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MySQL中为什么要使用索引合并(Index Merge)?

时间:2024-07-12 09:19:31浏览次数:13  
标签:Index idx Merge 合并 索引 key MySQL NULL id

本文分享自华为云社区《【华为云MySQL技术专栏】MySQL中为什么要使用索引合并(Index Merge)?》,作者:GaussDB 数据库。

在生产环境中,MySQL语句的where查询通常会包含多个条件判断,以AND或OR操作进行连接。然而,对一个表进行查询最多只能利用该表上的一个索引,其他条件需要在回表查询时进行判断(不考虑覆盖索引的情况)。当回表的记录数很多时,需要进行大量的随机IO,这可能导致查询性能下降。因此,MySQL 5.x 版本推出索引合并(Index Merge)来解决该问题。

本文将基于MySQL 8.0.22版本对MySQL的索引合并功能、实现原理及场景约束进行详细介绍,同时也会结合原理对其优缺点进行浅析,并通过例子进行验证。

什么是索引合并(Index Merge)?

索引合并是通过对一个表同时使用多个索引进行条件扫描,并将满足条件的多个主键集合取交集或并集后再进行回表,可以提升查询效率。

索引合并主要包含交集(intersection),并集(union)和排序并集(sort-union)三种类型:

  • intersection:将基于多个索引扫描的结果集取交集后返回给用户;
  • union:将基于多个索引扫描的结果集取并集后返回给用户;
  • sort-union:与union类似,不同的是sort-union会对结果集进行排序,随后再返回给用户;

MySQL中有四个开关(index_merge、index_merge_intersection、index_merge_union以及index_merge_sort_union)对上述三种索引合并类型提供支持,可以通过修改optimizer_switch系统参数中的四个开关标识来控制索引合并特性的使用。

假设创建表T,并插入如下数据:

CREATE TABLE T(  `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`a` int NOT NULL,
`b` char(1) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `idx_a` (`a`) USING BTREE,
KEY `idx_b` (`b`) USING BTREE
)ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1;

INSERT INTO T (a, b) VALUES (1, 'A'), (2, 'B'),(3, 'C'),(4, 'B'),(1, 'C');

默认情况下,四个开关均为开启状态。如果需要单独使用某个合并类型,需设置index_merge=off,并将相应待启用的合并类型标识(例如,index_merge_sort_union)设置为on。

开关开启后,可通过EXPLAIN执行计划查看当前查询语句是否使用了索引合并。

mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 
|+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

上面代码显示type类型为index_merge,表示使用了索引合并。key列显示使用到的所有索引名称,该语句中同时使用了idx_a和idx_b两个索引完成查询。Extra列显示具体使用了哪种类型的索引合并,该语句显示Using union(...),表示索引合并类型为union。

此外,可以使用index_merge/no_index_merge给查询语句添加hint,强制SQL语句使用/不使用索引合并。

• 如果查询默认未使用索引合并,可以通过添加index_merge强制指定:

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    1 |    20.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
 

mysql> EXPLAIN SELECT /*+ INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用no_index_merge给查询语句添加hint,可以忽略索引合并优化:

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    3 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    36.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

索引合并(Index Merge)原理

1. Index Merge Intersection

Index Merge Intersection会在使用到的多个索引上同时进行扫描,并取这些扫描结果的交集作为最终结果集。

以“SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C'; ”语句为例:

• 未使用索引合并时,MySQL利用索引idx_a获取到满足条件a=1的所有主键id,根据主键id进行回表查询到相关记录,随后再使用条件b='C'对这些记录进行判断,获取最终查询结果。

mysql> explain SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    2 |    40.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用索引合并时,MySQL分别利用索引idx_a和idx_b获取满足条件a=1和b='C'的主键id集合setA和setB。随后取setA和setB中主键id的交集setC,并使用setC中主键id进行回表,获取最终查询结果。

mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

执行流程如下:

222.PNG

图1 SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';执行流程

2. Index Merge Union

Index Merge Union会在使用到的多个索引上同时进行扫描,并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。

以“SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B'; ”语句为例:

• 未使用索引合并时,MySQL通过全表扫描获取所有记录信息,随后再使用条件a=1和b='B'对这些记录进行判断,获取最终查询结果。

mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    50.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用索引合并算法时,MySQL分别利用索引idx_a和idx_b获取满足条件a=1和b='B'的主键id集合setA和setB。随后,取setA和setB中主键id的并集setC,并使用setC中主键id进行回表,获取最终查询结果。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

执行流程如下:

333.PNG

图2 SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';执行流程

3. Index Merge Sort-Union

Sort-Union索引合并与Union索引合并原理相似,只是比单纯的Union索引合并多了一步对二级索引记录的主键id排序的过程。由OR连接的多个范围查询条件组成的WHERE子句不满足Union算法时,优化器会考虑使用Sort-Union算法。例如:

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a<3 OR b<'B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                      |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using sort_union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

应用场景约束

1. 总体约束

• Index Merge不能应用于全文索引(Fulltext Index)。 • Index Merge只能合并同一个表的索引扫描结果,不能跨表合并。

以上约束适用于Intersection,Union和Sort-Union三种合并类型。此外,Intersection和Union存在特殊的场景约束。

2. Index Merge Intersection

使用Intersection要求AND连接的每个条件必须是如下形式之一:

(1) 当索引包含多个列时,每个列都必须被如下等值条件覆盖,不允许出现范围查询。若使用索引为联合索引时,每个列都必须等值匹配,不能出现只匹配部分列的情况。

key_par1 = const1 AND key_par2 = const2 ... AND key_partN = constN

(2) 若过滤条件中存在主键列,主键列可以进行范围匹配。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE id<3 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key           | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                       |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | PRIMARY,idx_b | idx_b,PRIMARY | 9,4     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_b,PRIMARY); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

