MySQL

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本文整理自JavaGuide

MySQL 基础架构

下图是 MySQL 的一个简要架构图，从下图你可以很清晰的看到客户端的一条 SQL 语句在 MySQL 内部是如何执行的。

从上图可以看出， MySQL 主要由下面几部分构成：

  • 连接器： 身份认证和权限相关(登录 MySQL 的时候)。
  • 查询缓存： 执行查询语句的时候，会先查询缓存（MySQL 8.0 版本后移除，因为这个功能不太实用）。
  • 分析器： 没有命中缓存的话，SQL 语句就会经过分析器，分析器说白了就是要先看你的 SQL 语句要干嘛，再检查你的 SQL 语句语法是否正确。
  • 优化器： 按照 MySQL 认为最优的方案去执行。
  • 执行器： 执行语句，然后从存储引擎返回数据。 执行语句之前会先判断是否有权限，如果没有权限的话，就会报错。
  • 插件式存储引擎：主要负责数据的存储和读取，采用的是插件式架构，支持 InnoDB、MyISAM、Memory 等多种存储引擎。

索引介绍

索引是一种用于快速查询和检索数据的数据结构，其本质可以看成是一种排序好的数据结构。

索引的作用就相当于书的目录。打个比方: 我们在查字典的时候，如果没有目录，那我们就只能一页一页的去找我们需要查的那个字，速度很慢。如果有目录了，我们只需要先去目录里查找字的位置，然后直接翻到那一页就行了。

索引底层数据结构存在很多种类型，常见的索引结构有: B 树， B+树 和 Hash、红黑树。在 MySQL 中，无论是 Innodb 还是 MyIsam，都使用了 B+树作为索引结构。

索引的优缺点

优点：

  • 使用索引可以大大加快 数据的检索速度（大大减少检索的数据量）, 这也是创建索引的最主要的原因。
  • 通过创建唯一性索引，可以保证数据库表中每一行数据的唯一性。

缺点：

  • 创建索引和维护索引需要耗费许多时间。当对表中的数据进行增删改的时候，如果数据有索引，那么索引也需要动态的修改，会降低 SQL 执行效率。
  • 索引需要使用物理文件存储，也会耗费一定空间。

但是，使用索引一定能提高查询性能吗?

大多数情况下，索引查询都是比全表扫描要快的。但是如果数据库的数据量不大，那么使用索引也不一定能够带来很大提升。

主键索引(Primary Key)

数据表的主键列使用的就是主键索引。

一张数据表有只能有一个主键，并且主键不能为 null，不能重复。

在 MySQL 的 InnoDB 的表中，当没有显示的指定表的主键时，InnoDB 会自动先检查表中是否有唯一索引且不允许存在 null 值的字段，如果有，则选择该字段为默认的主键，否则 InnoDB 将会自动创建一个 6Byte 的自增主键。

主键索引

二级索引

二级索引（Secondary Index）又称为辅助索引，是因为二级索引的叶子节点存储的数据是主键。也就是说，通过二级索引，可以定位主键的位置。

唯一索引，普通索引，前缀索引等索引属于二级索引。

PS: 不懂的同学可以暂存疑，慢慢往下看，后面会有答案的，也可以自行搜索。

  1. 唯一索引(Unique Key)：唯一索引也是一种约束。唯一索引的属性列不能出现重复的数据，但是允许数据为 NULL，一张表允许创建多个唯一索引。 建立唯一索引的目的大部分时候都是为了该属性列的数据的唯一性，而不是为了查询效率。
  2. 普通索引(Index)：普通索引的唯一作用就是为了快速查询数据，一张表允许创建多个普通索引，并允许数据重复和 NULL。
  3. **前缀索引(Prefix)**：前缀索引只适用于字符串类型的数据。前缀索引是对文本的前几个字符创建索引，相比普通索引建立的数据更小， 因为只取前几个字符。
  4. **全文索引(Full Text)**：全文索引主要是为了检索大文本数据中的关键字的信息，是目前搜索引擎数据库使用的一种技术。Mysql5.6 之前只有 MYISAM 引擎支持全文索引，5.6 之后 InnoDB 也支持了全文索引。

二级索引:

二级索引

聚簇索引与非聚簇索引

聚簇索引（聚集索引）

聚簇索引介绍

聚簇索引（Clustered Index）即索引结构和数据一起存放的索引，并不是一种单独的索引类型。InnoDB 中的主键索引就属于聚簇索引。

在 MySQL 中，InnoDB 引擎的表的 .ibd文件就包含了该表的索引和数据，对于 InnoDB 引擎表来说，该表的索引(B+树)的每个非叶子节点存储索引，叶子节点存储索引和索引对应的数据。

