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磁盘块的大小也就是一个数据页的大小
日期:[2019-04-15 17:25]   共阅[]次

  MySQL凭借着出色的性能、低廉的成本、丰富的资源,已经成为绝大多数互联网公司的首选关系型数据库。虽然性能出色,但所谓“好马配好鞍”,如何能够更好的使用它,已经成为开发工程师的必修课,我们经常会从职位描述上看到诸如“精通MySQL”、“SQL语句优化”、“了解数据库原理”等要求。

  我们知道一般的应用系统,读写比例在10:1左右,而且插入操作和一般的更新操作很少出现性能问题,遇到最多的,也是最容易出问题的,还是一些复杂的查询操作,所以查询语句的优化显然是重中之重。

  索引的目的在于提高查询效率,可以类比字典,如果要查“mysql”这个单词,我们肯定需要定位到m字母,然后从下往下找到y字母,再找到剩下的sql。如果没有索引,那么你可能需要把所有单词看一遍才能找到你想要的,如果我想找到m开头的单词呢?或者ze开头的单词呢?是不是觉得如果没有索引,这个事情根本无法完成?

  除了词典,生活中随处可见索引的例子,如火车站的车次表、图书的目录等。它们的原理都是一样的,通过不断的缩小想要获得数据的范围来筛选出最终想要的结果,同时把随机的事件变成顺序的事件,也就是我们总是通过同一种查找方式来锁定数据。

  数据库也是一样,但显然要复杂许多,因为不仅面临着等值查询,还有范围查询(、、between、in)、模糊查询(like)、并集查询(or)等等。数据库应该选择怎么样的方式来应对所有的问题呢?我们回想字典的例子,能不能把数据分成段,然后分段查询呢?最简单的如果1000条数据,1到100分成第一段,101到200分成第二段,201到300分成第三段……这样查第250条数据,只要找第三段就可以了,一下子去除了90%的无效数据。但如果是1千万的记录呢,分成几段比较好?稍有算法基础的同学会想到搜索树,其平均复杂度是lgN,具有不错的查询性能。但这里我们忽略了一个关键的问题,复杂度模型是基于每次相同的操作成本来考虑的,数据库实现比较复杂,数据保存在磁盘上,而为了提高性能,每次又可以把部分数据读入内存来计算,因为我们知道访问磁盘的成本大概是访问内存的十万倍左右,所以简单的搜索树难以满足复杂的应用场景。

  前面提到了访问磁盘,那么这里先简单介绍一下磁盘IO和预读,磁盘读取数据靠的是机械运动,每次读取数据花费的时间可以分为寻道时间、旋转延迟、传输时间三个部分,寻道时间指的是磁臂移动到指定磁道所需要的时间,主流磁盘一般在5ms以下;旋转延迟就是我们经常听说的磁盘转速,比如一个磁盘7200转,表示每分钟能转7200次,也就是说1秒钟能转120次,旋转延迟就是1/120/2 = 4.17ms;传输时间指的是从磁盘读出或将数据写入磁盘的时间,一般在零点几毫秒,相对于前两个时间可以忽略不计。那么访问一次磁盘的时间,即一次磁盘IO的时间约等于5+4.17 = 9ms左右,听起来还挺不错的,但要知道一台500 -MIPS的机器每秒可以执行5亿条指令,因为指令依靠的是电的性质,换句话说执行一次IO的时间可以执行40万条指令,数据库动辄十万百万乃至千万级数据,每次9毫秒的时间,显然是个灾难。下图是计算机硬件延迟的对比图,供大家参考:

  考虑到磁盘IO是非常高昂的操作,计算机操作系统做了一些优化,当一次IO时,不光把当前磁盘地址的数据,而是把相邻的数据也都读取到内存缓冲区内,因为局部预读性原理告诉我们,当计算机访问一个地址的数据的时候,与其相邻的数据也会很快被访问到。每一次IO读取的数据我们称之为一页(page)。具体一页有多大数据跟操作系统有关,一般为4k或8k,也就是我们读取一页内的数据时候,实际上才发生了一次IO,这个理论对于索引的数据结构设计非常有帮助。

