【MySQL】MySQL中where條件的執行分析

一、問題描述

一條SQL，在數據庫中是如何執行的呢？相信不少人都會對這個問題比較感興趣。固然，要完整描述一條SQL在數據庫中的生命週期，這是一個很是巨大的問題，涵蓋了SQL的詞法解析、語法解析、權限檢查、查詢優化、SQL執行等一系列的步驟，簡短的篇幅是絕對無能爲力的。所以，本文挑選了其中的部份內容，也是我一直都想寫的一個內容，作重點介紹：

給定一條SQL，如何提取其中的where條件？where條件中的每一個子條件，在SQL執行的過程當中有分別起着什麼樣的做用？

經過本文的介紹，但願讀者可以更好地理解查詢條件對於SQL語句的影響；撰寫出更爲優質的SQL語句；更好地理解一些術語，例如：MySQL 5.6中一個重要的優化——Index Condition Pushdown，究竟push down了什麼？

本文接下來的內容，安排以下：

1. 簡單介紹關係型數據庫中數據的組織形式；
2. 給定一條SQL，如何提取其中的where條件；
3. 最後作一個小的總結；

二、關係型數據庫中的數據組織

關係型數據庫中，數據組織涉及到兩個最基本的結構：表與索引。表中存儲的是完整記錄，通常有兩種組織形式：堆表(全部的記錄無序存儲)，或者是聚簇索引表(全部的記錄，按照記錄主鍵進行排序存儲)。索引中存儲的是完整記錄的一個子集，用於加速記錄的查詢速度，索引的組織形式，通常均爲B+樹結構。

有了這些基本知識以後，接下來讓咱們建立一張測試表，爲表新增幾個索引，而後插入幾條記錄，最後看看錶的完整數據組織、存儲結構式怎麼樣的。(注意：下面的實例，使用的表的結構爲堆表形式，這也是Oracle/DB2/PostgreSQL等數據庫採用的表組織形式，而不是InnoDB引擎所採用的聚簇索引表。其實，表結構採用何種形式並不重要，最重要的是理解下面章節的核心，在任何表結構中均適用)

create table t1 (a int primary key, b int, c int, d int, e varchar(20));

create index idx_t1_bcd on t1(b, c, d);

insert into t1 values (4,3,1,1,’d’);

insert into t1 values (1,1,1,1,’a’);

insert into t1 values (8,8,8,8,’h’):

insert into t1 values (2,2,2,2,’b’);

insert into t1 values (5,2,3,5,’e’);

insert into t1 values (3,3,2,2,’c’);

insert into t1 values (7,4,5,5,’g’);

insert into t1 values (6,6,4,4,’f’);

t1表的存儲結構以下圖所示(只畫出了idx_t1_bcd索引與t1表結構，沒有包括t1表的主鍵索引)：

 

 

簡單分析一下上圖，idx_t1_bcd索引上有[b,c,d]三個字段(注意：如果InnoDB類的聚簇索引表，idx_t1_bcd上還會包括主鍵a字段)，不包括[a,e]字段。idx_t1_bcd索引，首先按照b字段排序，b字段相同，則按照c字段排序，以此類推。記錄在索引中按照[b,c,d]排序，可是在堆表上是亂序的，不按照任何字段排序。

三、SQL的where條件提取

在有了以上的t1表以後，接下來就能夠在此表上進行SQL查詢了，獲取本身想要的數據。例如，考慮如下的一條SQL：

select * from t1 where b >= 2 and b < 8 and c > 1 and d != 4 and e != ‘a’;

一條比較簡單的SQL，一目瞭然就能夠發現where條件使用到了[b,c,d,e]四個字段，而t1表的idx_t1_bcd索引，剛好使用了[b,c,d]這三個字段，那麼走idx_t1_bcd索引進行條件過濾，應該是一個不錯的選擇。接下來，讓咱們拋棄數據庫的思想，直接思考這條SQL的幾個關鍵性問題：

l.此SQL，覆蓋索引idx_t1_bcd上的哪一個範圍？

起始範圍：記錄[2,2,2]是第一個須要檢查的索引項。索引發始查找範圍由b >= 2，c > 1決定。

終止範圍：記錄[8,8,8]是第一個不須要檢查的記錄，而以前的記錄均須要判斷。索引的終止查找範圍由b < 8決定；

2.在肯定了查詢的起始、終止範圍以後，SQL中還有哪些條件可使用索引idx_t1_bcd過濾？

根據SQL，固定了索引的查詢範圍[(2,2,2),(8,8,8))以後，此索引範圍中並非每條記錄都是知足where查詢條件的。例如：(3,1,1)不知足c > 1的約束；(6,4,4)不知足d != 4的約束。而c，d列，都可在索引idx_t1_bcd中過濾掉不知足條件的索引記錄的。

所以，SQL中還可使用c > 1 and d != 4條件進行索引記錄的過濾。

3.在肯定了索引中最終可以過濾掉的條件以後，還有哪些條件是索引沒法過濾的？

此問題的答案顯而易見，e != ‘a’這個查詢條件，沒法在索引idx_t1_bcd上進行過濾，由於索引並未包含e列。e列只在堆表上存在，爲了過濾此查詢條件，必須將已經知足索引查詢條件的記錄回表，取出表中的e列，而後使用e列的查詢條件e != ‘a’進行最終的過濾。

在理解以上的問題解答的基礎上，作一個抽象，可總結出一套放置於全部SQL語句而皆準的where查詢條件的提取規則：

全部SQL的where條件，都可概括爲3大類：Index Key (First Key & LastKey)，Index Filter，Table Filter。

