基本介绍

什么是索引？

一般的应用系统，读写比例在10:1左右，而且插入操作和一般的更新操作很少出现性能问题，在生产环境中，我们遇到最多的，也是最容易出问题的，还是一些复杂的查询操作，因此对查询语句的优化显然是重中之重。说起加速查询，就不得不提到索引了。

为什么要有索引呢？

索引在MySQL中也叫做“键”，是存储引擎用于快速找到记录的一种数据结构。索引对于良好的性能
非常关键，尤其是当表中的数据量越来越大时，索引对于性能的影响愈发重要。
索引优化应该是对查询性能优化最有效的手段了。索引能够轻易将查询性能提高好几个数量级。
索引相当于字典的音序表，如果要查某个字，如果不使用音序表，则需要从几百页中逐页去查。

索引的原理

索引原理

索引的目的在于提高查询效率，与我们查阅图书所用的目录是一个道理：先定位到章，然后定位到该章下的一个小节，然后找到页数。相似的例子还有：查字典，查火车车次，飞机航班等

本质都是：通过不断地缩小想要获取数据的范围来筛选出最终想要的结果，同时把随机的事件变成顺序的事件，也就是说，有了这种索引机制，我们可以总是用同一种查找方式来锁定数据。

数据库也是一样，但显然要复杂的多，因为不仅面临着等值查询，还有范围查询(>、<、between、in)、模糊查询(like)、并集查询(or)等等。数据库应该选择怎么样的方式来应对所有的问题呢？我们回想字典的例子，能不能把数据分成段，然后分段查询呢？最简单的如果1000条数据，1到100分成第一段，101到200分成第二段，201到300分成第三段……这样查第250条数据，只要找第三段就可以了，一下子去除了90%的无效数据。但如果是1千万的记录呢，分成几段比较好？稍有算法基础的同学会想到搜索树，其平均复杂度是lgN，具有不错的查询性能。但这里我们忽略了一个关键的问题，复杂度模型是基于每次相同的操作成本来考虑的。而数据库实现比较复杂，一方面数据是保存在磁盘上的，另外一方面为了提高性能，每次又可以把部分数据读入内存来计算，因为我们知道访问磁盘的成本大概是访问内存的十万倍左右，所以简单的搜索树难以满足复杂的应用场景。

磁盘IO与预读

考虑到磁盘IO是非常高昂的操作，计算机操作系统做了一些优化，当一次IO时，不光把当前磁盘地址的数据，而是把相邻的数据也都读取到内存缓冲区内，因为局部预读性原理告诉我们，当计算机访问一个地址的数据的时候，与其相邻的数据也会很快被访问到。每一次IO读取的数据我们称之为一页(page)。具体一页有多大数据跟操作系统有关，一般为4k或8k，也就是我们读取一页内的数据时候，实际上才发生了一次IO，这个理论对于索引的数据结构设计非常有帮助。

索引的数据结构

任何一种数据结构都不是凭空产生的，一定会有它的背景和使用场景，我们现在总结一下，我们需要这种数据结构能够做些什么，其实很简单，那就是：每次查找数据时把磁盘IO次数控制在一个很小的数量级，最好是常数数量级。那么我们就想到如果一个高度可控的多路搜索树是否能满足需求呢？就这样，b+树应运而生。

MySql索引 - 图1

如上图，是一颗b+树，这里只说一些重点，浅蓝色的块我们称之为一个磁盘块，可以看到每个磁盘块包含几个数据项（深蓝色所示）和指针（黄色所示），如磁盘块1包含数据项17和35，包含指针P1、P2、P3，P1表示小于17的磁盘块，P2表示在17和35之间的磁盘块，P3表示大于35的磁盘块。真实的数据存在于叶子节点即3、5、9、10、13、15、28、29、36、60、75、79、90、99。非叶子节点只不存储真实的数据，只存储指引搜索方向的数据项，如17、35并不真实存在于数据表中。

b+树的查找过程

如图所示，如果要查找数据项29，那么首先会把磁盘块1由磁盘加载到内存，此时发生一次IO，在内存中用二分查找确定29在17和35之间，锁定磁盘块1的P2指针，内存时间因为非常短（相比磁盘的IO）可以忽略不计，通过磁盘块1的P2指针的磁盘地址把磁盘块3由磁盘加载到内存，发生第二次IO，29在26和30之间，锁定磁盘块3的P2指针，通过指针加载磁盘块8到内存，发生第三次IO，同时内存中做二分查找找到29，结束查询，总计三次IO。真实的情况是，3层的b+树可以表示上百万的数据，如果上百万的数据查找只需要三次IO，性能提高将是巨大的，如果没有索引，每个数据项都要发生一次IO，那么总共需要百万次的IO，显然成本非常非常高。

