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【Mysql进阶优化篇02】索引失效的10种情况及原理

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前 言
🍉 作者简介:半旧518,长跑型选手,立志坚持写10年博客,专注于java后端
🍌 专栏简介:mysql基础、进阶,主要讲解mysql数据库sql刷题、进阶知识,包括索引、数据库调优、分库分表等
🌰 文章简介:本文将介绍索引失效的10种情况及原理,绝对不需要死记硬背,建议收藏备用。
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文章目录

1️⃣ 数据库调优的场景

上一篇mysql进阶优化篇,我们介绍了数据库的性能分析工具,知道了怎么发现数据库的性能问题,这一篇博客我们将介绍索引优化与查询优化。

先来了解下可能需要进行数据库优化的场景。

  • 索引失效(按准则编写、调整sql)
  • 没有充分利用到索引(建立索引)
  • 关联查询太多的JOIN(JOIN查询性能与表的数目成指数相关,一般不超过三张,否则需要进行sql优化或者进行反范式化设计,增加必要的冗余)
  • 服务器调优与各个参数的设置,如缓存、线程数等(修改my.conf)
  • 数据过高(已经在软件层面充分调优,但仍不能面对高并发场景,可以考虑分表分库分散服务器压力)

接下来我们介绍下sql查询优化。虽然sql查询优化技术很多,但是大致不离 物理查查询优化逻辑查询优化 两大块。

  • 物理查询优化:通过索引表连接方式进行优化
  • 逻辑查询优化:通过sql语句的等价代换,实现数据库查询的优化。

2️⃣数据准备

学员表插50万 条, 班级表插1万条。

(1)建表

#班级表CREATETABLE`class`(`id`INT(11)NOTNULLAUTO_INCREMENT,`className`VARCHAR(30)DEFAULTNULL,`address`VARCHAR(40)DEFAULTNULL,`monitor`INTNULL,PRIMARYKEY(`id`))ENGINE=INNODBAUTO_INCREMENT=1DEFAULTCHARSET=utf8;#学员表CREATETABLE`student`(`id`INT(11)NOTNULLAUTO_INCREMENT,`stuno`INTNOTNULL,`name`VARCHAR(20)DEFAULTNULL,`age`INT(3)DEFAULTNULL,`classId`INT(11)DEFAULTNULL,PRIMARYKEY(`id`)#CONSTRAINT `fk_class_id` FOREIGN KEY (`classId`) REFERENCES `t_class` (`id`))ENGINE=INNODBAUTO_INCREMENT=1DEFAULTCHARSET=utf8;

(2)设置参数

命令开启:允许创建函数设置:

setglobal log_bin_trust_function_creators=1;# 不加global只是当前窗口有效。

(3)创建函数

保证每条数据都不同。

#随机产生字符串DELIMITER//CREATEFUNCTION rand_string(n INT)RETURNSVARCHAR(255)BEGINDECLARE chars_str VARCHAR(100)DEFAULT'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFJHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';DECLARE return_str VARCHAR(255)DEFAULT'';DECLARE i INTDEFAULT0;WHILE i < n DOSET return_str =CONCAT(return_str,SUBSTRING(chars_str,FLOOR(1+RAND()*52),1));SET i = i +1;ENDWHILE;RETURN return_str;END//DELIMITER;#假如要删除#drop function rand_string;

随机产生班级编号

#用于随机产生多少到多少的编号DELIMITER//CREATEFUNCTION rand_num (from_num INT,to_num INT)RETURNSINT(11)BEGINDECLARE i INTDEFAULT0;SET i = FLOOR(from_num +RAND()*(to_num - from_num+1));RETURN i;END//DELIMITER;#假如要删除#drop function rand_num;

(4)创建存储过程

创建往stu表中插入数据的存储过程

#创建往stu表中插入数据的存储过程DELIMITER//CREATEPROCEDURE insert_stu(STARTINT, max_num INT)BEGINDECLARE i INTDEFAULT0;SET autocommit =0;#设置手动提交事务REPEAT#循环SET i = i +1;#赋值INSERTINTO student (stuno, name ,age ,classId )VALUES((START+i),rand_string(6),rand_num(1,50),rand_num(1,1000)); 
    UNTIL i = max_num 
    ENDREPEAT;COMMIT;#提交事务END//DELIMITER;#假如要删除#drop PROCEDURE insert_stu;

创建往class表中插入数据的存储过程

#执行存储过程,往class表添加随机数据DELIMITER//CREATEPROCEDURE`insert_class`( max_num INT)BEGINDECLARE i INTDEFAULT0;SET autocommit =0;REPEATSET i = i +1;INSERTINTO class ( classname,address,monitor )VALUES(rand_string(8),rand_string(10),rand_num(1,100000)); 
    UNTIL i = max_num 
    ENDREPEAT;COMMIT;END//DELIMITER;#假如要删除#drop PROCEDURE insert_class;

