MySQL-进阶-索引
1. 索引概述
索引(index)是帮助MySQL**高效获取数据的数据结构(有序)**。
在数据之外,数据库系统还维护着满足特定查找算法的数据结构,这些数据结构以某种方式引用(指向)数据, 这样就可以在这些数据结构上实现高级查找算法,这种数据结构就是索引。
2. 索引演示
有一张user表,如果此时执行SQL语句: select * from user where age = 45;
- 无索引:此时由于没有在age上存放索引,那么这个sql就从第一行开始扫描,一直扫描到最后一行,即:全表扫描。性能极低。
- 有索引:在age字段上建立索引,会创建一个类似二叉树一样的东西(真实结构为B+树),这样极大的加快了检索速度。
3. 索引特点

4. 索引结构
4.1 介绍
MySQL的索引是在存储引擎层实现的,不同的存储引擎有不同的索引结构

不同的存储引擎对索引结构的支持:

平常所说的索引,如果没有特别指明,都是指B+树结构组织的索引。
4.2 二叉树
当二叉树作为索引结构,存在以下缺点:
- 顺序插入时,会形成一个链表,查询性能大大降低。
- 大数据量情况下,层级较深,检索速度慢。
4.3 红黑树
红黑树是一颗自平衡二叉树,那这样即使是顺序插入数据,最终形成的数据结构也是一颗平衡的二叉树。
所以红黑树作为索引结构也会存在一个缺点:大数据量情况下,层级较深,检索速度慢。
4.4 B树
B树是一种多叉路衡查找树,相对于二叉树,B树每个节点可以有多个分支,即多叉。
以一颗最大度数(max-degree)为5(5阶)的b-tree为例,那这个B树(每个节点最多存储4个key,5个指针):

树的度数指的是一个节点的子节点个数。(有n个key,就有n+1个指针)
4.4.1 特点
- n阶的B树,每一个节点最多存储n-1个key,对应n个指针。
- 一旦节点存储的key数量到达n,就会裂变,中间元素向上分裂。
- 在B树中,非叶子节点和叶子节点都会存放数据。
4.5 B+树
B+Tree是B-Tree的变种,我们以一颗最大度数(max-degree)为4(4阶)的b+tree为例,来看一下其结构示意图:

- 绿色框框起来的部分,是索引部分,仅仅起到索引数据的作用,不存储数据。
- 红色框框起来的部分,是数据存储部分,在其叶子节点中要存储具体的数据。
4.5.1 与B树区别
- 所有的数据都会出现在叶子节点。
- 叶子节点形成一个单向链表。
- 非叶子节点仅仅起到索引数据作用,具体的数据都是在叶子节点存放的。
4.5.2 MySQL索引数据结构
在B+树上进行优化,在原B+Tree的基础上,增加一个指向相邻叶子节点的链表指针,就形成了带有顺序指针的B+Tree,提高区间访问的性能,利于排序。

4.6 Hash
哈希索引就是采用一定的hash算法,将键值换算成新的hash值,映射到对应的槽位上,然后存储在 hash表中。

当出现两个(或多个)键值,映射到一个相同的槽位上,他们就产生了hash冲突(也称为hash碰撞),可以通过链表来解决。

4.6.1 特点
- Hash索引**只能用于对等比较(=,in)**,不支持范围查询(between,>,< ,…)
- 无法利用索引完成排序操作
- 查询效率高,通常(不存在hash冲突的情况)只需要一次检索就可以了,效率通常要高于B+tree索引
在MySQL中,支持hash索引的是Memory存储引擎。 而InnoDB中具有自适应hash功能,hash索引是 InnoDB存储引擎根据B+Tree索引在指定条件下自动构建的。
4.7 MySQL为何选择B+树作为索引结构
- 相对于二叉树,层级更少,搜索效率高;
- 对于B-tree,无论是叶子节点还是非叶子节点,都会保存数据,这样导致一页中存储的键值减少,指针跟着减少,要同样保存大量数据,只能增加树的高度,导致性能降低;
- 相对Hash索引,B+tree支持范围匹配及排序操作;
5. 索引分类
在MySQL数据库,将索引的具体类型主要分为以下几类:主键索引、唯一索引、常规索引、全文索引。

5.1 聚集索引&二级索引
在InnoDB存储引擎中,根据索引的存储形式,可以分为以下两种:

5.1.1 聚集索引选取规则
主键->唯一(unique)->rowid
- 如果存在主键,主键索引就是聚集索引。
- 如果不存在主键,将使用第一个唯一(UNIQUE)索引作为聚集索引。
- 如果表没有主键,或没有合适的唯一索引,则InnoDB会自动生成一个rowid作为隐藏的聚集索引。且聚集索引在一个表里只会有一个
5.1.2 聚集索引&二级索引结构

观察可以得知:
- 聚集索引的叶子节点下挂的是这一行的数据。
- 二级索引的叶子节点下挂的是该字段值对应的主键值。
5.1.3 执行SQL过程
在执行sql:select * from user where name = 'Arm';过程:

文字描述:
- 由于是根据name字段进行查询,所以先根据name=’Arm’到name字段的二级索引中进行匹配查找。但是在二级索引中只能查找到 Arm 对应的主键值 10。
- 由于查询返回的数据是*,所以此时,还需要根据主键值10,到聚集索引中查找10对应的记录,最终找到10对应的行row。
- 最终拿到这一行的数据,直接返回即可。
5.1.4 回表查询
先到二级索引中查找数据,找到主键值,然后再到聚集索引中根据主键值,获取数据的方式,就称之为回表查询。
5.1.5 比较
1 | |
A 语句的执行性能要高于 B 语句。
因为A语句直接走聚集索引,直接返回数据。
而B语句需要先查询name字段的二级索引,然后再查询聚集索引,也就是需要进行回表查询。
5.1.6 InnoDB主键索引的B+树高度多少
假设:一行数据大小为1k,一页中可以存储16行这样的数据。InnoDB的指针占用6个字节的空间,主键即使为bigint,占用字节数为8。
高度为2:
n * 8 + (n + 1) * 6 = 16 * 1024 , 算出n约为 1170
n 为这个节点存储的key的数量
8 为主键占用的字节数
n+1 指代的是指针的数量
6 为InnoDB的指针占用的空间
16 * 1024 一页的大小是16k,所以是16 * 1024个字节
1171*16 = 18736
1170 为这个节点存储的key,可以知道就会有1171个指针
每一个指针会指向下面的子节点,每个节点因为能放16行数据
也就是说,如果树的高度为2,则可以存储 18000 多条记录。
高度为3:
1171 * 1171 * 16 = 21939856
多了一个高度,相当于又有1171个指针指向下面,因此直接用1171乘以上面的结果即可
也就是说,如果树的高度为3,则可以存储 2200w 左右的记录。
6. 索引语法
6.1 创建索引
1 | |
6.2 查看索引
1 | |
6.3 删除索引
1 | |
7. SQL性能分析
7.1 SQL执行频率
1 | |

- Com_delete: 删除次数
- Com_insert: 插入次数
- Com_select: 查询次数
- Com_update: 更新次数
通过上述指令,我们可以查看到当前数据库到底是以查询为主,还是以增删改为主,从而为数据库优化提供参考依据。 如果是以增删改为主,我们可以考虑不对其进行索引的优化。 如果是以查询为主,那么就要考虑对数据库的索引进行优化了。次数我们可以借助于慢查询 日志。
7.2 慢查询日志
慢查询日志记录了所有执行时间超过指定参数(long_query_time,单位:秒,默认10秒)的所有 SQL语句的日志。
MySQL的慢查询日志默认没有开启,我们可以查看一下系统变量 slow_query_log。
1 | |
7.2.1 开启慢查询日志
需要在MySQL的配置文件(/etc/my.cnf)中配置
1 | |
修改之后重启MySQL服务器
1 | |
检查慢查询日志
1
2tail -f ‘主机名’-slow.log
#‘主机名’要更换成你自己的主机如果不确定此处应填什么,可以先转到mysql目录下,再使用 ll 查看,往下拉,找到一个以-slow.log文件即可
执行SQL
1
2select * from tb_user;
#这条SQL执行效率比较高, 执行耗时 0.00sec最终我们发现,在慢查询日志中,只会记录执行时间超多我们预设时间(2s)的SQL,执行较快的SQL 是不会记录的。这样通过慢查询日志,就可以定位出执行效率比较低的SQL,从而有针对性的进行优化。
7.3 Profile
show profiles 能够在做SQL优化时帮助我们了解时间都耗费到哪里去了。
使用
select @@have_profiling ;查看当前的MYSQL是否支持profile操作。使用
select @@profiling;查询 profile 的开关是开启还是关闭。(0-关闭;1-开启)1
2
3
4
5#通过set语句在 session/global 级别开启profiling
set profiling = 1;
#查询profile操作是否可以运行
select @@have_profiling ;
7.3.1 查看每一条SQL耗时情况
1 | |