  前面讲了生活中索引的例子,索引的基本原理,数据库的复杂性,又讲了操作系统的相关知识,目的就是让大家了解,任何一种数据结构都不是凭空产生的,一定会有它的背景和使用场景,我们现在总结一下,我们需要这种数据结构能够做些什么,其实很简单,那就是:每次查找数据时把磁盘IO次数控制在一个很小的数量级,最好是常数数量级。那么我们就想到如果一个高度可控的多路搜索树是否能满足需求呢?就这样,b+树应运而生。

  如上图,是一颗b+树,关于b+树的定义可以参见B+树,这里只说一些重点,浅蓝色的块我们称之为一个磁盘块,可以看到每个磁盘块包含几个数据项(深蓝色所示)和指针(黄色所示),如磁盘块1包含数据项17和35,包含指针P1、P2、P3,P1表示小于17的磁盘块,P2表示在17和35之间的磁盘块,P3表示大于35的磁盘块。真实的数据存在于叶子节点即3、5、9、10、13、15、28、29、36、60、75、79、90、99。非叶子节点只不存储真实的数据,只存储指引搜索方向的数据项,如17、35并不真实存在于数据表中。

  如图所示,如果要查找数据项29,那么首先会把磁盘块1由磁盘加载到内存,此时发生一次IO,在内存中用二分查找确定29在17和35之间,锁定磁盘块1的P2指针,内存时间因为非常短(相比磁盘的IO)可以忽略不计,通过磁盘块1的P2指针的磁盘地址把磁盘块3由磁盘加载到内存,发生第二次IO,29在26和30之间,锁定磁盘块3的P2指针,通过指针加载磁盘块8到内存,发生第三次IO,同时内存中做二分查找找到29,结束查询,总计三次IO。线层的b+树可以表示上百万的数据,如果上百万的数据查找只需要三次IO,性能提高将是巨大的,如果没有索引,每个数据项都要发生一次IO,那么总共需要百万次的IO,显然成本非常非常高。

  1.通过上面的分析,我们知道IO次数取决于b+数的高度h,假设当前数据表的数据为N,每个磁盘块的数据项的数量是m,则有h=㏒(m+1)N,当数据量N一定的情况下,m越大,h越小;而m = 磁盘块的大小 / 数据项的大小,磁盘块的大小也就是一个数据页的大小,是固定的,如果数据项占的空间越小,数据项的数量越多,树的高度越低。这就是为什么每个数据项,即索引字段要尽量的小,比如int占4字节,要比bigint8字节少一半。这也是为什么b+树要求把真实的数据放到叶子节点而不是内层节点,一旦放到内层节点,磁盘块的数据项会大幅度下降,导致树增高。当数据项等于1时将会退化成线.当b+树的数据项是复合的数据结构,比如(name,age,sex)的时候,b+数是按照从左到右的顺序来建立搜索树的,比如当(张三,20,F)这样的数据来检索的时候,b+树会优先比较name来确定下一步的所搜方向,如果name相同再依次比较age和sex,最后得到检索的数据;但当(20,F)这样的没有name的数据来的时候,b+树就不知道下一步该查哪个节点,因为建立搜索树的时候name就是第一个比较因子,必须要先根据name来搜索才能知道下一步去哪里查询。比如当(张三,F)这样的数据来检索时,b+树可以用name来指定搜索方向,但下一个字段age的缺失,所以只能把名字等于张三的数据都找到,然后再匹配性别是F的数据了, 这个是非常重要的性质,即索引的最左匹配特性。

  区分度的公式是count(distinct col)/count(*),表示字段不重复的比例,比例越大我们扫描的记录数越少,唯一键的区分度是1,而一些状态、性别字段可能在大数据面前区分度就是0,那可能有人会问,这个比例有什么经验值吗?使用场景不同,这个值也很难确定,一般需要join的字段我们都要求是0.1以上,即平均1条扫描10条记录

