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如何优雅地回答面试官关于MySQL索引的拷问

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ll201901232220563 #面试#
发布于 2021-08-05 21:26:16 APP内打开
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Jerry哥又来了,又是一期索引知识汇总,这次结合一个案例来分析Mysql索引在面试中必问的点。还想了解哪方面的知识,欢迎留言~

  • 案例背景

  • 案例分析

  • 案例解答(附面试常问)

    • MySQL InnoDB 的索引原理

    • 索引类型

    • 通过主键查询(主键索引)商品数据的过程

    • 通过非主键(辅助索引)查询商品数据的过程

  • B+Tree 索引的优势

  • B+Tree 相对于 B 树 索引结构的优势

  • B+Tree 相对于二叉树索引结构的优势

  • B+Tree 相对于 Hash 表存储结构的优势

  • 执行计划

  • 索引失效的常见情况

  • 常见优化索引的方法

    • 前缀索引优化

    • 覆盖索引优化

    • 联合索引

  • 总结

案例背景

假设面试官问你:在电商平台的订单中心系统中,通常要根据商品类型、订单状态筛选出需要的订单,并按照订单创建的时间进行排序,那针对下面这条 SQL,你怎么通过索引来提高查询效率呢?

select * from order where status = 1 order by create_time asc

有的同学会认为,单独给 status 建立一个索引就可以了。这样回答优雅吗?

但是更优的方式是建立一个 status 和 create_time 组合索引,这是为了避免 MySQL 数据库发生文件排序

因为在查询时,你只能用到 status 的索引,但如果要对 create_time 排序,就要用文件排序 filesort,也就是在 SQL 执行计划中,Extra 列会出现 Using filesort

所以你要利用索引的有序性,在 status 和 create_time 列建立联合索引,这样根据 status 筛选后的数据就是按照 create_time 排好序的,避免在文件排序

案例分析

通过这个案例,你可以发现“索引知识”的重要性,

数据库索引底层使用的是什么数据结构和算法呢?

  • 为什么 MySQL InnoDB 选择 B+Tree 当默认的索引数据结构?

  • 如何通过执行计划查看索引使用详情?

  • 有哪些情况会导致索引失效?

  • 平时有哪些常见的优化索引的方法?

……

总结起来就是如下几点:

  • 理解 MySQL InnoDB 的索引原理;

  • 掌握 B+Tree 相比于其他索引数据结构(如 B-Tree、二叉树,以及 Hash 表)的优势;

  • 掌握 MySQL 执行计划的方法;

  • 掌握导致索引失效的常见情况;

  • 掌握实际工作中常用的建立高效索引的技巧(如前缀索引、建立覆盖索引等)。

如果你曾经被问到其中某一个问题,那你就有必要认真夯实 MySQL 索引及优化的内容了。

案例解答

MySQL InnoDB 的索引原理

从数据结构的角度来看, MySQL 常见索引有 B+Tree 索引、HASH 索引、Full-Text 索引。MySQL 常见的存储引擎 InnoDB、MyISAM 和 Memory 分别支持的索引类型。(后两个存储引擎在实际工作和面试中很少提及,因此只讲 InnoDB) 。

索引类型

在实际应用中,InnoDB 是 MySQL 建表时默认的存储引擎,B+Tree 索引类型也是 MySQL 存储引擎采用最多的索引类型。

在创建表时,InnoDB 存储引擎默认使用表的主键作为主键索引,该主键索引就是聚簇索引(Clustered Index),如果表没有定义主键,InnoDB 就自己产生一个隐藏的 6 个字节的主键 ID 值作为主键索引,而创建的主键索引默认使用的是 B+Tree 索引

接下来我们通过一个简单的例子,说明一下 B+Tree 索引在存储数据中的具体实现,为的是让你理解通过 B+Tree 做索引的原理。

首先,我们创建一张商品表:

CREATE TABLE `product`  (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `product_no` varchar(20)  DEFAULT NULL,
  `name` varchar(255) DEFAULT NULL,
  `price` decimal(10, 2) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Dynamic;
然后新增几行数据:

通过主键查询(主键索引)商品数据的过程

此时当我们使用主键索引查询商品 15 的时候,那么按照 B+Tree 索引原理,是如何找到对应数据的呢?

select * from product where id = 15

我们可以通过数据手动构建一个 B+Tree,它的每个节点包含 3 个子节点(B+Tree 每个节点允许有 M 个子节点,且 M>2),根节点中的数据值 1、18、36 分别是子节点(1,6,12),(18,24,30)和(36,41,52)中的最小值。

每一层父节点的数据值都会出现在下层子节点的数据值中,因此在叶子节点中,包括了所有的数据值信息,并且每一个叶子节点都指向下一个叶子节点,形成一个链表。如图所示:


