Mysql实战(17):如何正确地显示随机消息?

我在上一篇文章,为你讲解完 order by 语句的几种执行模式后,就想到了之前一个做英语学习 App 的朋友碰到过的一个性能问题。今天这篇文章,我就从这个性能问题说起,和你说说 MySQL 中的另外一种排序需求,希望能够加深你对 MySQL 排序逻辑的理解。

这个英语学习 App 首页有一个随机显示单词的功能,也就是根据每个用户的级别有一个单词表,然后这个用户每次访问首页的时候,都会随机滚动显示三个单词。他们发现随着单词表变大,选单词这个逻辑变得越来越慢,甚至影响到了首页的打开速度。

现在,如果让你来设计这个 SQL 语句,你会怎么写呢?

为了便于理解,我对这个例子进行了简化:去掉每个级别的用户都有一个对应的单词表这个逻辑,直接就是从一个单词表中随机选出三个单词。这个表的建表语句和初始数据的命令如下:

mysql> CREATE TABLE `words` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `word` varchar(64) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=0;
  while i<10000 do
    insert into words(word) values(concat(char(97+(i div 1000)), char(97+(i % 1000 div 100)), char(97+(i % 100 div 10)), char(97+(i % 10))));
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;

call idata();

为了便于量化说明,我在这个表里面插入了 10000 行记录。接下来,我们就一起看看要随机选择 3 个单词,有什么方法实现,存在什么问题以及如何改进。

内存临时表

首先,你会想到用 order by rand() 来实现这个逻辑。

mysql> select word from words order by rand() limit 3;

这个语句的意思很直白,随机排序取前 3 个。虽然这个 SQL 语句写法很简单,但执行流程却有点复杂的。

我们先用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。

Extra 字段显示 Using temporary,表示的是需要使用临时表;Using filesort,表示的是需要执行排序操作。

因此这个 Extra 的意思就是,需要临时表,并且需要在临时表上排序。

这里,你可以先回顾一下上一篇文章中全字段排序和 rowid 排序的内容。我把上一篇文章的两个流程图贴过来,方便你复习。

然后,我再问你一个问题,你觉得对于临时内存表的排序来说,它会选择哪一种算法呢?回顾一下上一篇文章的一个结论:对于 InnoDB 表来说,执行全字段排序会减少磁盘访问,因此会被优先选择。

我强调了“InnoDB 表”,你肯定想到了,对于内存表,回表过程只是简单地根据数据行的位置,直接访问内存得到数据,根本不会导致多访问磁盘。优化器没有了这一层顾虑,那么它会优先考虑的,就是用于排序的行越小越好了,所以,MySQL 这时就会选择 rowid 排序。

理解了这个算法选择的逻辑,我们再来看看语句的执行流程。同时,通过今天的这个例子,我们来尝试分析一下语句的扫描行数。

这条语句的执行流程是这样的:

  1. 创建一个临时表。这个临时表使用的是 memory 引擎,表里有两个字段,第一个字段是 double 类型,为了后面描述方便,记为字段 R,第二个字段是 varchar(64) 类型,记为字段 W。并且,这个表没有建索引。

  2. 从 words 表中,按主键顺序取出所有的 word 值。对于每一个 word 值,调用 rand() 函数生成一个大于 0 小于 1 的随机小数,并把这个随机小数和 word 分别存入临时表的 R 和 W 字段中,到此,扫描行数是 10000。

  3. 现在临时表有 10000 行数据了,接下来你要在这个没有索引的内存临时表上,按照字段 R 排序。

  4. 初始化 sort_buffer。sort_buffer 中有两个字段,一个是 double 类型,另一个是整型。

  5. 从内存临时表中一行一行地取出 R 值和位置信息(我后面会和你解释这里为什么是“位置信息”),分别存入 sort_buffer 中的两个字段里。这个过程要对内存临时表做全表扫描,此时扫描行数增加 10000,变成了 20000。

  6. 在 sort_buffer 中根据 R 的值进行排序。注意,这个过程没有涉及到表操作,所以不会增加扫描行数。

  7. 排序完成后,取出前三个结果的位置信息,依次到内存临时表中取出 word 值,返回给客户端。这个过程中,访问了表的三行数据,总扫描行数变成了 20003。

接下来,我们通过慢查询日志(slow log)来验证一下我们分析得到的扫描行数是否正确。

# Query_time: 0.900376  Lock_time: 0.000347 Rows_sent: 3 Rows_examined: 20003
SET timestamp=1541402277;
select word from words order by rand() limit 3;