  比如表中已经有a的索引,现在要加(a,b)的索引,那么只需要修改原来的索引即可

  关于explain命令相信大家并不陌生,具体用法和字段含义可以参考官网explain-output,这里需要强调rows是核心指标,绝大部分rows小的语句执行一定很快(有例外,下面会讲到)。所以优化语句基本上都是在优化rows。

  1.where条件单表查,锁定最小返回记录表。这句话的意思是把查询语句的where都应用到表中返回的记录数最小的表开始查起,单表每个字段分别查询,看哪个字段的区分度最高

  2.explain查看执行计划,是否与1预期一致(从锁定记录较少的表开始查询)

  很多情况下,我们写SQL只是为了实现功能,这只是第一步,不同的语句书写方式对于效率往往有本质的差别,这要求我们对mysql的执行计划和索引原则有非常清楚的认识,请看下面的语句

  简述一下执行计划,首先mysql根据idx_last_upd_date索引扫描cm_log表获得379条记录;然后查表扫描了63727条记录,分为两部分,derived表示构造表,也就是不存在的表,可以简单理解成是一个语句形成的结果集,后面的数字表示语句的ID。derived2表示的是ID = 2的查询构造了虚拟表,并且返回了63727条记录。我们再来看看ID = 2的语句究竟做了写什么返回了这么大量的数据,首先全表扫描employee表13317条记录,然后根据索引emp_certificate_empid关联emp_certificate表,rows = 1表示,每个关联都只锁定了一条记录,效率比较高。获得后,再和cm_log的379条记录根据规则关联。从执行过程上可以看出返回了太多的数据,返回的数据绝大部分cm_log都用不到,因为cm_log只锁定了379条记录。

  如何优化呢?可以看到我们在运行完后还是要和cm_log做join,那么我们能不能之前和cm_log做join呢?仔细分析语句不难发现,其基本思想是如果cm_log的ref_table是EmpCertificate就关联emp_certificate表,如果ref_table是Employee就关联employee表,我们完全可以拆成两部分,并用union连接起来,注意这里用union,而不用union all是因为原语句有“distinct”来得到唯一的记录,而union恰好具备了这种功能。如果原语句中没有distinct不需要去重,我们就可以直接使用union all了,因为使用union需要去重的动作,会影响SQL性能。

  举这个例子的目的在于颠覆我们对列的区分度的认知,一般上我们认为区分度越高的列,越容易锁定更少的记录,但在一些特殊的情况下,这种理论是有局限性的

  我们看到accurate_result这个字段的区分度非常低,整个表只有-1,0,1三个值,加上索引也无法锁定特别少量的数据

  问题分析到这,好像得出了这个表无法优化的结论,两个列的区分度都很低,即便加上索引也只能适应这种情况,很难做普遍性的优化,比如当sync_status 0、3分布的很平均,那么锁定记录也是百万级别的

  4.找业务方去沟通,看看使用场景。业务方是这么来使用这个SQL语句的,每隔五分钟会扫描符合条件的数据,处理完成后把sync_status这个字段变成1,五分钟符合条件的记录数并不会太多,1000个左右。了解了业务方的使用场景后,优化这个SQL就变得简单了,因为业务方保证了数据的不平衡,如果加上索引可以过滤掉绝大部分不需要的数据

  我们再来回顾一下分析问题的过程,单表查询相对来说比较好优化,大部分时候只需要把where条件里面的字段依照规则加上索引就好,如果只是这种“无脑”优化的话,显然一些区分度非常低的列,不应该加索引的列也会被加上索引,这样会对插入、更新性能造成严重的影响,同时也有可能影响其它的查询语句。

  所以我们第4步调差SQL的使用场景非常关键,我们只有知道这个业务场景,才能更好地辅助我们更好的分析和优化查询语句。

  我们在优化过程中遇到过超过1000行,涉及到16个表join的“垃圾SQL”,也遇到过线上线下数据库差异导致应用直接被慢查询拖死,也遇到过varchar等值比较没有写单引号,还遇到过笛卡尔积查询直接把从库搞死。再多的案例其实也只是一些经验的积累,如果我们熟悉查询优化器、索引的内部原理,那么分析这些案例就变得特别简单了。

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