Mysql实战(16):“order by”是怎么工作的?

在你开发应用的时候,一定会经常碰到需要根据指定的字段排序来显示结果的需求。还是以我们前面举例用过的市民表为例,假设你要查询城市是“杭州”的所有人名字,并且按照姓名排序返回前 1000 个人的姓名、年龄。

假设这个表的部分定义是这样的:

CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `city` varchar(16) NOT NULL,
  `name` varchar(16) NOT NULL,
  `age` int(11) NOT NULL,
  `addr` varchar(128) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `city` (`city`)
) ENGINE=InnoDB;

这时,你的 SQL 语句可以这么写:

select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000  ;

这个语句看上去逻辑很清晰,但是你了解它的执行流程吗?今天,我就和你聊聊这个语句是怎么执行的,以及有什么参数会影响执行的行为。

全字段排序

前面我们介绍过索引,所以你现在就很清楚了,为避免全表扫描,我们需要在 city 字段加上索引。

在 city 字段上创建索引之后,我们用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。

Extra 这个字段中的“Using filesort”表示的就是需要排序,MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序,称为 sort_buffer。

为了说明这个 SQL 查询语句的执行过程,我们先来看一下 city 这个索引的示意图。

从图中可以看到,满足 city='杭州’条件的行,是从 ID_X 到 ID_(X+N) 的这些记录。

通常情况下,这个语句执行流程如下所示 :

  1. 初始化 sort_buffer,确定放入 name、city、age 这三个字段;

  2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id,也就是图中的 ID_X;

  3. 到主键 id 索引取出整行,取 name、city、age 三个字段的值,存入 sort_buffer 中;

  4. 从索引 city 取下一个记录的主键 id;

  5. 重复步骤 3、4 直到 city 的值不满足查询条件为止,对应的主键 id 也就是图中的 ID_Y;

  6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 做快速排序;

  7. 按照排序结果取前 1000 行返回给客户端。

我们暂且把这个排序过程,称为全字段排序,执行流程的示意图如下所示,下一篇文章中我们还会用到这个排序。

图中“按 name 排序”这个动作,可能在内存中完成,也可能需要使用外部排序,这取决于排序所需的内存和参数 sort_buffer_size。

sort_buffer_size,就是 MySQL 为排序开辟的内存(sort_buffer)的大小。如果要排序的数据量小于 sort_buffer_size,排序就在内存中完成。但如果排序数据量太大,内存放不下,则不得不利用磁盘临时文件辅助排序。

你可以用下面介绍的方法,来确定一个排序语句是否使用了临时文件。

/* 打开optimizer_trace,只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on'; 

/* @a保存Innodb_rows_read的初始值 */
select VARIABLE_VALUE into @a from  performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';

/* 执行语句 */
select city, name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000; 

/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G

/* @b保存Innodb_rows_read的当前值 */
select VARIABLE_VALUE into @b from performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';

/* 计算Innodb_rows_read差值 */
select @b-@a;

这个方法是通过查看 OPTIMIZER_TRACE 的结果来确认的,你可以从 number_of_tmp_files 中看到是否使用了临时文件。

number_of_tmp_files 表示的是,排序过程中使用的临时文件数。你一定奇怪,为什么需要 12 个文件?内存放不下时,就需要使用外部排序,外部排序一般使用归并排序算法。可以这么简单理解,MySQL 将需要排序的数据分成 12 份,每一份单独排序后存在这些临时文件中。然后把这 12 个有序文件再合并成一个有序的大文件

如果 sort_buffer_size 超过了需要排序的数据量的大小,number_of_tmp_files 就是 0,表示排序可以直接在内存中完成。

否则就需要放在临时文件中排序。sort_buffer_size 越小,需要分成的份数越多,number_of_tmp_files 的值就越大。

接下来,我再和你解释一下图 4 中其他两个值的意思。

我们的示例表中有 4000 条满足 city='杭州’的记录,所以你可以看到 examined_rows=4000,表示参与排序的行数是 4000 行。

sort_mode 里面的 packed_additional_fields 的意思是,排序过程对字符串做了“紧凑”处理。即使 name 字段的定义是 varchar(16),在排序过程中还是要按照实际长度来分配空间的。

