數(shù)據(jù)庫：為什么SQL使用了索引，卻還是慢查詢？

經(jīng)常有同學問我，我的一個SQL語句使用了索引，為什么還是會進入到慢查詢之中呢？今天我們就從這個問題開始來聊一聊索引和慢查詢。

另外插入一個題外話，個人認為團隊要合理的使用ORM，可以參考 ORM的權衡和抉擇。合理利用的是ORM在面向?qū)ο蠛蛯懖僮鞣矫娴膬?yōu)勢，避免聯(lián)合查詢上可能產(chǎn)生的坑（當然如果你的Linq查詢能力很強另當別論），因為ORM屏蔽了太多的DB底層的知識內(nèi)容，對程序員不是件好事，對性能有極致追求，但是ORM理解不透徹的團隊更加要謹慎。

案例剖析

言歸正傳，為了實驗，我創(chuàng)建了如下表：

該表有三個字段，其中用id是主鍵索引，a是普通索引。

首先SQL判斷一個語句是不是慢查詢語句，用的是語句的執(zhí)行時間。他把語句執(zhí)行時間跟long_query_time這個系統(tǒng)參數(shù)作比較，如果語句執(zhí)行時間比它還大，就會把這個語句記錄到慢查詢?nèi)罩纠锩妫@個參數(shù)的默認值是10秒。當然在生產(chǎn)上，我們不會設置這么大，一般會設置1秒，對于一些比較敏感的業(yè)務，可能會設置一個比1秒還小的值。

語句執(zhí)行過程中有沒有用到表的索引，可以通過explain一個語句的輸出結(jié)果來看KEY的值不是NULL。

我們看下 explain select * from t;的KEY結(jié)果是NULL

explain select * from t where id=2;的KEY結(jié)果是PRIMARY，就是我們常說的使用了主鍵索引

explain select a from t;的KEY結(jié)果是a，表示使用了a這個索引。

雖然后兩個查詢的KEY都不是NULL，但是最后一個實際上掃描了整個索引樹a。

假設這個表的數(shù)據(jù)量有100萬行，圖二的語句還是可以執(zhí)行很快，但是圖三就肯定很慢了。如果是更極端的情況，比如，這個數(shù)據(jù)庫上CPU壓力非常的高，那么可能第2個語句的執(zhí)行時間也會超過long_query_time，會進入到慢查詢?nèi)罩纠锩妗?/p>

所以我們可以得出一個結(jié)論：是否使用索引和是否進入慢查詢之間并沒有必然的聯(lián)系。使用索引只是表示了一個SQL語句的執(zhí)行過程，而是否進入到慢查詢是由它的執(zhí)行時間決定的，而這個執(zhí)行時間，可能會受各種外部因素的影響。換句話來說，使用了索引你的語句可能依然會很慢。

全索引掃描的不足

那如果我們在更深層次的看這個問題，其實他還潛藏了一個問題需要澄清，就是什么叫做使用了索引。

我們都知道，InnoDB是索引組織表，所有的數(shù)據(jù)都是存儲在索引樹上面的。比如上面的表t，這個表包含了兩個索引，一個主鍵索引和一個普通索引。在InnoDB里，數(shù)據(jù)是放在主鍵索引里的。如圖所示：

可以看到數(shù)據(jù)都放在主鍵索引上，如果從邏輯上說，所有的InnoDB表上的查詢，都至少用了一個索引，所以現(xiàn)在我問你一個問題，如果你執(zhí)行select from t where id》0，你覺得這個語句有用上索引嗎？

我們看上面這個語句的explain的輸出結(jié)果顯示的是PRIMARY。其實從數(shù)據(jù)上你是知道的，這個語句一定是做了全面掃描。但是優(yōu)化器認為，這個語句的執(zhí)行過程中，需要根據(jù)主鍵索引，定位到第1個滿足ID》0的值，也算用到了索引。

所以即使explain的結(jié)果里寫的KEY不是NULL，實際上也可能是全表掃描的，因此InnoDB里面只有一種情況叫做沒有使用索引，那就是從主鍵索引的最左邊的葉節(jié)點開始，向右掃描整個索引樹。

也就是說，沒有使用索引并不是一個準確的描述。

你可以用全表掃描來表示一個查詢遍歷了整個主鍵索引樹；

也可以用全索引掃描，來說明像select a from t;這樣的查詢，他掃描了整個普通索引樹；

而select * from t where id=2這樣的語句，才是我們平時說的使用了索引。他表示的意思是，我們使用了索引的快速搜索功能，并且有效的減少了掃描行數(shù)。

索引的過濾性要足夠好

根據(jù)以上解剖，我們知道全索引掃描會讓查詢變慢，接下來就要來談談索引的過濾性。

假設你現(xiàn)在維護了一個表，這個表記錄了中國14億人的基本信息，現(xiàn)在要查出所有年齡在10~15歲之間的姓名和基本信息，那么你的語句會這么寫，select * from t_people where age between 10 and 15。

你一看這個語句一定要在age字段上開始建立索引了，否則就是個全面掃描，但是你會發(fā)現(xiàn)，在你建立索引以后，這個語句還是執(zhí)行慢，因為滿足這個條件的數(shù)據(jù)可能有超過1億行。

