引言

索引是Mysql的一塊硬骨頭，但是對(duì)于程序猿來說又是十分重要的基礎(chǔ)技能。在平常的項(xiàng)目開發(fā)中，它是重要的SQL優(yōu)化手段。在求職面試中，它是面試官常常用來考察求職者數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化方面的重要考量。因此透徹的掌握索引原理，并能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到數(shù)據(jù)庫查詢實(shí)戰(zhàn)是每個(gè)程序猿必備的能力。本文將從索引原理、索引設(shè)計(jì)原則方面闡述Mysql索引。相信閱讀完本文之后，在Mysql索引查詢數(shù)據(jù)理解這塊完全可以征服阿里面試官。準(zhǔn)備好了嗎？我們發(fā)車了。

索引原理

在進(jìn)行索引設(shè)計(jì)以及優(yōu)化之前，我們先深入理解下索引的原理。因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)以及優(yōu)化一定是建立在你對(duì)原理的透徹理解的基礎(chǔ)上。

很多人都知道，在進(jìn)行SQL查詢時(shí)，同樣一張表、同樣的數(shù)據(jù)。不加索引以及加索引進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。兩者差別很多。那么到底是為什么有這種差距。簡(jiǎn)單來說，如果把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)比作為一本字典的話，那么索引就是這本字典的目錄。如果我讓你查一個(gè)字，在你不使用目錄查的時(shí)候，那只能一頁一頁的翻，運(yùn)氣不好的話可能要翻到最后一頁才能查到想要的字，這就是傳說中的全表掃描。但是如果我們通過目錄來查找，那么可以很快定位字所在頁，進(jìn)而查找到對(duì)應(yīng)的字。看到了吧，索引的威力就在于提高數(shù)據(jù)查詢的效率。好了，現(xiàn)在我們對(duì)于索引有了感性的認(rèn)識(shí)。那么我們接下來就深入了解下。

我們都知道在Mysql中索引的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是B+樹（這里不再說明B樹、Hash索引等結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，不是本文的重點(diǎn)），那么我們就一步一步來看看，索引在磁盤中的B+樹是怎么長(zhǎng)成的。

1、數(shù)據(jù)頁

在日常的項(xiàng)目開發(fā)中，我們的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)大部分都存在關(guān)系型數(shù)據(jù)中。那么數(shù)據(jù)庫中各個(gè)表中的數(shù)據(jù)最終也都是存儲(chǔ)在服務(wù)器的硬盤當(dāng)中的。不知道大家有沒有想過這個(gè)數(shù)據(jù)到底是怎么存儲(chǔ)的呢？實(shí)際上Mysql數(shù)據(jù)庫中我們每天都在使用的數(shù)據(jù)庫表是對(duì)于人來理解的邏輯表。它實(shí)際在磁盤當(dāng)中是通過一頁頁的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行存儲(chǔ)的。數(shù)據(jù)頁是磁盤與內(nèi)存交互的基本單位，Mysql的Innodb存儲(chǔ)引擎，實(shí)際通過buffer pool與磁盤中的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行交互，而不是直接操作磁盤中的數(shù)據(jù)頁。數(shù)據(jù)頁的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

同時(shí)相鄰的數(shù)據(jù)頁之間通過雙向鏈表來維護(hù)數(shù)據(jù)頁之間的相互引用。如下圖所示，橙紅色部分即為數(shù)據(jù)頁，中間的小框框可以理解為一條條具體的數(shù)據(jù)。Mysql的InnoDB存儲(chǔ)引擎數(shù)據(jù)頁大小是16KB。Mysql的Innodb存儲(chǔ)引擎通過頁號(hào)來唯一定位一個(gè)數(shù)據(jù)頁，因此每個(gè)數(shù)據(jù)頁都有自己的頁號(hào)。通過上圖可知，每個(gè)數(shù)據(jù)頁都有都有對(duì)應(yīng)的Page Header，在Page Header中保存了當(dāng)前數(shù)據(jù)頁的頁號(hào)，以及其下一頁的頁號(hào)和上一頁的頁號(hào)。