同时,最后一个查询语句 select @b-@a 的返回结果是 4000,表示整个执行过程只扫描了 4000 行。

这里需要注意的是,为了避免对结论造成干扰,我把 internal_tmp_disk_storage_engine 设置成 MyISAM。否则,select @b-@a 的结果会显示为 4001。

这是因为查询 OPTIMIZER_TRACE 这个表时,需要用到临时表,而 internal_tmp_disk_storage_engine 的默认值是 InnoDB。如果使用的是 InnoDB 引擎的话,把数据从临时表取出来的时候,会让 Innodb_rows_read 的值加 1。

rowid 排序

在上面这个算法过程里面,只对原表的数据读了一遍,剩下的操作都是在 sort_buffer 和临时文件中执行的。但这个算法有一个问题,就是如果查询要返回的字段很多的话,那么 sort_buffer 里面要放的字段数太多,这样内存里能够同时放下的行数很少,要分成很多个临时文件,排序的性能会很差。

所以如果单行很大,这个方法效率不够好。

那么,如果 MySQL 认为排序的单行长度太大会怎么做呢

接下来,我来修改一个参数,让 MySQL 采用另外一种算法。

SET max_length_for_sort_data = 16;

max_length_for_sort_data,是 MySQL 中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数。它的意思是,如果单行的长度超过这个值,MySQL 就认为单行太大,要换一个算法。

city、name、age 这三个字段的定义总长度是 36,我把 max_length_for_sort_data 设置为 16,我们再来看看计算过程有什么改变。

新的算法放入 sort_buffer 的字段,只有要排序的列(即 name 字段)和主键 id。

但这时,排序的结果就因为少了 city 和 age 字段的值,不能直接返回了,整个执行流程就变成如下所示的样子:

  1. 初始化 sort_buffer,确定放入两个字段,即 name 和 id;

  2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id,也就是图中的 ID_X;

  3. 到主键 id 索引取出整行,取 name、id 这两个字段,存入 sort_buffer 中;

  4. 从索引 city 取下一个记录的主键 id;

  5. 重复步骤 3、4 直到不满足 city='杭州’条件为止,也就是图中的 ID_Y;

  6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 进行排序;

  7. 遍历排序结果,取前 1000 行,并按照 id 的值回到原表中取出 city、name 和 age 三个字段返回给客户端。

这个执行流程的示意图如下,我把它称为 rowid 排序。

对比图 3 的全字段排序流程图你会发现,rowid 排序多访问了一次表 t 的主键索引,就是步骤 7。

需要说明的是,最后的“结果集”是一个逻辑概念,实际上 MySQL 服务端从排序后的 sort_buffer 中依次取出 id,然后到原表查到 city、name 和 age 这三个字段的结果,不需要在服务端再耗费内存存储结果,是直接返回给客户端的。

根据这个说明过程和图示,你可以想一下,这个时候执行 select @b-@a,结果会是多少呢?

现在,我们就来看看结果有什么不同。

首先,图中的 examined_rows 的值还是 4000,表示用于排序的数据是 4000 行。但是 select @b-@a 这个语句的值变成 5000 了。

因为这时候除了排序过程外,在排序完成后,还要根据 id 去原表取值。由于语句是 limit 1000,因此会多读 1000 行。

从 OPTIMIZER_TRACE 的结果中,你还能看到另外两个信息也变了。

  • sort_mode 变成了 ,表示参与排序的只有 name 和 id 这两个字段。

  • number_of_tmp_files 变成 10 了,是因为这时候参与排序的行数虽然仍然是 4000 行,但是每一行都变小了,因此需要排序的总数据量就变小了,需要的临时文件也相应地变少了。