b+树性质

  1. 索引字段要尽量的小：通过上面的分析，我们知道IO次数取决于b+数的高度h，假设当前数据表的数据为N，每个磁盘块的数据项的数量是m，则有h=㏒(m+1)N，当数据量N一定的情况下，m越大，h越小；而m = 磁盘块的大小 / 数据项的大小，磁盘块的大小也就是一个数据页的大小，是固定的，如果数据项占的空间越小，数据项的数量越多，树的高度越低。这就是为什么每个数据项，即索引字段要尽量的小，比如int占4字节，要比bigint8字节少一半。这也是为什么b+树要求把真实的数据放到叶子节点而不是内层节点，一旦放到内层节点，磁盘块的数据项会大幅度下降，导致树增高。当数据项等于1时将会退化成线性表。
  2. 索引的最左匹配特性（即从左往右匹配）：当b+树的数据项是复合的数据结构，比如(name,age,sex)的时候，b+数是按照从左到右的顺序来建立搜索树的，比如当(张三,20,F)这样的数据来检索的时候，b+树会优先比较name来确定下一步的所搜方向，如果name相同再依次比较age和sex，最后得到检索的数据；但当(20,F)这样的没有name的数据来的时候，b+树就不知道下一步该查哪个节点，因为建立搜索树的时候name就是第一个比较因子，必须要先根据name来搜索才能知道下一步去哪里查询。比如当(张三,F)这样的数据来检索时，b+树可以用name来指定搜索方向，但下一个字段age的缺失，所以只能把名字等于张三的数据都找到，然后再匹配性别是F的数据了， 这个是非常重要的性质，即索引的最左匹配特性。

Mysql索引管理

一、功能

  1. 索引的功能就是加速查找
    2. mysql中的primary key，unique，联合唯一也都是索引，这些索引除了加速查找以外，还有约束的功能

二、MySQL的索引分类

  1. 索引分类
  2. 1.普通索引index :加速查找
  3. 2.唯一索引
  4.     主键索引：primary key ：加速查找+约束（不为空且唯一）
  5.     唯一索引：unique：加速查找+约束 （唯一）
  6. 3.联合索引
  7.     -primary key(id,name):联合主键索引
  8.     -unique(id,name):联合唯一索引
  9.     -index(id,name):联合普通索引
  10. 4.全文索引fulltext :用于搜索很长一篇文章的时候，效果最好。
  11. 5.空间索引spatial :了解就好，几乎不用
  15. 各个索引的应用场景：
  17. 举个例子来说，比如你在为某商场做一个会员卡的系统。
  19.  这个系统有一个会员表
  20.  有下列字段：
  21.  会员编号 INT
  22.  会员姓名 VARCHAR(10)
  23.  会员身份证号码 VARCHAR(18)
  24.  会员电话 VARCHAR(10)
  25.  会员住址 VARCHAR(50)
  26.  会员备注信息 TEXT
  28.  那么这个 会员编号，作为主键，使用 PRIMARY
  29.  会员姓名 如果要建索引的话，那么就是普通的 INDEX
  30.  会员身份证号码 如果要建索引的话，那么可以选择 UNIQUE （唯一的，不允许重复）
  32.  #除此之外还有全文索引，即FULLTEXT
  33.  会员备注信息 ， 如果需要建索引的话，可以选择全文搜索。
  34.  用于搜索很长一篇文章的时候，效果最好。
  35.  用在比较短的文本，如果就一两行字的，普通的 INDEX 也可以。
  36.  但其实对于全文搜索，我们并不会使用MySQL自带的该索引，而是会选择第三方软件如Sphinx，专门来做全文搜索。
  38.  #其他的如空间索引SPATIAL，了解即可，几乎不用