我们举例讲解一下 B+Tree 的查询流程,比如想要查找数据值 15,B+Tree 会自顶向下逐层进行查找:

  1. 将 15 与根节点的数据 (1,18,36) 比较,15 在 1 和 18 之间,所以根据 B+Tree的搜索逻辑,找到第二层的数据块 (1,6,12);

  2. 在第二层的数据块 (1,6,12) 中进行查找,因为 15 大于 12,所以找到第三层的数据块 (12,15,17);

  3. 在叶子节点的数据块 (12,15,17) 中进行查找,然后我们找到了数据值 15;

最终根据数据值 15 找到叶子节点中存储的数据。

整个过程一共进行了 3 次 I/O 操作,所以 B+Tree 相比于 B 树和二叉树来说,最大的优势在于查询效率。

那么问题来了,如果你当前查询数据时候,不是通过主键 ID,而是用商品编码查询商品,那么查询过程又是怎样的呢?

通过非主键(辅助索引)查询商品数据的过程

如果你用商品编码查询商品(即使用辅助索引进行查询),会先检索辅助索引中的 B+Tree 的 商品编码,找到对应的叶子节点,获取主键值,然后再通过主键索引中的 B+Tree 树查询到对应的叶子节点,然后获取整行数据。这个过程叫回表

以上就是索引的实现原理。

在面试时,面试官一般不会让你直接描述查询索引的过程,但是会通过考察你对索引优化方法的理解,来评估你对索引原理的掌握程度,比如为什么 MySQL InnoDB 选择 B+Tree 作为默认的索引数据结构?MySQL 常见的优化索引的方法有哪些?

所以接下来,我们就详细了解一下在面试中如何回答索引优化的问题。

B+Tree 索引的优势

如果你被问到“为什么 MySQL 会选择 B+Tree 当索引数据结构?”其实在考察你两个方面:B+Tree 的索引原理;B+Tree 索引相比于其他索引类型的优势。

我们刚刚已经讲了 B+Tree 的索引原理,现在就来回答一下 B+Tree 相比于其他常见索引结构,如 B 树、二叉树或 Hash 索引结构的优势在哪儿?

B+Tree 相对于 B 树 索引结构的优势

B+Tree 只在叶子节点存储数据,而 B 树 的非叶子节点也要存储数据,所以 B+Tree 的单个节点的数据量更小,在相同的磁盘 I/O 次数下,就能查询更多的节点。

另外,B+Tree 叶子节点采用的是双链表连接,适合 MySQL 中常见的基于范围的顺序查找,而 B 树无法做到这一点。

B+Tree 相对于二叉树索引结构的优势

对于有 N 个叶子节点的 B+Tree,其搜索复杂度为O(logdN),其中 d 表示节点允许的最大子节点个数为 d 个。

在实际的应用当中, d 值是大于100的,这样就保证了,即使数据达到千万级别时,B+Tree 的高度依然维持在 3~4 层左右,也就是说一次数据查询操作只需要做 3~4 次的磁盘 I/O 操作就能查询到目标数据(这里的查询参考上面 B+Tree 的聚簇索引的查询过程)。

二叉树的每个父节点的儿子节点个数只能是 2 个,意味着其搜索复杂度为 O(logN),这已经比 B+Tree 高出不少,因此二叉树检索到目标数据所经历的磁盘 I/O 次数要更多。

B+Tree 相对于 Hash 表存储结构的优势

我们知道范围查询是 MySQL 中常见的场景,但是 Hash 表不适合做范围查询,它更适合做等值的查询,这也是 B+Tree 索引要比 Hash 表索引有着更广泛的适用场景的原因。

至此,你就知道“为什么 MySQL 会选择 B+Tree 来做索引”了。在回答时,你要着眼于 B+Tree 的优势,然后再引入索引原理的查询过程(掌握这些知识点,这个问题其实比较容易回答)。

接下来,我们进入下一个问题:在实际工作中如何查看索引的执行计划。

通过执行计划查看索引使用详情 我这里有一张存储商品信息的演示表 product:

CREATE TABLE `product`  (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `product_no` varchar(20)  DEFAULT NULL,
  `name` varchar(255) DEFAULT NULL,
  `price` decimal(10, 2) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE,
  KEY 'index_name' ('name').
  KEY 'index_id_name' ('id''name')
) CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci

表中包含了主键索引、name 字段上的普通索引,以及 id 和 name 两个字段的联合索引。现在我们来看一条简单查询语句的执行计划:

执行计划

对于执行计划,参数有 possible_keys 字段表示可能用到的索引,key 字段表示实际用的索引,key_len 表示索引的长度,rows 表示扫描的数据行数。

