MySQL是一个应用软件很难想象成一种特殊的文件系统，它有着更高级的IO场景。所以为了提高基本的IO效率，MySQL进行IO的基本单位是16KB(后面统一使用InnodeDB存储引擎讲解)

mysql> show global status like 'innodb_page_size';

16384/1024=16。
也就是说，磁盘这个硬件设备基本单位是512字节，而MySQL innodb引擎使用的是16KB进行IO交互。即MySQL和磁盘进行数据交互的基本单位是16KB。这个基本数据单元，在MySQL这里叫做page(注意和系统的page进行区分)。
但是在实际上MySQL还是通过内存与磁盘交互的，可以理解为16KB的数据被分为四份，进行内存与磁盘间的交互。

为何要是Page

因为局部性原理。
当要查找一条数据的时候，假设第一次加载了id=1的数据，第二次要查找id=2的数据，还需要再加载一次，这样就进行了两次IO。
而这两条数据数值相近，很可能就保存在同一个Page中，那么第一次查询id=1的时候，id=2已经被加载到内存了，就不需要再进行IO了。当然也可能不在，当不在的时候再去进行IO也不迟。
以上原理称为局部性原理，其实IO效率低下的最主要矛盾不是IO单次数据量的大小，而是IO的次数。

(4)磁盘随机访问与连续访问

随机访问：本次IO所给出的扇区地址和上次IO给出的扇区地址不连续，这样的话磁头在两次IO操作之间需要比较大的移动动作才能重新开始读写数据。
连续访问：如果当次IO给出的扇区地址与上次IO结束的扇区地址是连续的，那磁头就能很快的开始这次IO操作，这样的多个IO操作称为连续访问。

因此尽管相邻两次IO操作在同一时刻发出，但如果它们的请求的扇区地址相差较大的话也只能称为随机访问，而非连续访问。
磁盘是通过机械运动寻址的，随机访问不需要过多的定位，效率比较高。

(5)总结

• MySQL中的文件，是以page为单位保存在磁盘中的。
• MySQL的增删查改操作，都是需要通过计算找到对应的插入位置的，或者找到对应要修改或者查询的数据。
• 而只要涉及运算，就需要有CPU的参与，为了便于CPU的参与，一定要先将数据加载到内存中。
• 所以在特定的时间内，数据一定是在磁盘中有，内存中也有，后续操作完内存数据之后，以特定的刷新策略，刷新到磁盘。而这时，就涉及到磁盘和内存数据交互，也就是IO了。此时的IO的基本单位是Page。即改变一个数据哪怕只改变了1bit，也需要刷新Page大小。
• 为了更好的进行上面的操作，MySQL服务器在内存中运行的时候，在服务器内部，就申请了被称为Buffer_Pool的大内存空间，来进行各种缓存，其实就是很大的内存空间，来进行IO交互。
• 为了更高的效率，一定要减少系统和磁盘IO的次数。

三、索引的原理

1.主键默认排序

首先建立一个测试表：

mysql> create table user(
    -> id int primary key,---一定要添加主键
    -> age int not null,
    -> name varchar(16) not null
    -> );
mysql> insert into user(id,age,name) values(3,18,'祖国人'),
    -> (4,16,'星光'),
    -> (2,26,'梅芙女王'),
    -> (5,36,'屠夫'),
    -> (1,56,'士兵男孩')
    -> ;

我们是乱序插入的，但是显示出来之后是有序的，这是为什么呢？这是因为为了方便以后的主键索引，所以在有主键的情况下进行了默认的排序。

2.I/O请求

系统中一定存在大量的I/O请求(多个进程)，OS需要对这些IO请求来进行管理，管理的方式还是先描述，再组织。可以将每一个请求看成一个结构体，通过链表的形式来进行链接。同时在磁盘中一定存在一个IO运行队列以及等待队列。

struct request_io
{
	char* start,end;
	pid_t id;
}
struct disk
{
	struct request_io queue;
	struct task_struct* wait_queue;
}

3.单页情况

(1)数据的链表结构

类比到MySQL，MySQL中在任何一个时刻一定存在大量的Page，MySQL本身也需要对这些Page来进行管理。方式依然是先描述，再组织。

struct Page
{
	struct Page* prev;
	struct Page* next;
	char buffer[];//Page空间
}

以上这些内容都是存在于内存中的。

不同的Page，在MySQL中，都是16KB，使用prev和next构成双向链表，因为有主键的问题，MySQL会默认按照主键给我们的数据来进行排序，从上面的Page中的数据可以看出，它们也是使用链表进行连接的，是彼此进行关联的。