三、 索引的两大类型hash与btree

  1. #我们可以在创建上述索引的时候，为其指定索引类型，分两类
  2. hash类型的索引：查询单条快，范围查询慢
  3. btree类型的索引：b+树，层数越多，数据量指数级增长（我们就用它，因为innodb默认支持它）
  5. #不同的存储引擎支持的索引类型也不一样
  6. InnoDB 支持事务，支持行级别锁定，支持 B-tree、Full-text 等索引，不支持 Hash 索引；
  7. MyISAM 不支持事务，支持表级别锁定，支持 B-tree、Full-text 等索引，不支持 Hash 索引；
  8. Memory 不支持事务，支持表级别锁定，支持 B-tree、Hash 等索引，不支持 Full-text 索引；
  9. NDB 支持事务，支持行级别锁定，支持 Hash 索引，不支持 B-tree、Full-text 等索引；
  10. Archive 不支持事务，支持表级别锁定，不支持 B-tree、Hash、Full-text 等索引；

四、创建/删除索引的语法

  1. 创建/删除索引的语法
  2.  #方法一：创建表时
  3.      　　CREATE TABLE 表名 (
  4.                  字段名1  数据类型 [完整性约束条件…],
  5.                  字段名2  数据类型 [完整性约束条件…],
  6.                  [UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL ]   INDEX | KEY
  7.                  [索引名]  (字段名[(长度)]  [ASC |DESC]) 
  8.                  );
  11.  #方法二：CREATE在已存在的表上创建索引
  12.          CREATE  [UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL ]  INDEX  索引名 
  13.                       ON 表名 (字段名[(长度)]  [ASC |DESC]) ;
  16.  #方法三：ALTER TABLE在已存在的表上创建索引
  17.          ALTER TABLE 表名 ADD  [UNIQUE | FULLTEXT | SPATIAL ] INDEX
  18.                               索引名 (字段名[(长度)]  [ASC |DESC]) ;
  20.  #删除索引：DROP INDEX 索引名 ON 表名字;
  1. 善用帮助文档
  2. help create
  3. help create index
  4. ==================
  5. 1.创建索引
  6.     -在创建表时就创建（需要注意的几点）
  7.     create table s1(
  9.     id int ,#可以在这加primary key
  10.     #id int index #不可以这样加索引，因为index只是索引，没有约束一说，
  11.     #不能像主键，还有唯一约束一样，在定义字段的时候加索引
  12.     name char(20),
  13.     age int,
  14.     email varchar(30)
  15.     #primary key(id) #也可以在这加
  16.     index(id) #可以这样加
  17.     );
  19.     -在创建表后在创建
  20.     create index name on s1(name); #添加普通索引
  21.     create unique age on s1(age);添加唯一索引
  22.     alter table s1 add primary key(id); #添加主键索引，也就是给id字段增加一个主键约束
  23.     create index name on s1(id,name); #添加普通联合索引
  25. 2.删除索引
  26.     drop index id on s1;
  27.     drop index name on s1; #删除普通索引
  28.     drop index age on s1; #删除唯一索引,就和普通索引一样,不用在index前加unique来删,直接就可以删了
  29.     alter table s1 drop primary key; #删除主键(因为它添加的时候是按照alter来增加的，那么我们也用alter来删)

image.png

五、测试索引

1、准备

  1. #1. 准备表
  2. create table s1(
  3. id int,
  4. name varchar(20),
  5. gender char(6),
  6. email varchar(50)
  7. );
  9. #2. 创建存储过程，实现批量插入记录 (插入测试数据)
  10. delimiter $$ #声明存储过程的结束符号为$$
  11. create procedure auto_insert1()
  12. BEGIN
  13.     declare i int default 1;
  14.     while(i<3000000)do
  15.         insert into s1 values(i,concat('egon',i),'male',concat('egon',i,'@oldboy'));
  16.         set i=i+1;
  17.     end while;
  18. END$$ #$$结束
  19. delimiter ; #重新声明分号为结束符号
  21. #3. 查看存储过程
  22. show create procedure auto_insert1\G 
  24. #4. 调用存储过程
  25. call auto_insert1();