全字段排序 VS rowid 排序

我们来分析一下,从这两个执行流程里,还能得出什么结论。

如果 MySQL 实在是担心排序内存太小,会影响排序效率,才会采用 rowid 排序算法,这样排序过程中一次可以排序更多行,但是需要再回到原表去取数据。

如果 MySQL 认为内存足够大,会优先选择全字段排序,把需要的字段都放到 sort_buffer 中,这样排序后就会直接从内存里面返回查询结果了,不用再回到原表去取数据。

这也就体现了 MySQL 的一个设计思想:如果内存够,就要多利用内存,尽量减少磁盘访问

对于 InnoDB 表来说,rowid 排序会要求回表多造成磁盘读,因此不会被优先选择。

这个结论看上去有点废话的感觉,但是你要记住它,下一篇文章我们就会用到。

看到这里,你就了解了,MySQL 做排序是一个成本比较高的操作。那么你会问,是不是所有的 order by 都需要排序操作呢?如果不排序就能得到正确的结果,那对系统的消耗会小很多,语句的执行时间也会变得更短。

其实,并不是所有的 order by 语句,都需要排序操作的。从上面分析的执行过程,我们可以看到,MySQL 之所以需要生成临时表,并且在临时表上做排序操作,其原因是原来的数据都是无序的

你可以设想下,如果能够保证从 city 这个索引上取出来的行,天然就是按照 name 递增排序的话,是不是就可以不用再排序了呢?

确实是这样的。

所以,我们可以在这个市民表上创建一个 city 和 name 的联合索引,对应的 SQL 语句是:

alter table t add index city_user(city, name);

作为与 city 索引的对比,我们来看看这个索引的示意图。

在这个索引里面,我们依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足 city='杭州’的记录,并且额外确保了,接下来按顺序取“下一条记录”的遍历过程中,只要 city 的值是杭州,name 的值就一定是有序的。

这样整个查询过程的流程就变成了:

  1. 从索引 (city,name) 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id;

  2. 到主键 id 索引取出整行,取 name、city、age 三个字段的值,作为结果集的一部分直接返回;

  3. 从索引 (city,name) 取下一个记录主键 id;

  4. 重复步骤 2、3,直到查到第 1000 条记录,或者是不满足 city='杭州’条件时循环结束。

可以看到,这个查询过程不需要临时表,也不需要排序。接下来,我们用 explain 的结果来印证一下。

从图中可以看到,Extra 字段中没有 Using filesort 了,也就是不需要排序了。而且由于 (city,name) 这个联合索引本身有序,所以这个查询也不用把 4000 行全都读一遍,只要找到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了。也就是说,在我们这个例子里,只需要扫描 1000 次。

既然说到这里了,我们再往前讨论,这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢?不知道你还记不记得,我在第 5 篇文章《 深入浅出索引(下)》中,和你介绍的覆盖索引。

这里我们可以再稍微复习一下。覆盖索引是指,索引上的信息足够满足查询请求,不需要再回到主键索引上去取数据

按照覆盖索引的概念,我们可以再优化一下这个查询语句的执行流程。

针对这个查询,我们可以创建一个 city、name 和 age 的联合索引,对应的 SQL 语句就是:

alter table t add index city_user_age(city, name, age);

这时,对于 city 字段的值相同的行来说,还是按照 name 字段的值递增排序的,此时的查询语句也就不再需要排序了。这样整个查询语句的执行流程就变成了:

  1. 从索引 (city,name,age) 找到第一个满足 city='杭州’条件的记录,取出其中的 city、name 和 age 这三个字段的值,作为结果集的一部分直接返回;

  2. 从索引 (city,name,age) 取下一个记录,同样取出这三个字段的值,作为结果集的一部分直接返回;

  3. 重复执行步骤 2,直到查到第 1000 条记录,或者是不满足 city='杭州’条件时循环结束。

然后,我们再来看看 explain 的结果。

可以看到,Extra 字段里面多了“Using index”,表示的就是使用了覆盖索引,性能上会快很多。

当然,这里并不是说要为了每个查询能用上覆盖索引,就要把语句中涉及的字段都建上联合索引,毕竟索引还是有维护代价的。这是一个需要权衡的决定。

小结

今天这篇文章,我和你介绍了 MySQL 里面 order by 语句的几种算法流程。

在开发系统的时候,你总是不可避免地会使用到 order by 语句。你心里要清楚每个语句的排序逻辑是怎么实现的,还要能够分析出在最坏情况下,每个语句的执行对系统资源的消耗,这样才能做到下笔如有神,不犯低级错误。