7.3.2 指定query_id查看各阶段耗时情况
1 | |

7.3.3 指定query_id的SQL查看CPU使用情况
1 | |

7.4 explain
EXPLAIN 或者 DESC 命令获取 MySQL 如何执行 SELECT 语句的信息,包括在 SELECT 语句执行 过程中表如何连接和连接的顺序。
7.4.1 语法
1 | |

7.4.2 字段含义

8. 索引使用
建立索引前后,查询数据的耗时不是一个量级的。
8.1 最左前缀法则
如果索引了多列(联合索引),要遵守最左前缀法则。最左前缀法则指的是查询从索引的最左列开始, 并且不跳过索引中的列。如果跳跃某一列,索引将会部分失效(后面的字段索引失效)。
以 tb_user 表为例,我们先来查看一下之前 tb_user 表所创建的索引。

在该表存在一个联合索引,涉及的字段和顺序分别为:profession, age,status。
对于最左前缀法则指的是,查询时,最左边的列,也就是profession必须存在,否则索引全部失效。 而且中间不能跳过某一列,否则该列后面的字段索引将失效。
接下来,我们来演示几组案例,看一下具体的执行计划:
8.1.1 case1
1 | |

由于本次查询涉及到了三个字段,且左边的字段全部引用了,没有出现失效的情况,因此可能用到的索引和实际索引是一样的,索引的长度是54。
8.1.2 case2
1 | |

此时发现还是使用了联合索引
8.1.3 case3
1 | |

经过这三个case发现,只要联合索引最左边的字段 profession存在,索引就会生效,只不过索引的长度不同。 而且由以上三组测试,我们也可以推测出profession字段索引长度为47、age 字段索引长度为2、status字段索引长度为5。
8.1.4 case4
1 | |

此时发现并没有使用联合索引
8.1.5 case5
1 | |

同样发现没有使用联合索引,因此,经过case4和case5得出结论:联合索引最左边的列profession不存在,不满足最左前缀法则,因此索引并未生效。
8.1.6 case6
1 | |

由于存在profession字段,最左边的列是存在的,索引满足最左前缀法则的基本条件。但是查询时,跳过了age这个列,所以后面的列索引是不会使用的,也就是索引部分生效,所以索引的长度就是47。
8.1.7 case7
1 | |

可以看到,是完全满足最左前缀法则的,索引长度54,联合索引是生效的。
最左前缀法则中指的最左边的列,是指在查询时,联合索引的最左边的字段(即是 第一个字段)必须存在,与我们编写SQL时,条件编写的先后顺序无关。
8.2 范围查询
联合索引中,出现范围查询(>,<)【即大于号、小于号、逗号】,范围查询右侧的列索引失效。
1 | |

可看出现在走的是联合索引,且索引长度为49
1 | |

可知现在已经走了联合索引,但是索引的长度为49,就说明当范围查询使用> 或 < 时,其右边的status字段是没有走索引的。
1 | |

当范围查询使用>= 或 <= 时,走联合索引了,但是索引的长度为54,就说明所有的字段都是走索引的。
所以,在业务允许的情况下,尽可能的使用类似于 >= 或 <= 这类的范围查询,而避免使用 > 或 < 。
8.3 索引失效情况
8.3.1 索引列运算
不要在索引列上进行运算操作, 索引将失效。
在tb_user表中,除了前面介绍的联合索引之外,还有一个索引,是phone字段的单列索引。

当根据phone字段进行等值匹配查询时, 索引生效。
1
explain select * from tb_user where phone = '17799990015';
当根据phone字段进行函数运算操作之后,索引失效。
1
explain select * from tb_user where substring(phone,10,2) = '15';
此时type为null,进行了全表扫描,说明索引失效。
8.3.2 字符串不加引号
字符串类型字段使用时,不加引号,索引将失效。
1 | |

如果字符串不加单引号,对于查询结果,没什么影响,但是数据库存在隐式类型转换,索引将失效。
8.3.3 模糊查询
如果仅仅是尾部模糊匹配,索引不会失效。如果是头部模糊匹配,索引失效。
下面查询语句中,都是根据profession字段查询,符合最左前缀法则,联合索引是可以生效的, 我们主要看一下,模糊查询时,%加在关键字之前,和加在关键字之后的影响。
8.3.3.1 case1
1 | |