其中,Rows_examined:20003 就表示这个语句执行过程中扫描了 20003 行,也就验证了我们分析得出的结论。

这里插一句题外话,在平时学习概念的过程中,你可以经常这样做,先通过原理分析算出扫描行数,然后再通过查看慢查询日志,来验证自己的结论。我自己就是经常这么做,这个过程很有趣,分析对了开心,分析错了但是弄清楚了也很开心。

现在,我来把完整的排序执行流程图画出来。

图中的 pos 就是位置信息,你可能会觉得奇怪,这里的“位置信息”是个什么概念?在上一篇文章中,我们对 InnoDB 表排序的时候,明明用的还是 ID 字段。

这时候,我们就要回到一个基本概念:MySQL 的表是用什么方法来定位“一行数据”的

在前面第 4第 5篇介绍索引的文章中,有几位同学问到,如果把一个 InnoDB 表的主键删掉,是不是就没有主键,就没办法回表了?

其实不是的。如果你创建的表没有主键,或者把一个表的主键删掉了,那么 InnoDB 会自己生成一个长度为 6 字节的 rowid 来作为主键。

这也就是排序模式里面,rowid 名字的来历。实际上它表示的是:每个引擎用来唯一标识数据行的信息。

  • 对于有主键的 InnoDB 表来说,这个 rowid 就是主键 ID;

  • 对于没有主键的 InnoDB 表来说,这个 rowid 就是由系统生成的;

  • MEMORY 引擎不是索引组织表。在这个例子里面,你可以认为它就是一个数组。因此,这个 rowid 其实就是数组的下标。

到这里,我来稍微小结一下:order by rand() 使用了内存临时表,内存临时表排序的时候使用了 rowid 排序方法

磁盘临时表

那么,是不是所有的临时表都是内存表呢?

其实不是的。tmp_table_size 这个配置限制了内存临时表的大小,默认值是 16M。如果临时表大小超过了 tmp_table_size,那么内存临时表就会转成磁盘临时表。

磁盘临时表使用的引擎默认是 InnoDB,是由参数 internal_tmp_disk_storage_engine 控制的。

当使用磁盘临时表的时候,对应的就是一个没有显式索引的 InnoDB 表的排序过程。

为了复现这个过程,我把 tmp_table_size 设置成 1024,把 sort_buffer_size 设置成 32768, 把 max_length_for_sort_data 设置成 16。

set tmp_table_size=1024;
set sort_buffer_size=32768;
set max_length_for_sort_data=16;
/* 打开 optimizer_trace,只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on'; 

/* 执行语句 */
select word from words order by rand() limit 3;

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

然后,我们来看一下这次 OPTIMIZER_TRACE 的结果。

因为将 max_length_for_sort_data 设置成 16,小于 word 字段的长度定义,所以我们看到 sort_mode 里面显示的是 rowid 排序,这个是符合预期的,参与排序的是随机值 R 字段和 rowid 字段组成的行。

这时候你可能心算了一下,发现不对。R 字段存放的随机值就 8 个字节,rowid 是 6 个字节(至于为什么是 6 字节,就留给你课后思考吧),数据总行数是 10000,这样算出来就有 140000 字节,超过了 sort_buffer_size 定义的 32768 字节了。但是,number_of_tmp_files 的值居然是 0,难道不需要用临时文件吗?

这个 SQL 语句的排序确实没有用到临时文件,采用是 MySQL 5.6 版本引入的一个新的排序算法,即:优先队列排序算法。接下来,我们就看看为什么没有使用临时文件的算法,也就是归并排序算法,而是采用了优先队列排序算法。

其实,我们现在的 SQL 语句,只需要取 R 值最小的 3 个 rowid。但是,如果使用归并排序算法的话,虽然最终也能得到前 3 个值,但是这个算法结束后,已经将 10000 行数据都排好序了。

也就是说,后面的 9997 行也是有序的了。但,我们的查询并不需要这些数据是有序的。所以,想一下就明白了,这浪费了非常多的计算量。

而优先队列算法,就可以精确地只得到三个最小值,执行流程如下:

  1. 对于这 10000 个准备排序的 (R,rowid),先取前三行,构造成一个堆;(对数据结构印象模糊的同学,可以先设想成这是一个由三个元素组成的数组)

  2. 取下一个行 (R’,rowid’),跟当前堆里面最大的 R 比较,如果 R’小于 R,把这个 (R,rowid) 从堆中去掉,换成 (R’,rowid’);

  3. 重复第 2 步,直到第 10000 个 (R’,rowid’) 完成比较。

这里我简单画了一个优先队列排序过程的示意图。

图 6 是模拟 6 个 (R,rowid) 行,通过优先队列排序找到最小的三个 R 值的行的过程。整个排序过程中,为了最快地拿到当前堆的最大值,总是保持最大值在堆顶,因此这是一个最大堆。

图 5 的 OPTIMIZER_TRACE 结果中,filesort_priority_queue_optimization 这个部分的 chosen=true,就表示使用了优先队列排序算法,这个过程不需要临时文件,因此对应的 number_of_tmp_files 是 0。

这个流程结束后,我们构造的堆里面,就是这个 10000 行里面 R 值最小的三行。然后,依次把它们的 rowid 取出来,去临时表里面拿到 word 字段,这个过程就跟上一篇文章的 rowid 排序的过程一样了。

我们再看一下上面一篇文章的 SQL 查询语句:

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

你可能会问,这里也用到了 limit,为什么没用优先队列排序算法呢?原因是,这条 SQL 语句是 limit 1000,如果使用优先队列算法的话,需要维护的堆的大小就是 1000 行的 (name,rowid),超过了我设置的 sort_buffer_size 大小,所以只能使用归并排序算法。

总之,不论是使用哪种类型的临时表,order by rand() 这种写法都会让计算过程非常复杂,需要大量的扫描行数,因此排序过程的资源消耗也会很大。

再回到我们文章开头的问题,怎么正确地随机排序呢?

随机排序方法

我们先把问题简化一下,如果只随机选择 1 个 word 值,可以怎么做呢?思路上是这样的:

  1. 取得这个表的主键 id 的最大值 M 和最小值 N;

  2. 用随机函数生成一个最大值到最小值之间的数 X = (M-N)*rand() + N;

  3. 取不小于 X 的第一个 ID 的行。

我们把这个算法,暂时称作随机算法 1。这里,我直接给你贴一下执行语句的序列:

mysql> select max(id),min(id) into @M,@N from t ;
set @X= floor((@M-@N+1)*rand() + @N);
select * from t where id >= @X limit 1;

这个方法效率很高,因为取 max(id) 和 min(id) 都是不需要扫描索引的,而第三步的 select 也可以用索引快速定位,可以认为就只扫描了 3 行。但实际上,这个算法本身并不严格满足题目的随机要求,因为 ID 中间可能有空洞,因此选择不同行的概率不一样,不是真正的随机。

比如你有 4 个 id,分别是 1、2、4、5,如果按照上面的方法,那么取到 id=4 的这一行的概率是取得其他行概率的两倍。

如果这四行的 id 分别是 1、2、40000、40001 呢?这个算法基本就能当 bug 来看待了。

所以,为了得到严格随机的结果,你可以用下面这个流程:

  1. 取得整个表的行数,并记为 C。

  2. 取得 Y = floor(C * rand())。 floor 函数在这里的作用,就是取整数部分。

  3. 再用 limit Y,1 取得一行。

我们把这个算法,称为随机算法 2。下面这段代码,就是上面流程的执行语句的序列。

mysql> select count(*) into @C from t;
set @Y = floor(@C * rand());
set @sql = concat("select * from t limit ", @Y, ",1");
prepare stmt from @sql;
execute stmt;
DEALLOCATE prepare stmt;

由于 limit 后面的参数不能直接跟变量,所以我在上面的代码中使用了 prepare+execute 的方法。你也可以把拼接 SQL 语句的方法写在应用程序中,会更简单些。

这个随机算法 2,解决了算法 1 里面明显的概率不均匀问题。

MySQL 处理 limit Y,1 的做法就是按顺序一个一个地读出来,丢掉前 Y 个,然后把下一个记录作为返回结果,因此这一步需要扫描 Y+1 行。再加上,第一步扫描的 C 行,总共需要扫描 C+Y+1 行,执行代价比随机算法 1 的代价要高。