插入数据不按照插入的顺序，而进行排序的原因：
插入数据进行排序的目的就是提高查找的效率，页内部存放数据的模块，实际上也是一个链表的结果，链表的特点也就是增删查改，查询修改慢，所以优化查询的效率是必须的。
正因为有序，在查找的时候，从头到后都是有效查询，没有任何一个查找时浪费的，而且如果运气好，是可以提前结束查找的过程的。

(2)目录的引入

通过上面的分析，我们知道：在查询某条数据的时候直接将一整页的数据加载到内存中，以减少IO次数，从而提高性能。但是我们也可以看到，在内部，每一条数据也是通过链表链接起来的，本质上还是需要取出来特定的数据进行逐条比较。
但别忘了，这些数据都是有序的，我们可以根据这些数据的有序性，为每一个Page建立一个目录。
建立目录一定会耗费空间，但是会提高查找的效率，比如假设每一百个数据为一个目录中的内容我们要找第222个数据，那么我们直接从目录中的200页开始找起就可以了。
因此一个Page中的真正的结构是这样的

目录的引入就大大提高了单个Page中的查找效率。

4.多页情况

以上只是一个Page的情况，只解决了在一个Page中进行查找的效率的问题。不过Page也是使用链表链接起来的，在查找的时候需要先找到这个Page，然后在Page中查找，显然使用遍历的方式进行查找太浪费时间了。

MySQL解决这个问题的方式还是使用目录，不过这次做的是页的目录，将每页的数据的最小编号作为这个页的编号，然后创建目录页，目录页中的内容是一个个指针，指向各个页。

我们可以来计算一下，每一个页目录中至少有一个数据和一个指针，暂时不考虑前后指针，它的大小大概是8字节，则：

16*1024/8=2048

即一个目录Page可以索引2048个存储数据的Page。那么如果Page非常非常多，导致目录也很多呢？梅开二度，为目录Page也创建一个目录Page。
这样在查找的时候，就可以先将最顶端的Page先加载到内存中，然后一层一层进行排除，最终找到要索引的值。比如我们要找18：

只需要查询三次即可找到。
我们可以看出这实际上就是一棵B+树，MySQL底层就是使用B+树来建立索引的。这棵完整的B+树是存在于磁盘中的，而内存中有不完整的B+树。

5.为什么要是B+

• 链表：线性遍历，不可取。
• 二叉搜索树：有退化成链表的风险。
• AVL或者红黑：是二叉树，太高了，比较次数太多。
• Hash：官方的索引实现中MySQL是支持Hash的，但是Innodb和MyISAM并不支持，Hash跟进其算法特征，决定了虽然有时候也很快O(1)，但是在面对范围查找就明显不行。
• B：B树节点，既有数据，又有Page指针.而B+，只有叶子节点有数据，其他目录页，只有键值和Page指针。同时叶子节点相连是有利于进行查找的。叶子节点不存储data，这样一个节点就可以存储更多的key，可以使树更矮，所以IO操作次数更少。叶子节点相连，更便于进行范围查找。

6.总结

MySQL解决搜索效率的问题从两方面入手：

1.Page解决效率的问题
2.Page和Page之间解决效率的问题

两种解决方式都是建立一棵B+树来解决。所有的数据既有可能在磁盘中，也有可能在buffer_pool中，所有的数据必须以Page为单位进行IO，以Page为单位进行组织。
在MySQL内部，将Page以B+树的方式组织起来，形成的数据结构和与其配套的查找算法称为索引。

四、MyISAM引擎

1.聚簇索引与非聚簇索引

以上讲的都是innodb引擎下的主键索引。它是一种将用户数据和索引数据放在一起的方案，称为聚簇索引。而MyISAM引擎是将用户数据和索引数据进行分离。做法就是将数据页中的用户数据改成存放用户数据的地址。

因此在解耦方面，MyISAM更有优势。它的叶子节点不保存数据，而是保存数据的地址。
我们可以观察一下两种引擎建立索引的不同之处：

mysql> create table mtest( id int primary key, name varchar(11) not null)engine=MyISAM;
mysql> create table istest(
    -> id int primary key,
    -> name varchar(11) not null
    -> )engine=InnoDB;