这其中需要你重点关注 type 字段, 表示数据扫描类型,也就是描述了找到所需数据时使用的扫描方式是什么,常见扫描类型的执行效率从低到高的顺序为(考虑到查询效率问题,全表扫描和全索引扫描要尽量避免):

ALL(全表扫描);

index(全索引扫描);

range(索引范围扫描);

ref(非唯一索引扫描);

eq_ref(唯一索引扫描);

const(结果只有一条的主键或唯一索引扫描)。

总的来说,执行计划是研发工程师分析索引详情必会的技能(很多大厂公司招聘 JD 上写着“SQL 语句调优” ),所以你在面试时也要知道执行计划核心参数的含义,如 type。在回答时,也要以重点参数为切入点,再扩展到其他参数,然后再说自己是怎么做 SQL 优化工作的。

索引失效的常见情况

在工作中,我们经常会碰到 SQL 语句不适用已有索引的情况,来看一个索引失效的例子:

这条带有 like 查询的 SQL 语句,没有用到 product 表中的 index_name 索引。

我们结合普通索引的 B+Tree 结构看一下索引失效的原因:当 MySQL 优化器根据 name like ‘%路由器’ 这个条件,到索引 index_name 的 B+Tree 结构上进行查询评估时,发现当前节点的左右子节点上的值都有可能符合 '%路由器' 这个条件,于是优化器判定当前索引需要扫描整个索引,并且还要回表查询,不如直接全表扫描。

当然,还有其他类似的索引失效的情况:

索引列上做了计算、函数、类型转换操作,这些情况下索引失效是因为查询过程需要扫描整个索引并回表,代价高于直接全表扫描;

like 匹配使用了前缀匹配符 '%abc';

字符串不加引号导致类型转换;

我给你的建议是, 如果 MySQL 查询优化器预估走索引的代价比全表扫描的代价还要大,则不走对应的索引,直接全表扫描,如果走索引比全表扫描代价小,则使用索引。

常见优化索引的方法

前缀索引优化

前缀索引就是用某个字段中,字符串的前几个字符建立索引,比如我们可以在订单表上对商品名称字段的前 5 个字符建立索引。使用前缀索引是为了减小索引字段大小,可以增加一个索引页中存储的索引值,有效提高索引的查询速度。在一些大字符串的字段作为索引时,使用前缀索引可以帮助我们减小索引项的大小。

但是,前缀索引有一定的局限性,例如 order by 就无法使用前缀索引,无法把前缀索引用作覆盖索引。

覆盖索引优化

覆盖索引是指 SQL 中 query 的所有字段,在索引 B+tree 的叶子节点上都能找得到的那些索引,从辅助索引中查询得到记录,而不需要通过聚簇索引查询获得。

假设我们只需要查询商品的名称、价格,有什么方式可以避免回表呢?

我们可以建立一个组合索引,即商品ID、名称、价格作为一个组合索引。如果索引中存在这些数据,查询将不会再次检索主键索引,从而避免回表。所以,使用覆盖索引的好处很明显,即不需要查询出包含整行记录的所有信息,也就减少了大量的 I/O 操作。

联合索引

联合索引时,存在最左匹配原则,也就是按照最左优先的方式进行索引的匹配。

比如联合索引 (userpin, username),如果查询条件是 WHERE userpin=1 AND username=2,就可以匹配上联合索引;或者查询条件是 WHERE userpin=1,也能匹配上联合索引,但是如果查询条件是 WHERE username=2,就无法匹配上联合索引。

另外,建立联合索引时的字段顺序,对索引效率也有很大影响。越靠前的字段被用于索引过滤的概率越高,实际开发工作中建立联合索引时,要把区分度大的字段排在前面,这样区分度大的字段越有可能被更多的 SQL 使用到。

区分度就是某个字段 column 不同值的个数除以表的总行数,比如性别的区分度就很小,不适合建立索引或不适合排在联合索引列的靠前的位置,而 uuid 这类字段就比较适合做索引或排在联合索引列的靠前的位置。

总结

主要讲了 MySQL 的索引原理,介绍了 InnoDB 为什么会采用 B+Tree 结构。因为 B+Tree 能够减少单次查询的磁盘访问次数,做到查询效率最大化。另外,我们还讲了如何查看 SQL 的执行计划,从而找到索引失效的问题,并有针对性的做索引优化。


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1、 Mysql索引知识点汇总——面试必会

 我还写了如何让简历更优、分享了去年我秋招拿到诸多大厂的offer的经历,可以来我的主页看看,喜欢点个赞吧~

JerryCodes
爆肝面试,技术剖析

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