2 、在没有索引的前提下测试查询速度

  1. #无索引：从头到尾扫描一遍，所以查询速度很慢
  2. mysql> select * from s1 where id=333;
  3. +------+---------+--------+----------------+
  4. | id   | name    | gender | email          |
  5. +------+---------+--------+----------------+
  6. |  333 | egon333 | male   | 333@oldboy.com |
  7. |  333 | egon333 | f      | alex333@oldboy |
  8. |  333 | egon333 | f      | alex333@oldboy |
  9. +------+---------+--------+----------------+
  10. rows in set (0.32 sec)
  12. mysql> select * from s1 where email='egon333@oldboy';
  13. ....
  14. ... rows in set (0.36 sec)
  1. 3、 加上索引
  1. #1. 一定是为搜索条件的字段创建索引，比如select * from t1 where age > 5;就需要为age加上索引
  3. #2. 在表中已经有大量数据的情况下，建索引会很慢，且占用硬盘空间，插入删除更新都很慢，只有查询快
  4. 比如create index idx on s1(id);会扫描表中所有的数据，然后以id为数据项，创建索引结构，存放于硬盘的表中。
  5. 建完以后，再查询就会很快了
  7. #3. 需要注意的是：innodb表的索引会存放于s1.ibd文件中，而myisam表的索引则会有单独的索引文件table1.MYI

MySql索引 - 图3

六、正确使用索引

一、覆盖索引

分析
select * from s1 where id=123;
该sql命中了索引，但未覆盖索引。
利用id=123到索引的数据结构中定位到该id在硬盘中的位置，或者说再数据表中的位置。
但是我们select的字段为*，除了id以外还需要其他字段，这就意味着，我们通过索引结构取到id还不够，
还需要利用该id再去找到该id所在行的其他字段值，这是需要时间的，很明显，如果我们只select id，
就减去了这份苦恼，如下
select id from s1 where id=123;
这条就是覆盖索引了，命中索引，且从索引的数据结构直接就取到了id在硬盘的地址，速度很快
image.png

二、联合索引

image.png

三、索引合并

索引合并：把多个单列索引合并使用

分析：
联合索引能做到的事情，我们都可以用索引合并去解决，比如
create index ne on s1(name,email);#联合索引
我们完全可以单独为name和email创建索引

联合索引可以命中：
select from s1 where name=’egon’ ;
select from s1 where name=’egon’ and email=’adf’;

索引合并可以命中：
select from s1 where name=’egon’ ;
select from s1 where email=’adf’;
select * from s1 where name=’egon’ and email=’adf’;

乍一看好像索引合并更好了：可以命中更多的情况，但其实要分情况去看，如果是name=’egon’ and email=’adf’,
那么联合索引的效率要高于索引合并，如果是单条件查，那么还是用索引合并比较合理
image.png

索引使用原则

若想利用索引达到预想的提高查询速度的效果，我们在添加索引时，必须遵循以下原则

  1. 最左前缀匹配原则，非常重要的原则
    create index ix_name_email on s1(name,email,)

最左前缀匹配：必须按照从左到右的顺序匹配
select from s1 where name=’egon’; #可以
select from s1 where name=’egon’ and email=’asdf’; #可以
select * from s1 where email=’alex@oldboy.com’; #不可以

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。

  1. =和in可以乱序

比如a = 1 and b = 2 and c = 3 建立(a,b,c)索引可以任意顺序，
mysql的查询优化器会帮你优化成索引可以识别的形式

  1. 尽量选择区分度高的列作为索引,区分度的公式是count(distinct col)/count(*)，
    表示字段不重复的比例，比例越大我们扫描的记录数越少，唯一键的区分度是1，而一些状态、
    性别字段可能在大数据面前区分度就是0，那可能有人会问，这个比例有什么经验值吗？使用场景不同，
    这个值也很难确定，一般需要join的字段我们都要求是0.1以上，即平均1条扫描10条记录

  2. 索引列不能参与计算，保持列“干净”，比如from_unixtime(create_time) = ‘2014-05-29’
    就不能使用到索引，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。
    所以语句应该写成create_time = unix_timestamp(‘2014-05-29’);