此时我们就分别使用MyISAM引擎和InnoDB引擎建立一个表。
查询索引的方式是：

mysql> show index from istest\G;
mysql> show index from mtest\G;

此时我们就可以看到该表的索引了，这里只有一个索引，即主键索引。

其中BTree表示的是B+树。

五、索引操作

1.创建主键索引

通常情况下，我们使用的就是主键索引。主键索引的特点在于，当我们指定主键之后，MySQL会自动为其创建索引，而不需要我们自己操作，因此我们只需要指定主键即可。

//建表时直接指定主键的两种方式
mysql> create table user1(id int primary key,name varchar(30));
mysql> create table user2(
    -> id int,
    -> name varchar(30),
    -> primary key(id)
    -> );
//建表后指定主键    
mysql> create table user3( id int, name varchar(30) );
mysql> alter table user3 add primary key(id);

当我们指定主键之后，其实也就默认使用了主键索引。

2.创建普通索引

//建表时在表的最后指定索引
mysql> create table user8(
    -> id int primary key,
    -> name varchar(20),
    -> email varchar(30),
    -> index(name)
    -> );
//建表后指定某列为索引    
mysql> alter table user8 add index(email);
//新建一个索引并取别名
mysql> create table user10(
    -> id int primary key,
    -> name varchar(20),
    -> email varchar(30)
    -> );
mysql> create index idx_name on user10(name);

如果不取别名，那么索引的名字应该为列的名字。同时，一个表中可以有多个索引。

可以看到user8是有三个索引的。分别是主键索引，name和email。而且结构都是B+树。

3.唯一键索引

当创建唯一键的时候，和主键一样，MySQL也为其创建了索引，因此我们只需要建立唯一键即可：

//建表的时候建立唯一键
mysql> create table user4(
    -> id int primary key,
    -> name varchar(30) unique
    -> );
//建表的时候再最后指定唯一键    
mysql> create table user5(
    -> id int primary key,
    -> name varchar(30),
    -> unique(name)
    -> );
//建表之后添加索引    
mysql> create table user6( id int primary key, name varchar(30) );
mysql> alter table user6 add unique(name);

4.全文索引

我们目前使用的所有索引建立都是基于一列的，一列的信息量都不大，但如果一列是一篇文章呢？
当对文章字段或有大量文字的字段进行检索时，会使用到全文索引。MySQL提供全文索引机制，但是有要求，要求表的存储引擎必须是MyISAM，而且默认的全文索引支持英文，不支持中文，如果对中文进行全文索引，可以使用sphinx的中文版(coreseek)。
我们建立一个表并向其中插入数据：

mysql> CREATE TABLE articles (
    -> id INT UNSIGNED AUTO_INCREMENT NOT NULL PRIMARY KEY,
    -> title VARCHAR(200),
    -> body TEXT,
    -> FULLTEXT (title,body)
    -> )engine=MyISAM;
mysql> INSERT INTO articles (title,body) VALUES
    -> ('MySQL Tutorial','DBMS stands for DataBase ...'),
    -> ('How To Use MySQL Well','After you went through a ...'),
    -> ('Optimizing MySQL','In this tutorial we will show ...'),
    -> ('1001 MySQL Tricks','1. Never run mysqld as root. 2. ...'),
    -> ('MySQL vs. YourSQL','In the following database comparison ...'),
    -> ('MySQL Security','When configured properly, MySQL ...');

此时我们使用一段话来模拟一篇文章，下面我们来查询一下有没有database数据：

mysql> select * from articles where body like '%database%';
mysql> explain select * from articles where body like '%database%'\G;//使用explain工具可以看出是否用到了索引

我们发现，使用这条语句是完全可以查询到的，但是却没有用到索引：

如何使用全文索引呢？

mysql> select* from articles where match(title,body) against('database');
mysql> explain select* from articles where match(title,body) against('database');

此时我们发现key是title，说明使用到了全文索引。

六、索引创建原则

• 比较频繁作为查询条件的字段应该创建索引。
• 唯一性太差的字段不适合单独创建索引，即使频繁作为查询条件。
• 更新非常频繁的字段不适合作创建索引。