(5)调用存储过程

往class表添加1万条数据

#执行存储过程,往class表添加1万条数据 CALL insert_class(10000);

往stu表添加50万条数据,这个时间会稍微有点长,请耐心等待哟。

#执行存储过程,往stu表添加50万条数据 CALL insert_stu(100000,500000);

查询下数据是否插入成功。

SELECTCOUNT(*)FROM class;SELECTCOUNT(*)FROM student;

(6)删除某表上的索引

创建删除索引存储过程。这是为了方便我们的学习,因为我们在演示某个索引的效果时,可能需要删除其它索引,如果需要一个个手工删除,就太费劲了。

DELIMITER//CREATEPROCEDURE`proc_drop_index`(dbname VARCHAR(200),tablename VARCHAR(200))BEGINDECLARE done INTDEFAULT0;DECLARE ct INTDEFAULT0;DECLARE _index VARCHAR(200)DEFAULT'';DECLARE _cur CURSORFORSELECT  index_name  FROM
information_schema.STATISTICSWHERE table_schema=dbname AND table_name=tablename AND
seq_in_index=1AND  index_name <>'PRIMARY';#每个游标必须使用不同的declare continue handler for not found set done=1来控制游标的结束DECLARECONTINUEHANDLERFORNOT FOUND set done=2;#若没有数据返回,程序继续,并将变量done设为2OPEN _cur;FETCH _cur INTO _index;WHILE _index<>''DOSET@str= CONCAT("drop index ", _index ," on ", tablename );PREPARE sql_str FROM@str;EXECUTE sql_str;DEALLOCATEPREPARE sql_str;SET _index='';FETCH _cur INTO _index;ENDWHILE;CLOSE _cur;END//DELIMITER;

执行存储过程(可以先保留不执行)

CALL proc_drop_index("dbname","tablename");

3️⃣索引失效的情况

这里我们以InnoDB的B+树的索引结构作为讲解的重点,讲解索引失效的案例(3.1讲解索引最佳的实践)。之所以会出现索引失效的情况,其实是因为我们的优化器经过了成本开销的计算,决定不用索引。用不用索引都是优化器说了算,Sql语句是否会使用索引,跟数据库版本数据量数据选择度都有关系。

3.1 全值匹配我最爱(索引最佳)

全值匹配可以充分的利用组合索引。

在没有建立索引时会进行数据查询速度会比较慢。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age=30;EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age=30AND classId=4;EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age=30AND classId=4AND NAME ='abcd';
SQL_NO_CACHE

表示不使用查询缓存。

下图是在没有创建索引的情况下,第一条sql的执行效果。其查询时间是0.048s。
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下面建立下索引。

CREATEINDEX idx_age ON student(age);CREATEINDEX idx_age_classid ON student(age,classId);CREATEINDEX idx_age_classid_name ON student(age,classId,NAME);

💌Q 上面三个索引有什么区别,为什么这么建立索引?
上面建立索引是与三条sql的使用场景对应的,遵守了全值匹配的规则,就是说建立几个复合索引字段,最好就用上几个字段。且按照顺序来用。

再次执行查询sql,就可以使用到索引idx_age。并且其查询耗时会变短为0.024s。
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执行如下sql。选择的索引则是:

idx_age_classid

。思考下为什么?

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age=30AND classId=4;

这是因为我们在构建索引

idx_age_classid

的B+树时,会先按照age排序,在按照calssId排序,对于这个sql来说,更加高效。

但是上面的索引可能不生效哦,在数据量较大的情况下,我们进行全值匹配

SELECT *

,优化器可能经过计算发现,我们使用索引查询所有的数据后,还需要对查找到的数据进行回表操作,性能还不如全表扫描。这里我们没有造这么多数据,所以就不演示效果咯。

3.2 不遵守最左前缀匹配原则

运行如下sql。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.age=30AND student.name='abcd';

将使用索引idx_age。

下面的sql不会使用索引,因为我没没有创建classId或者name的索引。或者

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.classId=4AND student.name='abcd';

Q:为什么不会使用idx_age_classid索引?
索引idx_age_classid的B+树会先使用age排序,在使用classId给age相同的数据排序,这个索引根本用不上哟。这就是下面的最左前缀原则。

在 MySQL 建立联合索引时会遵守最佳左前缀匹配原则,即最左优先,在检索数据时从联合索引的最左边开始匹配。

MySQL 可以为多个字段创建索引,一个索引可以包括 16 个字段,对于多列字段,过滤条件要使用所以那必须按照索引建立时的顺序,依次满足,一旦跳过某个字段,索引后面的字段都无法使用。如果查询条件中没有使用这些字段中的第一个字段时,多列索引不会被使用。

💞拓展:Alibaba《Java开发手册》
索引文件具有 B-Tree 的最左前缀匹配特性,如果左边的值未确定,那么无法使用此索引。

下面的sql查询就是遵守这一原则的正确打开方式。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.age =30AND student.classId=4AND student.name='abcd';

思考:下面sql会不会使用索引呢?