最左前缀示范

  1. mysql> select * from s1 where id>3 and name='egon' and email='alex333@oldboy.com' and gender='male';
  2. Empty set (0.39 sec)
  4. mysql> create index idx on s1(id,name,email,gender); #未遵循最左前缀
  5. Query OK, 0 rows affected (15.27 sec)
  6. Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
  8. mysql> select * from s1 where id>3 and name='egon' and email='alex333@oldboy.com' and gender='male';
  9. Empty set (0.43 sec)
  12. mysql> drop index idx on s1;
  13. Query OK, 0 rows affected (0.16 sec)
  14. Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
  16. mysql> create index idx on s1(name,email,gender,id); #遵循最左前缀
  17. Query OK, 0 rows affected (15.97 sec)
  18. Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
  20. mysql> select * from s1 where id>3 and name='egon' and email='alex333@oldboy.com' and gender='male';
  21. Empty set (0.03 sec)
  1.  最左前缀匹配
  2.  index(id,age,email,name)
  3.  #条件中一定要出现id(只要出现id就会提升速度)
  4.  id
  5.  id age
  6.  id email
  7.  id name
  9.  email #不行  如果单独这个开头就不能提升速度了
  10.  mysql> select count(*) from s1 where id=3000;
  11.  +----------+
  12.  | count(*) |
  13.  +----------+
  14.  |        1 |
  15.  +----------+
  16.  1 row in set (0.11 sec)
  18.  mysql> create index xxx on s1(id,name,age,email);
  19.  Query OK, 0 rows affected (6.44 sec)
  20.  Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0
  22.  mysql>  select count(*) from s1 where id=3000;
  23.  +----------+
  24.  | count(*) |
  25.  +----------+
  26.  |        1 |
  27.  +----------+
  28.  1 row in set (0.00 sec)
  30.  mysql>  select count(*) from s1 where name='egon';
  31.  +----------+
  32.  | count(*) |
  33.  +----------+
  34.  |   299999 |
  35.  +----------+
  36.  1 row in set (0.16 sec)
  38.  mysql>  select count(*) from s1 where email='egon3333@oldboy.com';
  39.  +----------+
  40.  | count(*) |
  41.  +----------+
  42.  |        1 |
  43.  +----------+
  44.  1 row in set (0.15 sec)
  46.  mysql>  select count(*) from s1 where id=1000 and email='egon3333@oldboy.com';
  47.  +----------+
  48.  | count(*) |
  49.  +----------+
  50.  |        0 |
  51.  +----------+
  52.  1 row in set (0.00 sec)
  54.  mysql>  select count(*) from s1 where email='egon3333@oldboy.com' and id=3000;
  55.  +----------+
  56.  | count(*) |
  57.  +----------+
  58.  |        0 |
  59.  +----------+
  60.  1 row in set (0.00 sec)

索引无法命中的情况注意

  1. - like '%xx'
  2.     select * from tb1 where email like '%cn';
  5. - 使用函数
  6.     select * from tb1 where reverse(email) = 'wupeiqi';
  9. - or
  10.     select * from tb1 where nid = 1 or name = 'seven@live.com';
  13.     特别的：当or条件中有未建立索引的列才失效，以下会走索引
  14.             select * from tb1 where nid = 1 or name = 'seven';
  15.             select * from tb1 where nid = 1 or name = 'seven@live.com' and email = 'alex'
  18. - 类型不一致
  19.     如果列是字符串类型，传入条件是必须用引号引起来，不然...
  20.     select * from tb1 where email = 999;
  22. 普通索引的不等于不会走索引
  23. - !=
  24.     select * from tb1 where email != 'alex'
  26.     特别的：如果是主键，则还是会走索引
  27.         select * from tb1 where nid != 123
  28. - >
  29.     select * from tb1 where email > 'alex'
  32.     特别的：如果是主键或索引是整数类型，则还是会走索引
  33.         select * from tb1 where nid > 123
  34.         select * from tb1 where num > 123
  37. #排序条件为索引，则select字段必须也是索引字段，否则无法命中
  38. - order by
  39.     select name from s1 order by email desc;
  40.     当根据索引排序时候，select查询的字段如果不是索引，则不走索引
  41.     select email from s1 order by email desc;
  42.     特别的：如果对主键排序，则还是走索引：
  43.         select * from tb1 order by nid desc;
  45. - 组合索引最左前缀
  46.     如果组合索引为：(name,email)
  47.     name and email       -- 使用索引
  48.     name                 -- 使用索引
  49.     email                -- 不使用索引
  52. - count(1)或count(列)代替count(*)在mysql中没有差别了
  54. - create index xxxx  on tb(title(19)) #text类型，必须指定长度
  1. - 避免使用select *
  2. - count(1)或count(列) 代替 count(*)
  3. - 创建表时尽量时 char 代替 varchar
  4. - 表的字段顺序固定长度的字段优先
  5. - 联合索引代替多个单列索引（经常使用多个条件查询时）
  6. - 尽量使用短索引
  7. - 使用连接（JOIN）来代替子查询(Sub-Queries)
  8. - 连表时注意条件类型需一致
  9. - 索引散列值（重复少）不适合建索引，例：性别不适合

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