当然,随机算法 2 跟直接 order by rand() 比起来,执行代价还是小很多的。

你可能问了,如果按照这个表有 10000 行来计算的话,C=10000,要是随机到比较大的 Y 值,那扫描行数也跟 20000 差不多了,接近 order by rand() 的扫描行数,为什么说随机算法 2 的代价要小很多呢?我就把这个问题留给你去课后思考吧。

现在,我们再看看,如果我们按照随机算法 2 的思路,要随机取 3 个 word 值呢?你可以这么做:

  1. 取得整个表的行数,记为 C;

  2. 根据相同的随机方法得到 Y1、Y2、Y3;

  3. 再执行三个 limit Y, 1 语句得到三行数据。

我们把这个算法,称作随机算法 3。下面这段代码,就是上面流程的执行语句的序列。

mysql> select count(*) into @C from t;
set @Y1 = floor(@C * rand());
set @Y2 = floor(@C * rand());
set @Y3 = floor(@C * rand());
select * from t limit @Y1,1; //在应用代码里面取Y1、Y2、Y3值,拼出SQL后执行
select * from t limit @Y2,1;
select * from t limit @Y3,1;

小结

今天这篇文章,我是借着随机排序的需求,跟你介绍了 MySQL 对临时表排序的执行过程。

如果你直接使用 order by rand(),这个语句需要 Using temporary 和 Using filesort,查询的执行代价往往是比较大的。所以,在设计的时候你要尽量避开这种写法。

今天的例子里面,我们不是仅仅在数据库内部解决问题,还会让应用代码配合拼接 SQL 语句。在实际应用的过程中,比较规范的用法就是:尽量将业务逻辑写在业务代码中,让数据库只做“读写数据”的事情。因此,这类方法的应用还是比较广泛的。

最后,我给你留下一个思考题吧。

上面的随机算法 3 的总扫描行数是 C+(Y1+1)+(Y2+1)+(Y3+1),实际上它还是可以继续优化,来进一步减少扫描行数的。

我的问题是,如果你是这个需求的开发人员,你会怎么做,来减少扫描行数呢?说说你的方案,并说明你的方案需要的扫描行数。

上期问题时间

我在上一篇文章最后留给你的问题是,select * from t where city in (“杭州”," 苏州 ") order by name limit 100; 这个 SQL 语句是否需要排序?有什么方案可以避免排序?

虽然有 (city,name) 联合索引,对于单个 city 内部,name 是递增的。但是由于这条 SQL 语句不是要单独地查一个 city 的值,而是同时查了"杭州"和" 苏州 "两个城市,因此所有满足条件的 name 就不是递增的了。也就是说,这条 SQL 语句需要排序。

那怎么避免排序呢?

这里,我们要用到 (city,name) 联合索引的特性,把这一条语句拆成两条语句,执行流程如下:

  1. 执行 select * from t where city=“杭州” order by name limit 100; 这个语句是不需要排序的,客户端用一个长度为 100 的内存数组 A 保存结果。

  2. 执行 select * from t where city=“苏州” order by name limit 100; 用相同的方法,假设结果被存进了内存数组 B。

  3. 现在 A 和 B 是两个有序数组,然后你可以用归并排序的思想,得到 name 最小的前 100 值,就是我们需要的结果了。

如果把这条 SQL 语句里“limit 100”改成“limit 10000,100”的话,处理方式其实也差不多,即:要把上面的两条语句改成写:

select * from t where city="杭州" order by name limit 10100; 

 select * from t where city="苏州" order by name limit 10100。

这时候数据量较大,可以同时起两个连接一行行读结果,用归并排序算法拿到这两个结果集里,按顺序取第 10001~10100 的 name 值,就是需要的结果了。

当然这个方案有一个明显的损失,就是从数据库返回给客户端的数据量变大了。

所以,如果数据的单行比较大的话,可以考虑把这两条 SQL 语句改成下面这种写法:

select id,name from t where city="杭州" order by name limit 10100; 


select id,name from t where city="苏州" order by name limit 10100。

然后,再用归并排序的方法取得按 name 顺序第 10001~10100 的 name、id 的值,然后拿着这 100 个 id 到数据库中去查出所有记录。

上面这些方法,需要你根据性能需求和开发的复杂度做出权衡。

转载自:https://time.geekbang.org/column/article/73795



end
  • 作者:JJ(联系作者)
  • 发表时间:2021-02-27 12:57
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