在like模糊查询中,在关键字后面加%,索引可以生效。
8.3.3.2 case2
1 | |

在关键字前面加了%,索引将会失效。
8.3.3.3 case3
1 | |

在like模糊查询中,在关键字后面加%,索引可以生效。而如果在关键字前面加了%,索引将会失效。
8.3.4 or连接条件
用or分割开的条件, 如果or前的条件中的列有索引,而后面的列中没有索引,那么涉及的索引都不会被用到。只有两侧都有索引,才会生效。
8.3.4.1 case1
1 | |

由于age没有索引,所以即使id有索引,索引也会失效。
8.3.4.2 case2
1 | |
由于age没有索引,所以即使id、phone有索引,索引也会失效。所以需要针对于age也要建立索引。
8.3.4.3 case3
对age建立索引后
1 | |
1 | |

最终,我们发现,当or连接的条件,左右两侧字段都有索引时,索引才会生效。
8.3.5 数据分布影响
如果MySQL评估使用索引比全表更慢,则不使用索引。
MySQL在查询时,会评估使用索引的效率与走全表扫描的效率,如果走全表扫描更快,则放弃索引,走全表扫描。 因为索引是用来索引少量数据的,如果通过索引查询返回大批量的数据,则还不如走全表扫描来的快,此时索引就会失效。
因此可能会出现一模一样的SQL语句,先后执行了两次,结果查询计划是不一样的,这是因为查询时MySQL会评估,走索引快,还是全表扫描快,如果全表 扫描更快,则放弃索引走全表扫描。 因此 is null 、is not null 是否走索引,得具体情况具体分析,并不是固定的。
8.4 SQL提示
SQL提示,是优化数据库的一个重要手段,简单来说,就是在SQL语句中加入一些人为的提示来达到优化操作的目的。
8.4.1 use index
建议MySQL使用哪一个索引完成此次查询(仅仅是建议,MySQL内部还会再次进行评估)。
1 | |
8.4.2 ignore index
忽略指定索引
1 | |
8.4.3 force index
强制使用索引
1 | |
8.4.4 案例
创建profession单列索引
1
create index idx_user_pro on tb_user(profession);执行sql
1
explain select * from tb_user where profession = '软件工程';
此时发现,possible_keys(可能用到的索引)里出现了 idx_user_pro_age_sta(联合索引),idx_user_pro(上面刚刚建的单列索引),证明这两个索引都可能用到,但最终MySQL选择了idx_user_pro_age_sta索引。这是MySQL自动选择的结果。
使用
use index
use index会让查询使用特定的索引而不是由查询优化器自动选择索引,当然MySQL内部还会再次进行评估。
这通常适用于查询优化器选择了错误的索引,即使在顶级查询执行计划中指定了正确的索引为主键也是如此。
此外,”USE INDEX”还可以用于强制覆盖查询优化器的限制以使用特定类型的访问方法,例如索引搜索或全表扫描。
使用
ignore index
可看出, ignore index会告诉MySQL不要使用特定的索引,即使它可以使用。使用其可以提高查询性能,因为MySQL不必在访问表时检查和使用指定的索引。”IGNORE INDEX”往往会对针对索引的特定查询语句产生积极的结果,但应谨慎使用以确保不会对全局查询性能造成不良的影响。
使用
force index
可看出,force index用于告诉MySQL强制使用特定的索引,即使它不是最佳的索引。
使用”FORCE INDEX”关键字可以让我们控制MySQL使用哪个索引来执行SELECT语句,以便获得更好的查询性能。
**如果强制使用错误的索引,就有可能得到错误的结果或者降低查询性能。
在使用”FORCE INDEX”时,应该先对查询进行优化,选择最适合的索引,然后再使用”FORCE INDEX”关键字。而且它只能影响单个查询。如果在整个应用程序中需要强制使用特定的索引,则需要更改表结构以强制使用索引。
8.3.6 覆盖索引
尽量使用覆盖索引,减少select。
覆盖索引是指查询使用了索引,并且需要返回的列,在该索引中已经全部能够找到。
8.3.6.1 案例
1 | |

差异点体现在后面的
Extra;前面两条SQL的结果为 Using where; Using Index ;
而后面两条SQL的结果为: Using index condition 。