聚簇索引的优缺点

优点：

  • 查询速度非常快：聚簇索引的查询速度非常的快，因为整个 B+树本身就是一颗多叉平衡树，叶子节点也都是有序的，定位到索引的节点，就相当于定位到了数据。相比于非聚簇索引， 聚簇索引少了一次读取数据的 IO 操作。
  • 对排序查找和范围查找优化：聚簇索引对于主键的排序查找和范围查找速度非常快。

缺点：

  • 依赖于有序的数据：因为 B+树是多路平衡树，如果索引的数据不是有序的，那么就需要在插入时排序，如果数据是整型还好，否则类似于字符串或 UUID 这种又长又难比较的数据，插入或查找的速度肯定比较慢。
  • 更新代价大：如果对索引列的数据被修改时，那么对应的索引也将会被修改，而且聚簇索引的叶子节点还存放着数据，修改代价肯定是较大的，所以对于主键索引来说，主键一般都是不可被修改的。

非聚簇索引（非聚集索引）

非聚簇索引介绍

非聚簇索引(Non-Clustered Index)即索引结构和数据分开存放的索引，并不是一种单独的索引类型。二级索引(辅助索引)就属于非聚簇索引。MySQL 的 MyISAM 引擎，不管主键还是非主键，使用的都是非聚簇索引。

非聚簇索引的叶子节点并不一定存放数据的指针，因为二级索引的叶子节点就存放的是主键，根据主键再回表查数据。

非聚簇索引的优缺点

优点：

更新代价比聚簇索引要小 。非聚簇索引的更新代价就没有聚簇索引那么大了，非聚簇索引的叶子节点是不存放数据的

缺点：

  • 依赖于有序的数据：跟聚簇索引一样，非聚簇索引也依赖于有序的数据
  • **可能会二次查询(回表)**：这应该是非聚簇索引最大的缺点了。 当查到索引对应的指针或主键后，可能还需要根据指针或主键再到数据文件或表中查询。

这是 MySQL 的表的文件截图:

MySQL 表的文件

聚簇索引和非聚簇索引:

聚簇索引和非聚簇索引

非聚簇索引一定回表查询吗(覆盖索引)?

非聚簇索引不一定回表查询。

试想一种情况，用户准备使用 SQL 查询用户名，而用户名字段正好建立了索引。

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SELECT name FROM table WHERE name='guang19';

那么这个索引的 key 本身就是 name，查到对应的 name 直接返回就行了，无需回表查询。

即使是 MYISAM 也是这样，虽然 MYISAM 的主键索引确实需要回表，因为它的主键索引的叶子节点存放的是指针。但是！如果 SQL 查的就是主键呢?

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SELECT id FROM table WHERE id=1;

主键索引本身的 key 就是主键，查到返回就行了。这种情况就称之为覆盖索引了。

覆盖索引和联合索引

覆盖索引

如果一个索引包含（或者说覆盖）所有需要查询的字段的值，我们就称之为 覆盖索引（Covering Index） 。我们知道在 InnoDB 存储引擎中，如果不是主键索引，叶子节点存储的是主键+列值。最终还是要“回表”，也就是要通过主键再查找一次，这样就会比较慢。而覆盖索引就是把要查询出的列和索引是对应的，不做回表操作！

覆盖索引即需要查询的字段正好是索引的字段，那么直接根据该索引，就可以查到数据了，而无需回表查询。

如主键索引，如果一条 SQL 需要查询主键，那么正好根据主键索引就可以查到主键。再如普通索引，如果一条 SQL 需要查询 name，name 字段正好有索引， 那么直接根据这个索引就可以查到数据，也无需回表。

覆盖索引

我们这里简单演示一下覆盖索引的效果。

1、创建一个名为 cus_order 的表，来实际测试一下这种排序方式。为了测试方便， cus_order 这张表只有 id、score、name这 3 个字段。

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CREATE TABLE `cus_order` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `score` int(11) NOT NULL,
  `name` varchar(11) NOT NULL DEFAULT '',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=100000 DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

2、定义一个简单的存储过程（PROCEDURE）来插入 100w 测试数据。

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DELIMITER ;;
CREATE DEFINER=`root`@`%` PROCEDURE `BatchinsertDataToCusOder`(IN start_num INT,IN max_num INT)
BEGIN
      DECLARE i INT default start_num;
      WHILE i < max_num DO
          insert into `cus_order`(`id`, `score`, `name`)
          values (i,RAND() * 1000000,CONCAT('user', i));
          SET i = i + 1;
      END WHILE;
  END;;
DELIMITER ;

存储过程定义完成之后，我们执行存储过程即可！

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CALL BatchinsertDataToCusOder(1, 1000000); # 插入100w+的随机数据

等待一会，100w 的测试数据就插入完成了！

3、创建覆盖索引并使用 EXPLAIN 命令分析。

为了能够对这 100w 数据按照 score 进行排序，我们需要执行下面的 SQL 语句。

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SELECT `score`,`name` FROM `cus_order` ORDER BY `score` DESC;#降序排序