相鄰的數(shù)據(jù)之間通過指針進(jìn)行互相引用，指針標(biāo)注數(shù)據(jù)頁的頁號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)頁中存儲(chǔ)了連續(xù)的一段數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)行中的記錄頭部存有下一行記錄真實(shí)數(shù)據(jù)的地址偏移量，簡(jiǎn)單理解為擁有指針指向下一行數(shù)據(jù)的地址。因此在數(shù)據(jù)頁的內(nèi)部，實(shí)際是關(guān)于數(shù)據(jù)行的單向鏈表。這個(gè)單向鏈表是關(guān)于主鍵id的，從小到大進(jìn)行排列。

從上述的數(shù)據(jù)頁結(jié)構(gòu)可知，每次進(jìn)行數(shù)據(jù)插入時(shí)User Records區(qū)域就會(huì)變大，相應(yīng)的的User Record區(qū)域就會(huì)減少。當(dāng)User Record區(qū)域消耗完之后，就會(huì)發(fā)生頁分裂，形成新的數(shù)據(jù)頁。這里需要注意的是，如果我們使用的是Mysql中的自增主鍵，那么可以保證按照id的增長(zhǎng)順序進(jìn)行數(shù)據(jù)行排列，但是如果主鍵是我們自己設(shè)置的并不是自增長(zhǎng)的，那么有可能出現(xiàn)后面插入的數(shù)據(jù)的主鍵值小于前面數(shù)據(jù)的主鍵值，那么在進(jìn)行頁分裂的時(shí)候，Mysql會(huì)按照主鍵大小重新進(jìn)行排列。此處不知道大家有沒有疑問，為什么一定要按照主鍵大小進(jìn)行排列呢？實(shí)際上和后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢有關(guān)系，數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)按照主鍵順序進(jìn)行排列是索引可以正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。大致的過程如下圖所示：

2、頁目錄

每個(gè)數(shù)據(jù)頁都有自己的頁目錄上面頁結(jié)構(gòu)中的Page Directory，這個(gè)頁目錄的作用實(shí)際上就是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)行定位的。數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)實(shí)際上是按組分配的，頁目錄中的不同的槽位，其實(shí)是對(duì)應(yīng)了數(shù)據(jù)頁中的不同的分組，查詢數(shù)據(jù)時(shí)，通過id找到對(duì)應(yīng)的槽，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的槽來知道對(duì)應(yīng)在數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)行分組，遍歷數(shù)據(jù)行分組中的數(shù)據(jù)直到找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3、索引原理分析

（1）索引基礎(chǔ)

有了上面兩節(jié)的數(shù)據(jù)頁的基礎(chǔ)知識(shí)之后，我們?cè)賮硖接懰饕砭透尤菀桌斫饬恕Ｔ跊]有索引時(shí)，數(shù)據(jù)查詢都是進(jìn)行全表掃描。遍歷查詢數(shù)據(jù)頁中的每個(gè)數(shù)據(jù)行，再遍歷所有的數(shù)據(jù)頁，知道找到符合條件的數(shù)據(jù)項(xiàng)。因此查詢效率十分的低下。那么應(yīng)該怎么才能提供數(shù)據(jù)查詢的效率呢？能不能像字典的目錄一樣，也搞個(gè)主鍵目錄來進(jìn)行數(shù)據(jù)頁號(hào)的定位呢？答案是肯定的，Mysql實(shí)際也正是這么做的。Mysql通過主鍵目錄實(shí)際就是傳說中的主鍵索引，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢優(yōu)化。在主鍵目錄中包含了兩個(gè)重要元素，一個(gè)是數(shù)據(jù)頁中最小的主鍵，另一個(gè)是當(dāng)前數(shù)據(jù)頁的頁號(hào)。這樣可以通過這個(gè)主鍵目錄方面的進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

舉個(gè)栗子，如果此時(shí)想要查詢主鍵id=5的數(shù)據(jù)，那么首先在主鍵目錄中進(jìn)行查找。此時(shí)發(fā)現(xiàn)主鍵id=5大于主鍵id=1，但是又小于id=8，那么就可以確定實(shí)際上數(shù)據(jù)實(shí)際是在頁號(hào)為1的數(shù)據(jù)頁中的。