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.classId=4AND student.age =30AND student.name='abcd';

答案是会!因为优化器会执行优化的哦,会调整查询条件的顺序。不过在开发过程中我们还是要保持良好的开发习惯哟。

思考:删去索引

idx_age_classid

idx_age

,只保留

idx_age_classid_name
DROPINDEX idx_age_classid ON student;DROPINDEX idx_age ON student;

执行如下sql,会不会使用索引?

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE  student.age =30AND student.name='abcd';

答案是会,但是只会用一部分。看看执行结果。
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使用了

idx_age_classid_name

,但是

key_len

是5,也就是说只使用了age部分的排序,因为age是int类型,4个字节加上null值列表一共5个字节哦。想想就知道,B+树是先按照age排序,再按照classid排序,最后按照name排序,因此不能跳过classId的排序直接就使用name的排序哦。

3.3 不按照递增顺序插入主键

对于一个使用 InnoDB 存储引擎的表来说,在我们没有显式的创建索引时,表中的数据实际上都是存储在 聚簇索引 的叶子节点的。而记录又是存储在数据页中,数据页和记录又是按照 记录主键值从小到大 的顺序进行排序,所以如果我们 插入 的记录的 主键是依次增大 的话,那我们每插满一个数据页就换到下一个数据页继续插,而如果我们插入的 主键值忽大忽小 的话,就比较麻烦了,假设某个数据页存储的记录已经满了,它存储的主键值在 1~100 之间:
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如果此时再插入一条主键值为 9 的记录,那它插入的位置就如下图:
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可这个数据页已经满了,再插进来咋办呢?我们需要把当前 页面分裂 成两个页面,把本页中的一些记录移动到新创建的这个页中。页面分裂和记录移位意味着什么?意味着:性能损耗!所以如果我们想尽量避免这样无谓的性能损耗,最好让插入的记录的 主键值依次递增 ,这样就不会发生这样的性能损耗了。 所以我们建议:让主键具有 AUTO_INCREMENT ,让存储引擎自己为表生成主键,而不是我们手动插入

我们自定义的主键列 id 拥有 AUTO_INCREMENT 属性,在插入记录时存储引擎会自动为我们填入自增的主键值。这样的主键占用空间小,顺序写入,减少页分裂。

🎀Tips:
我们一般将主键策略设置为自动递增

AUTO_INCREMENT

哦!(核心业务表除外,后面会介绍这种情况)

3.4 计算、函数、类型转换(自动或手动)导致索引失效

思考:这两条 sql 哪种写法更好?

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.name LIKE'abc%';EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERELEFT(student.name,3)='abc';

从执行结果上说,上面sql执行结果没有区别。但是从运行效率上说,第1条sql比之后的要好,因为第一条可以使用上索引!而因为第二条使用了函数,即使建立索引也会导致索引失效。

为何使用函数时优化器会使索引失效呢?您想想,我们只是对

student.name

字段建立了索引,但并没有对LEFT(student.name,3)建立索引,使用函数后的关键字跟我们建立的B+树可对应不来,怎么能使用B+树优化查询呢?

3.5 类型转换导致索引失效

# 未使用到索引EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE name=123;# 使用到索引EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE name='123';

name = 123 发生类型转换,索引失效,原因与使用函数也一样,其实类型转换就是使用了隐式的类型转换函数。

3.6 范围条件右边的列索引失效

我们先调用下前面准备的存储过程删除除主键索引外的其它索引。

CALL proc_drop_index('atguigu_db2','student');SHOWINDEXFROM student;

创建联合索引。

CREATEINDEX idx_age_classId_name ON student(age,classId,NAME);

执行查询。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.age=30AND student.classId>20AND student.name ='abc';

执行结果如下。
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注意到

key_len

是10,说明值使用到了

idx_age_classId_name

索引中的

age

classId

部分,而

name

则没有用上。这是因为classId>20是范围查询,导致其右边的列索引失效。

如果想要完全使用到索引,需要按如下方式创建索引:先写等值查询的列,再写范围查询的列。

createindex idx_age_name_classid on student(age,name,classid);