使用 EXPLAIN 命令分析这条 SQL 语句，通过 Extra 这一列的 Using filesort ，我们发现是没有用到覆盖索引的。

不过这也是理所应当，毕竟我们现在还没有创建索引呢！

我们这里以 score 和 name 两个字段建立联合索引：

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ALTER TABLE `cus_order` ADD INDEX id_score_name(score, name);

创建完成之后，再用 EXPLAIN 命令分析再次分析这条 SQL 语句。

通过 Extra 这一列的 Using index ，说明这条 SQL 语句成功使用了覆盖索引。

联合索引

使用表中的多个字段创建索引，就是 联合索引，也叫 组合索引 或 复合索引。

以 score 和 name 两个字段建立联合索引：

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ALTER TABLE `cus_order` ADD INDEX id_score_name(score, name);

最左前缀匹配原则

最左前缀匹配原则指的是，在使用联合索引时，

MySQL会根据联合索引中的字段顺序，从左到右依次到查询条件中去匹配，如果查询条件中存在与联合索引中最左侧字段相匹配的字段，则就会使用该字段过滤一批数据，直至联合索引中全部字段匹配完成，或者在执行过程中遇到范围查询（如**>、<）才会停止匹配。对于>=、<=、BETWEEN、like**前缀匹配的范围查询，并不会停止匹配。所以，我们在使用联合索引时，可以将区分度高的字段放在最左边，这也可以过滤更多数据。

索引下推

索引下推（Index Condition Pushdown）是MySQL 5.6版本中提供的一项索引优化功能，可以在非聚簇索引遍历过程中，对索引中包含的字段先做判断，过滤掉不符合条件的记录，减少回表次数。

避免索引失效

索引失效也是慢查询的主要原因之一，常见的导致索引失效的情况有下面这些：

  • 使用 SELECT * 进行查询; SELECT * 不会直接导致索引失效（如果不走索引大概率是因为 where 查询范围过大导致的），但它可能会带来一些其他的性能问题比如造成网络传输和数据处理的浪费、无法使用索引覆盖;
  • 创建了组合索引，但查询条件未遵守最左匹配原则;
  • 在索引列上进行计算、函数、类型转换等操作;
  • 以 % 开头的 LIKE 查询比如 like '%abc';
  • 查询条件中使用 or，且 or 的前后条件中有一个列没有索引，涉及的索引都不会被使用到;
  • 发生隐式转换;
  • ……

事务隔离级别总结

SQL 标准定义了四个隔离级别：

  • **READ-UNCOMMITTED(读取未提交)**：最低的隔离级别，允许读取尚未提交的数据变更，可能会导致脏读、幻读或不可重复读。
  • **READ-COMMITTED(读取已提交)**：允许读取并发事务已经提交的数据，可以阻止脏读，但是幻读或不可重复读仍有可能发生。
  • **REPEATABLE-READ(可重复读)**：对同一字段的多次读取结果都是一致的，除非数据是被本身事务自己所修改，可以阻止脏读和不可重复读，但幻读仍有可能发生。
  • **SERIALIZABLE(可串行化)**：最高的隔离级别，完全服从 ACID 的隔离级别。所有的事务依次逐个执行，这样事务之间就完全不可能产生干扰，也就是说，该级别可以防止脏读、不可重复读以及幻读。
隔离级别脏读不可重复读幻读
READ-UNCOMMITTED√√√
READ-COMMITTED×√√
REPEATABLE-READ××√
SERIALIZABLE×××

MySQL InnoDB 存储引擎的默认支持的隔离级别是 REPEATABLE-READ（可重读）。我们可以通过SELECT @@tx_isolation;命令来查看，MySQL 8.0 该命令改为SELECT @@transaction_isolation;

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MySQL> SELECT @@tx_isolation;
+-----------------+
| @@tx_isolation  |
+-----------------+
| REPEATABLE-READ |
+-----------------+

从上面对 SQL 标准定义了四个隔离级别的介绍可以看出，标准的 SQL 隔离级别定义里，REPEATABLE-READ(可重复读)是不可以防止幻读的。

但是！InnoDB 实现的 REPEATABLE-READ 隔离级别其实是可以解决幻读问题发生的，主要有下面两种情况：

  • 快照读：由 MVCC 机制来保证不出现幻读。
  • 当前读：使用 Next-Key Lock 进行加锁来保证不出现幻读，Next-Key Lock 是行锁（Record Lock）和间隙锁（Gap Lock）的结合，行锁只能锁住已经存在的行，为了避免插入新行，需要依赖间隙锁。

因为隔离级别越低，事务请求的锁越少，所以大部分数据库系统的隔离级别都是 READ-COMMITTED ，但是你要知道的是 InnoDB 存储引擎默认使用 REPEATABLE-READ 并不会有任何性能损失。

InnoDB 存储引擎在分布式事务的情况下一般会用到 SERIALIZABLE 隔离级别。

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作者
Plua Htims
发布于
2023年11月26日
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