我們來看看建立索引以后，這個表的組織結(jié)構(gòu)圖：

這個語句的執(zhí)行流程是這樣的：

從索引上用樹搜索，取到第1個age等于10的記錄，得到它的主鍵id的值，根據(jù)id的值去主鍵索引取整行的信息，作為結(jié)果集的一部分返回；

在索引age上向右掃描，取下一個id的值，到主鍵索引上取整行信息，作為結(jié)果集的一部分返回；

重復上面的步驟，直到碰到第1個age大于15的記錄；

你看這個語句，雖然他用了索引，但是他掃描超過了1億行。所以你現(xiàn)在知道了，當我們在討論有沒有使用索引的時候，其實我們關心的是掃描行數(shù)。

對于一個大表，不止要有索引，索引的過濾性還要足夠好。

像剛才這個例子的age，它的過濾性就不夠好，在設計表結(jié)構(gòu)的時候，我們要讓所有的過濾性足夠好，也就是區(qū)分度足夠高。

回表的代價

那么過濾性好了，是不是表示查詢的掃描行數(shù)就一定少呢？

我們再來看一個例子：

如果你的執(zhí)行語句是 select * from t_people where name=‘張三’ and age=8

t_people表上有一個索引是姓名和年齡的聯(lián)合索引，那這個聯(lián)合索引的過濾性應該不錯，可以在聯(lián)合索引上快速找到第1個姓名是張三，并且年齡是8的小朋友，當然這樣的小朋友應該不多，因此向右掃描的行數(shù)很少，查詢效率就很高。

但是查詢的過濾性和索引的過濾性可不一定是一樣的，如果現(xiàn)在你的需求是查出所有名字的第1個字是張，并且年齡是8歲的所有小朋友，你的語句會怎么寫呢？

你的語句要怎么寫？很顯然你會這么寫：select * from t_people where name like ‘張%’ and age=8;

在MySQL5.5和之前的版本中，這個語句的執(zhí)行流程是這樣的：

首先從聯(lián)合索引上找到第1個年齡字段是張開頭的記錄，取出主鍵id，然后到主鍵索引樹上，根據(jù)id取出整行的值；

判斷年齡字段是否等于8，如果是就作為結(jié)果集的一行返回，如果不是就丟棄。

在聯(lián)合索引上向右遍歷，并重復做回表和判斷的邏輯，直到碰到聯(lián)合索引樹上名字的第1個字不是張的記錄為止。

我們把根據(jù)id到主鍵索引上查找整行數(shù)據(jù)這個動作，稱為回表。你可以看到這個執(zhí)行過程里面，最耗費時間的步驟就是回表，假設全國名字第1個字是張的人有8000萬，那么這個過程就要回表8000萬次，在定位第一行記錄的時候，只能使用索引和聯(lián)合索引的最左前綴，最稱為最左前綴原則。

你可以看到這個執(zhí)行過程，它的回表次數(shù)特別多，性能不夠好，有沒有優(yōu)化的方法呢？

在MySQL5.6版本，引入了index condition pushdown的優(yōu)化。我們來看看這個優(yōu)化的執(zhí)行流程：

首先從聯(lián)合索引樹上，找到第1個年齡字段是張開頭的記錄，判斷這個索引記錄里面，年齡的值是不是8，如果是就回表，取出整行數(shù)據(jù)，作為結(jié)果集的一部分返回，如果不是就丟棄；

在聯(lián)合索引樹上，向右遍歷，并判斷年齡字段后，根據(jù)需要做回表，直到碰到聯(lián)合索引樹上名字的第1個字不是張的記錄為止；

這個過程跟上面的差別，是在遍歷聯(lián)合索引的過程中，將年齡等于8的條件下推到所有遍歷的過程中，減少了回表的次數(shù)，假設全國名字第1個字是張的人里面，有100萬個是8歲的小朋友，那么這個查詢過程中在聯(lián)合索引里要遍歷8000萬次，而回表只需要100萬次。

虛擬列

可以看到這個優(yōu)化的效果還是很不錯的，但是這個優(yōu)化還是沒有繞開最左前綴原則的限制，因此在聯(lián)合索引你還是要掃描8000萬行，那有沒有更進一步的優(yōu)化方法呢？

我們可以考慮把名字的第一個字和age來做一個聯(lián)合索引。這里可以使用MySQL5.7引入的虛擬列來實現(xiàn)。對應的修改表結(jié)構(gòu)的SQL語句：

alter table t_people add name_first varchar（2） generated （left（name，1）），add index（name_first，age）;

我們來看這個SQL語句的執(zhí)行效果：

首先他在people上創(chuàng)建一個字段叫name_first的虛擬列，然后給name_first和age上創(chuàng)建一個聯(lián)合索引，并且，讓這個虛擬列的值總是等于name字段的前兩個字節(jié)，虛擬列在插入數(shù)據(jù)的時候不能指定值，在更新的時候也不能主動修改，它的值會根據(jù)定義自動生成，在name字段修改的時候也會自動修改。

有了這個新的聯(lián)合索引，我們在找名字的第1個字是張，并且年齡為8的小朋友的時候，這個SQL語句就可以這么寫：select * from t_people where name_first=‘張’ and age=8。

這樣這個語句的執(zhí)行過程，就只需要掃描聯(lián)合索引的100萬行，并回表100萬次，這個優(yōu)化的本質(zhì)是我們創(chuàng)建了一個更緊湊的索引，來加速了查詢的過程。

總結(jié)

本文給你介紹了索引的基本結(jié)構(gòu)和一些查詢優(yōu)化的基本思路，你現(xiàn)在知道了，使用索引的語句也有可能是慢查詢，我們的查詢優(yōu)化的過程，往往就是減少掃描行數(shù)的過程。

慢查詢歸納起來大概有這么幾種情況：

全表掃描

全索引掃描

索引過濾性不好

頻繁回表的開銷

思考

假設業(yè)務要求的就是要統(tǒng)計年齡在10-15歲的14億人的數(shù)量，不能增加過濾因子，那該怎么辦？（select * from t_people where age between 10 and 15）

假設該統(tǒng)計必須是OLTP，實時展示統(tǒng)計數(shù)據(jù)，又該怎么解決？