當(dāng)然在實(shí)際在Mysql中會(huì)有很多的數(shù)據(jù)頁，因此對(duì)應(yīng)的主鍵索引也會(huì)很多，那么此時(shí)就需要通過二分查找的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)頁定位，再查找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2）索引頁

如今當(dāng)下，各個(gè)互聯(lián)網(wǎng)公司迅猛發(fā)展，對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)量也是十分巨大。因此數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量也是十分龐大的。表中的數(shù)據(jù)幾百萬、上千萬可能很常見，按照上述的主鍵目錄，那么就需要存儲(chǔ)大量的主鍵與數(shù)據(jù)頁號(hào)。即便是進(jìn)行二分查找，其數(shù)據(jù)查詢效率也是比較低的。

Mysql實(shí)際是將索引說句存儲(chǔ)在索引頁中的，當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時(shí)候，對(duì)應(yīng)的索引也會(huì)比較多，因此通過專門的索引頁來存儲(chǔ)索引數(shù)據(jù)。另外在這些索引頁的上層又通過主鍵與索引頁號(hào)來繼續(xù)進(jìn)行索引頁的查詢定位，因此我們得到如下的結(jié)構(gòu)。其中的id號(hào)指的是對(duì)應(yīng)最小的id號(hào)。

如果索引頁中的數(shù)據(jù)越來越多，索引頁同樣會(huì)進(jìn)行頁分裂。這樣索引頁也就形成了不同的層級(jí)，索引頁層、索引頁、數(shù)據(jù)頁這三個(gè)頁數(shù)據(jù)就形成了我們說的B+樹。下圖就是索引的B+樹結(jié)構(gòu)，通過它完成數(shù)據(jù)查詢效率遠(yuǎn)高于全表掃描。B+的葉子節(jié)點(diǎn)才會(huì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，下圖是一種主鍵索引，也叫聚簇索引。其實(shí)我們可以看出來，它的根本思想就是分而治之的思想。數(shù)據(jù)量很大是吧，那我就把數(shù)據(jù)分成很多的數(shù)據(jù)頁，數(shù)據(jù)頁很多是吧，那我就通過索引頁來組織數(shù)據(jù)頁，索引頁很多是吧，那就再通過索引頁來索引。

我們?cè)賮砜聪?，?shù)據(jù)查詢?cè)?code>B+樹中的查詢過程。舉個(gè)栗子，如當(dāng)前需要查詢id為3的數(shù)據(jù)，那么將在索引頁中判斷應(yīng)該走索引頁為3的索引頁。那么在索引頁為3中繼續(xù)判斷id=1應(yīng)該走索引頁為1的索引頁，在索引頁中判斷應(yīng)該頁號(hào)為1的數(shù)據(jù)頁，在此數(shù)據(jù)頁中遍歷最終查詢到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

以上通過索引頁與數(shù)據(jù)頁組成的B+樹就是聚簇索引，當(dāng)然我們也可以通過其他字段來建立普通索引。知識(shí)普通索引會(huì)的葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的是對(duì)應(yīng)的主鍵id，而不是具體的數(shù)據(jù)，索引會(huì)存在回表的問題，即查詢到對(duì)應(yīng)的id之后，還需要根據(jù)id繼續(xù)到聚簇索引中查詢具體的數(shù)據(jù)，通過這樣的操作才能查詢到select *的所有數(shù)據(jù)。當(dāng)然我們可以通過覆蓋索引的方式避免這樣的查詢浪費(fèi)。

總結(jié)

本文通過一步步圖解的方式，為大家拆解Mysql的InnoDB的索引原理，同時(shí)構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的B+樹索引結(jié)構(gòu)。闡述了數(shù)據(jù)查詢的具體過程。相信大家對(duì)于索引這塊有了更加深刻的理解，后面會(huì)從實(shí)戰(zhàn)的角度出發(fā)，分析下如何設(shè)計(jì)索引以及如何應(yīng)對(duì)索引失效的問題。