上述的要求,本质上是为了确保索引取出的记录是按照主键id有序排列的,因为Index Merge Intersection对两个有序集合取交集更简单。同时,主键有序的情况下,回表将不再是单纯的随机IO,回表的效率也会更高。

3. Index Merge Union

使用Union要求OR连接的每个条件,必须是如下形式之一:

(1) 当索引包含多个列时,则每个列都必须被如下等值条件覆盖,不允许出现范围查询。若使用索引为联合索引时,在联合索引中的每个列都必须等值匹配,不能出现只匹配部分列的情况。

key_par1 = const1 OR key_par2 = const2 ... OR key_partN = constN

(2) 若过滤条件中存在主键列,主键列可以进行范围匹配。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE id>3 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key           | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                   |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | PRIMARY,idx_b | PRIMARY,idx_b | 4,5     | NULL |    3 |   100.00 | Using union(PRIMARY,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

Index Merge的优缺点

• Index Merge Intersection在使用到的多个索引上同时进行扫描,并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。

当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数极多时,适合使用Intersection对取交集后的主键id以顺序I/O进行回表,其开销远小于使用随机IO进行回表。反之,当根据搜索条件扫描出的记录极少时,因为需要多一步合并操作,Intersection反而不占优势。在8.0.22版本,对于AND连接的点查场景,通过建立联合索引可以更好的减少回表。

• Index Merge Union在使用到的多个索引上同时进行扫描,并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。

当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数比较少,通过Union索引合并后进行访问的代价比全表扫描更小时,使用Union的效果才会更优。

• Index Merge Sort-Union比单纯的Union索引合并多了一步对索引记录的主键id排序的过程。

当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数比较少的时,对这些索引记录的主键id进行排序的成本不高,此时可以加速查询。反之,当需要排序的记录过多时,该算法的查询效率不一定更优。

我们以Index Merge Union为例,对上述分析进行验证。

1. 场景构造

# 创建表CREATE TABLE T(  `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`a` int NOT NULL,`
b` char(1) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `idx_a` (`a`) USING BTREE,
KEY `idx_b` (`b`) USING BTREE
)ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1;

# 插入数据
DELIMITER $$
CREATE PROCEDURE insertT()
BEGIN
DECLARE i INT DEFAULT 0;
START TRANSACTION;
WHILE i<=100000 do
if (i%100 = 0) then
INSERT INTO T (a, b) VALUES (10,CHAR(rand()*(90-65)+65));
else
INSERT INTO T (a, b) VALUES (i,CHAR(rand()*(90-65)+65));
end if;
SET i=i+1;
END WHILE;
COMMIT;
END$$
DELIMITER ;
call insertT();

# 执行测试语句
SQL1: SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
SQL2: SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
SQL3: SELECT * FROM T WHERE a=10 OR b='A';
SQL4: SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=10 OR b='A';

2. 执行结果及分析

每条语句查询5次,去掉最大值和最小值,取剩余三次结果平均值。4条语句查询结果如下:

测试语句

第一次查询/ms

第二次查询/ms

第三次查询/ms

第四次查询/ms

第五次查询/ms

平均值/ms

SQL1

5.481

5.422

5.117

4.892

5.426

5.322

SQL2

31.129

32.645

30.943

31.142

32.625

31.632

SQL3

7.872

7.200

7.824

7.955

7.949

7.882

SQL4

31.139

33.318

31.476

31.645

31.27

31.464

对比使用索引合并的SQL1和未使用索引合并的SQL2的查询结果可知,使用索引合并的SQL1具有更高的查询效率,这点从语句的explain analyze分析中也可以看出:

使用索引合并的SQL1代码示例:

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.064..5.481 rows=2056 loops=1)
-> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.062..5.120 rows=2056 loops=1)

未使用索引合并的SQL2代码示例:

EXPLAIN ANALYZE SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=10098.75 rows=10043) (actual time=0.038..31.129 rows=2056 loops=1)
-> Table scan on T  (cost=10098.75 rows=100425) (actual time=0.031..22.967 rows=100001 loops=1)

未使用索引合并时,SQL2语句需要花费约23ms来扫描全表100001行数据,随后再进行条件判断。而使用索引合并时,通过合并两个索引筛选出的主键id集合,筛选出2056个符合条件的主键id, 随后回表获取最终的数据。这个环节中,索引合并大大减少了需要访问的记录数量。

此外,从SQL1和SQL3的查询结果也可以看出,数据分布也会影响索引合并的效果。相同的SQL模板类型,根据匹配数值的不同,查询时间存在差异。如需要合并的主键id集合越小,需要回表的主键id越少,查询时间越短。

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.064..5.481 rows=2056 loops=1)
   -> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.062..5.120 rows=2056 loops=1)
 

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=10 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 10) or (t.b = 'A'))  (cost=983.00 rows=3057) (actual time=0.070..7.872 rows=3035 loops=1)
   -> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=983.00 rows=3057) (actual time=0.068..7.496 rows=3035 loops=1)

总结

本文介绍了索引合并(Index Merge)包含的三种类型,即交集(intersection)、并集(union)和排序并集(sort-union),以及索引合并的实现原理、场景约束与通过案例验证的优缺点。在实际使用中,当查询条件列较多且无法使用联合索引时,就可以考虑使用索引合并,利用多个索引加速查询。但要注意,索引合并并非在任何场景下均具有较好的效果,需要结合具体的数据分布进行算法的选择。

 

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标签:Index,idx,Merge,合并,索引,key,MySQL,NULL,id
From: https://www.cnblogs.com/huaweiyun/p/18297565

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