接下來，讓咱們來詳細分析者3大類分別是如何定義，以及如何提取的。

l. Index Key

用於肯定SQL查詢在索引中的連續範圍(起始範圍+結束範圍)的查詢條件，被稱之爲Index Key。因爲一個範圍，至少包含一個起始與一個終止，所以Index Key也被拆分爲Index First Key和Index Last Key，分別用於定位索引查找的起始，以及索引查詢的終止條件。

Index First Key

用於肯定索引查詢的起始範圍。提取規則：從索引的第一個鍵值開始，檢查其在where條件中是否存在，若存在而且條件是=、>=，則將對應的條件加入Index First Key之中，繼續讀取索引的下一個鍵值，使用一樣的提取規則；若存在而且條件是>，則將對應的條件加入Index First Key中，同時終止Index First Key的提取；若不存在，一樣終止Index First Key的提取。

針對上面的SQL，應用這個提取規則，提取出來的Index First Key爲(b >= 2, c > 1)。因爲c的條件爲 >，提取結束，不包括d。

Index Last Key

Index Last Key的功能與Index First Key正好相反，用於肯定索引查詢的終止範圍。提取規則：從索引的第一個鍵值開始，檢查其在where條件中是否存在，若存在而且條件是=、<=，則將對應條件加入到Index Last Key中，繼續提取索引的下一個鍵值，使用一樣的提取規則；若存在而且條件是 < ，則將條件加入到Index Last Key中，同時終止提取；若不存在，一樣終止Index Last Key的提取。

針對上面的SQL，應用這個提取規則，提取出來的Index Last Key爲(b < 8)，因爲是 < 符號，所以提取b以後結束。

2.Index Filter

在完成Index Key的提取以後，咱們根據where條件固定了索引的查詢範圍，可是此範圍中的項，並不都是知足查詢條件的項。在上面的SQL用例中，(3,1,1)，(6,4,4)均屬於範圍中，可是又均不知足SQL的查詢條件。

Index Filter的提取規則：一樣從索引列的第一列開始，檢查其在where條件中是否存在：若存在而且where條件僅爲 =，則跳過第一列繼續檢查索引下一列，下一索引列採起與索引第一列一樣的提取規則；若where條件爲 >=、>、<、<= 其中的幾種，則跳過索引第一列，將其他where條件中索引相關列所有加入到Index Filter之中；若索引第一列的where條件包含 =、>=、>、<、<= 以外的條件，則將此條件以及其他where條件中索引相關列所有加入到Index Filter之中；若第一列不包含查詢條件，則將全部索引相關條件均加入到Index Filter之中。

針對上面的用例SQL，索引第一列只包含 >=、< 兩個條件，所以第一列可跳過，將餘下的c、d兩列加入到Index Filter中。所以得到的Index Filter爲 c > 1 and d != 4 。

3.Table Filter

Table Filter是最簡單，最易懂，也是提取最爲方便的。提取規則：全部不屬於索引列的查詢條件，均歸爲Table Filter之中。

一樣，針對上面的用例SQL，Table Filter就爲 e != ‘a’。

3.1 Index Key/Index Filter/Table Filter小結 

SQL語句中的where條件，使用以上的提取規則，最終都會被提取到Index Key (First Key & Last Key)，Index Filter與Table Filter之中。

Index First Key，只是用來定位索引的起始範圍，所以只在索引第一次Search Path(沿着索引B+樹的根節點一直遍歷，到索引正確的葉節點位置)時使用，一次判斷便可；

Index Last Key，用來定位索引的終止範圍，所以對於起始範圍以後讀到的每一條索引記錄，均須要判斷是否已經超過了Index Last Key的範圍，若超過，則當前查詢結束；

Index Filter，用於過濾索引查詢範圍中不知足查詢條件的記錄，所以對於索引範圍中的每一條記錄，均須要與Index Filter進行對比，若不知足Index Filter則直接丟棄，繼續讀取索引下一條記錄；

Table Filter，則是最後一道where條件的防線，用於過濾經過前面索引的層層考驗的記錄，此時的記錄已經知足了Index First Key與Index Last Key構成的範圍，而且知足Index Filter的條件，回表讀取了完整的記錄，判斷完整記錄是否知足Table Filter中的查詢條件，一樣的，若不知足，跳過當前記錄，繼續讀取索引的下一條記錄，若知足，則返回記錄，此記錄知足了where的全部條件，能夠返回給前端用戶。

四、結語

在讀完、理解了以上內容以後，詳細你們對於數據庫如何提取where中的查詢條件，如何將where中的查詢條件提取爲Index Key，Index Filter，Table Filter有了深入的認識。之後在撰寫SQL語句時，能夠對照表的定義，嘗試本身提取對應的where條件，與最終的SQL執行計劃對比，逐步強化本身的理解。

同時，咱們也能夠回答文章開始提出的一個問題：MySQL 5.6中引入的Index Condition Pushdown，到底是將什麼Push Down到索引層面進行過濾呢？對了，答案是Index Filter。在MySQL 5.6以前，並不區分Index Filter與Table Filter，通通將Index First Key與Index Last Key範圍內的索引記錄，回表讀取完整記錄，而後返回給MySQL Server層進行過濾。而在MySQL 5.6以後，Index Filter與Table Filter分離，Index Filter降低到InnoDB的索引層面進行過濾，減小了回表與返回MySQL Server層的記錄交互開銷，提升了SQL的執行效率。