最后,我给你留下一个思考题吧。

假设你的表里面已经有了 city_name(city, name) 这个联合索引,然后你要查杭州和苏州两个城市中所有的市民的姓名,并且按名字排序,显示前 100 条记录。如果 SQL 查询语句是这么写的 :

mysql> select * from t where city in ('杭州',"苏州") order by name limit 100;

那么,这个语句执行的时候会有排序过程吗,为什么?

如果业务端代码由你来开发,需要实现一个在数据库端不需要排序的方案,你会怎么实现呢?

进一步地,如果有分页需求,要显示第 101 页,也就是说语句最后要改成 “limit 10000,100”, 你的实现方法又会是什么呢?

上期问题时间

上期的问题是,当 MySQL 去更新一行,但是要修改的值跟原来的值是相同的,这时候 MySQL 会真的去执行一次修改吗?还是看到值相同就直接返回呢?

这是第一次我们课后问题的三个选项都有同学选的,所以我要和你需要详细说明一下。

第一个选项是,MySQL 读出数据,发现值与原来相同,不更新,直接返回,执行结束。这里我们可以用一个锁实验来确认。

假设,当前表 t 里的值是 (1,2)。

session B 的 update 语句被 blocked 了,加锁这个动作是 InnoDB 才能做的,所以排除选项 1。

第二个选项是,MySQL 调用了 InnoDB 引擎提供的接口,但是引擎发现值与原来相同,不更新,直接返回。有没有这种可能呢?这里我用一个可见性实验来确认。

假设当前表里的值是 (1,2)。

session A 的第二个 select 语句是一致性读(快照读),它是不能看见 session B 的更新的。

现在它返回的是 (1,3),表示它看见了某个新的版本,这个版本只能是 session A 自己的 update 语句做更新的时候生成。(如果你对这个逻辑有疑惑的话,可以回顾下第 8 篇文章《事务到底是隔离的还是不隔离的?》中的相关内容)

所以,我们上期思考题的答案应该是选项 3,即:InnoDB 认真执行了“把这个值修改成 (1,2)"这个操作,该加锁的加锁,该更新的更新。

然后你会说,MySQL 怎么这么笨,就不会更新前判断一下值是不是相同吗?如果判断一下,不就不用浪费 InnoDB 操作,多去更新一次了?

其实 MySQL 是确认了的。只是在这个语句里面,MySQL 认为读出来的值,只有一个确定的 (id=1), 而要写的是 (a=3),只从这两个信息是看不出来“不需要修改”的。

作为验证,你可以看一下下面这个例子。

补充说明:

上面我们的验证结果都是在 binlog_format=statement 格式下进行的。

@didiren 补充了一个 case, 如果是 binlog_format=row 并且 binlog_row_image=FULL 的时候,由于 MySQL 需要在 binlog 里面记录所有的字段,所以在读数据的时候就会把所有数据都读出来了。

根据上面说的规则,“既然读了数据,就会判断”, 因此在这时候,select * from t where id=1,结果就是“返回 (1,2)”。

同理,如果是 binlog_row_image=NOBLOB, 会读出除 blob 外的所有字段,在我们这个例子里,结果还是“返回 (1,2)”。

对应的代码如图 15 所示。这是 MySQL 5.6 版本引入的,在此之前我没有看过。所以,特此说明。

类似的,@mahonebags 同学提到了 timestamp 字段的问题。结论是:如果表中有 timestamp 字段而且设置了自动更新的话,那么更新“别的字段”的时候,MySQL 会读入所有涉及的字段,这样通过判断,就会发现不需要修改。

这两个点我会在后面讲更新性能的文章中再展开。

转载自:https://time.geekbang.org/column/article/73479



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  • 作者:JJ(联系作者)
  • 发表时间:2021-02-26 10:59
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