🎨Q:为什么条件查询会导致范围条件后面的列索引失效?
比如说有三个字段 a b c,建立复合索引a_b_c
此时叶子节点的数据排序后可能为
(a=1 b=1 c=1) (a=1 b=2 c=1) (a=1 b=2 c=3)
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
(a=3 b=0 c=1) (a=3 b=3 c=5) (a=3 b=8 c=6)
假设查找 select a,b,c from table where a = 2 and b = 5 and c = 2
此时先根据a = 2找到第二行的四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
然后根据b=5查到两条
(a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
最后根据c=2查到目标数据
(a=2 b=5 c=2)
接下来 假设使用了范围条件
select a,b,c from table where a = 2 and b >1 and c = 2
此时先根据a = 2找到第二行的四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
然后根据b>1查到四条数据
(a=2 b=2 c=3) (a=2 b=2 c=5) (a=2 b=5 c=1) (a=2 b=5 c=2)
此时要查找c=2了 但是我们发现 这四条数据的c分别是
3,5,1,2 是无序的 所以索引失效了
总结:
因为前一个条件相同的情况下,后续列才会是有序的。

🎃Tips:
应用开发中范围查询,例如:金额查询,日期查询往往都是范围查询。应将查询条件放置where语句最后。(创建的联合索引中,务必把范围设计到的字段写在最后)

3.7 不等于(!= 或者 <>)索引失效

为name字段创建索引

CREATEINDEX idx_name ON student(NAME);

查看索引是否失效

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.name <>'abc';EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE student.name !='abc';

执行结果如下。
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没有失效!!!这个原因还不是特别明确,可能mysql高版本中优化器又做了升级(毕竟不等于不过是等于的取反,确实可以实现优化)?笔者的mysql版本为8.2.06,如果有知道的大佬可以在评论区留言讨论。不过在实际生产或者面试中,这仍然可以作为一种需要关注的特殊情形。

3.8 is null可以使用索引,is not null无法使用索引

原因和原理一模一样。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age ISNULL;

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EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age ISNOTNULL;

同样的,在低版本中索引会失效,高版本中,索引也不会失效哦。
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🎑结论:最好在设计数据库的时候就将 字段设置为 NOT NULL 约束。比如可以将 INT 类型的字段,默认设置为 0。将字符串的默认值设置为空字符串(“”)。
扩展:同理,在查询中使用 not like 也无法使用索引,导致全表扫描

3.9 like 以通配符 % 开头索引失效

在使用 LIKE 关键字进行查询的查询语句中,如果匹配字符串的第一个字符为“%”,索引就不会其作用。只有“%”不在第一个位置,索引才会起作用。

使用到索引

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE NAME LIKE'ab%';

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未使用到索引.

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE NAME LIKE'%ab%';

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想想那颗b+树,前面模糊了那么排序还有什么用?

🎠拓展:Alibaba《Java 开发手册》
【强制】页面搜索严禁左模糊或者全模糊,如果需要请走搜索引擎来解决。

3.10 OR前后存在非索引的列

在WHERE 子句中,如果在 OR 前的条件列进行了索引,而在 OR 后的条件列没有进行索引,那么索引会失效。也就是说,OR 前后的两个条件中的列都是索引时,查询中才使用索引。

因为 OR 的含义就是两个只要满足一个即可,因此 只有一个条件列进行了索引是没有意义的,只要有条件列没有进行索引,就会进行全表扫描,因此索引的条件列也会失效。

查询语句使用 OR 关键字的情况:

#清除现有的索引CALL proc_drop_index('mymysql','student')# 创建索引CREATEINDEX idx_age ON student(age);# 未使用到索引EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age =10OR classid =100;

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这是因为or连接的查询条件都需要查询,如果一个使用索引,一个不用索引全表扫描,索引根本起不到优化性能的作用。还不如只进行一次全表扫描呢。

解决方式是给未使用索引的列创建索引。

# 再创建一个索引CREATEINDEX idx_cid ON student(classid);#使用到索引EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE *FROM student WHERE age =10OR classid =100;

又翻车了·。。。看来这个情况还是得特别小心啊。
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再来。

EXPLAINSELECT SQL_NO_CACHE  age,classid FROM student WHERE age =10OR classid =100;

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总结:没事别用select *。

3.11 数据库和表的字符集不匹配

统一使用 utf8mb4(5.5.3版本以上支持)兼容性更好,统一字符集可以避免由于字符集转换产生的乱码。不同的 字符集 进行比较前需要进行 转换 会造成索引失效。

4.索引一般性建议

假设,index(a,b,c),下面罗列了一些值得被注意的索引应用场景。
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🎉建议
对于单列索引,尽量选择针对当前 query 过滤性更好的索引
在选择组合索引的时候,当前 query 中过滤性最好的字段在索引字段顺序中,位置越靠前越好
在选择组合索引的时候,尽量选择能够包含当前 query 中的 where 子句中更多字段的索引
在选择组合索引的时候,如果某个字段可能出现范围查询时,尽量把这个字段放在索引次序的最后面。
总之,书写 SQL 语句时,尽量避免造成索引失效的情况。

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标签: mysql 大数据 索引

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