在tb_user表中有一个联合索引 idx_user_pro_age_sta,该索引关联了三个字段 profession、age、status,而这个索引也是一个二级索引,所以叶子节点下面挂的是这一行的主键id。 所以当我们查询返回的数据在 id、profession、age、status 之中,则直接走二级索引直接返回数据了。 如果超出这个范围,就需要拿到主键id,再去扫描聚集索引,再获取额外的数据。
而我们如果一直使用select * 查询返回所有字段值,很容易就会造成回表查询(除非是根据主键查询,此时只会扫描聚集索引)。
表结构以及索引示意图

id是主键,是一个聚集索引。 name字段建立了普通索引,是一个二级索引(辅助索引)。
1 | |

此时根据id查询,直接走聚集索引查询,一次索引扫描,直接返回数据,性能高。
1 | |

虽然是根据name字段查询,查询二级索引,但是由于查询返回在字段为 id,name,在name的二级索引中,这两个值都是可以直接获取到的,因为覆盖索引,所以不需要回表查询,性能高。
1 | |

由于在name的二级索引中,不包含gender,所以,需要两次索引扫描,也就是需要回表查询,性能相对较差一点。
有一张表,有四个字段(id, username, password, status), 由于数据量大, 需要对 以下SQL语句进行优化, 该如何进行才是最优方案:
1select id,username,password from tb_user where username = 'itcast';解决办法:
针对username和password建立联合索引,这样就可以查询二级索引的时候,返回的字段为id,username,password。此时可以避免回表查询,性能较好。
1create index idx_user_name_pass on tb_user(username,password);
8.5 前缀索引
当字段类型为字符串(varchar,text,longtext等)时,有时候需要索引很长的字符串,这会让索引变得很大,查询时,浪费大量的磁盘IO, 影响查询效率。
此时可以只将字符串的一部分前缀,建立索引,这样可以大大节约索引空间,从而提高索引效率。
8.5.1 语法
1 | |
8.5.2 前缀长度
可以根据索引的选择性来决定,而选择性是指不重复的索引值(基数)和数据表的记录总数的比值, 索引选择性越高则查询效率越高, 唯一索引的选择性是1,这是最好的索引选择性,性能也是最好的。
1 | |
8.5.3 示例
为tb_user表的email字段,建立长度为5【5指查询的字段的长度,并不是表内前5个的数据】的前缀索引。
1 | |
查询’caocao666@qq.com’ ,【在这里,索引会根据长度为5进行查询,即查询caoca】看看是否使用到我们为它建的前缀索引

前缀索引的查询流程

8.6 单列索引和联合索引
单列索引:即一个索引只包含单个列。
联合索引:即一个索引包含了多个列。
目前tb_user 表中目前的索引情况是既有单列索引,又有联合索引。
1 | |

通过上述执行计划我们可以看出来,在and连接的两个字段 phone、name上都是有单列索引的,但是最终mysql只会选择一个索引,也就是说,只能走一个字段的索引,此时是会回表查询的。
创建一个phone和name字段的联合索引来查询一下执行计划。
1 | |

MySQL依旧选择单列索引,此时我们使用use index 让MySQL用我们所建的联合索引。
1 | |

此时,查询时,就走了联合索引,而在联合索引中包含 phone、name的信息,在叶子节点下挂的是对应的主键id,所以查询是无需回表查询的。
如果存在多个查询条件,考虑针对于查询字段建立索引时,建议建立联合索引, 而非单列索引。
当查询使用联合索引时,具体结构:

9. 索引设计原则
- 针对于数据量较大(业务中数据量超过一百万),且查询比较频繁的表建立索引。
- 针对于常作为查询条件(where)、排序(order by)、分组(group by)操作的字段建立索 引。
- 尽量选择区分度高的列作为索引,尽量建立唯一索引,区分度越高,使用索引的效率越高。
- 如果是字符串类型的字段,字段的长度较长,可以针对于字段的特点,建立前缀索引。
- 尽量使用联合索引,减少单列索引,查询时,联合索引很多时候可以覆盖索引,节省存储空间, 避免回表,提高查询效率。
- 要控制索引的数量,索引并不是多多益善,索引越多,维护索引结构的代价也就越大,会影响增删改的效率。
- 如果索引列不能存储NULL值,请在创建表时使用NOT NULL约束它。当优化器知道每列是否包含 NULL值时,它可以更好地确定哪个索引最有效地用于查询。