MySQL索引工做原理

爲何須要索引（Why is it needed）?
當數據保存在磁盤類存儲介質上時，它是做爲數據塊存放。這些數據塊是被看成一個總體來訪問的，這樣能夠保證操做的原子性。硬盤數據塊存儲結構相似於鏈表，都包含數據部分，以及一個指向下一個節點（或數據塊）的指針，不須要連續存儲。

記錄集只能在某個關鍵字段上進行排序，因此若是須要在一個無序字段上進行搜索，就要執行一個線性搜索（Linear Search）的過程，平均須要訪問N/2的數據塊，N是表所佔據的數據塊數目。若是這個字段是一個非主鍵字段（也就是說，不包含惟一的訪問入口），那麼須要在N個數據塊上搜索整個表格空間。

可是對於一個有序字段，能夠運用二分查找（Binary Search），這樣只要訪問log2 (N)的數據塊。這就是爲何性能能獲得本質上的提升。


什麼是索引（What is indexing）?
索引是對記錄集的多個字段進行排序的方法。在一張表中爲一個字段建立一個索引，將建立另一個數據結構，包含字段數值以及指向相關記錄的指針，而後對這個索引結構進行排序，容許在該數據上進行二分法排序。

反作用是索引須要額外的磁盤空間，對於MyISAM引擎而言，這些索引是被統一保存在一張表中的，這個文件將很快到達底層文件系統所可以支持的大小限制，若是不少字段都創建了索引的話。


索引如何工做（How does it work?）
首先，咱們創建一個示範數據庫表：

字段名       數據類型      大小
id (Primary key) Unsigned INT   4 bytes
firstName        Char(50)       50 bytes
lastName         Char(50)       50 bytes
emailAddress     Char(100)      100 bytes
注意：使用char是爲了指定準確的磁盤佔用大小。這個示範數據庫包含500萬行，並且沒有索引。咱們將分析一些查詢語句的性能，一個是使用主鍵id（有序）查詢，一個是使用firstName（非關鍵無序字段）。

例1

咱們的示範數據庫有r=5,000,000條記錄，每條記錄長度R=204字節並且使用MyISAM引擎存儲（默認數據塊大小爲B=1024字節），這張表的塊因子（blocking factor）會是bfr = (B/R) = 1024/204 = 5 條記錄每磁盤數據塊。保存這張表所須要的磁盤塊爲N = (r/bfr) = 5000000/5 = 1,000,000 blocks。

在id字段上的線性搜索平均須要N/2 = 500,000塊訪問來找到一條記錄假設id字段是查詢關鍵值，不過既然id字段是有序的，能夠執行一個二分查詢，這樣平均只須要訪問log2 (1000000) = 19.93 = 20 個數據塊。咱們立刻就看到了極大的提升。

如今firstName字段既不是有序的，沒法執行二分搜索，數值也不具備惟一性，因此對這張表的查找必須到最後一個記錄即全表掃描N = 1,000,000個數據塊訪問。這就是索引用來改進的地方。

假如索引記錄只包含一個索引列以及一個指向原記錄數據的指針，那麼它顯而易見會比原記錄（多列）要小。因此索引自己所須要的磁盤塊要更少，掃描數目也少。firstName索引表結構以下：

Field name       Data type      Size on disk
firstName        Char(50)       50 bytes
(record pointer) Special        4 bytes
注意: MySQL裏的指針按表大小的不一樣分別多是 2, 3, 4 或 5 個字節。

例2

假設咱們的數據庫有r = 5,000,000 條記錄，創建了一個長R = 54字節的索引，而且使用默認磁盤塊大小爲1,024字節。那麼該索引的塊因子爲bfr = (B/R) = 1024/54 = 18 條記錄每磁盤塊。容納這個索引表總共須要的磁盤塊爲N = (r/bfr) = 5000000/18 = 277,778 塊。

如今使用FirstName字段來進行搜索就能夠利用索引來提升性能。這容許使用一個二分查找，平均log2 (277778) = 18.08 -> 19次數據塊訪問。找到實際記錄的地址，這須要進一步的塊讀取，這樣總數達到19 + 1 = 20次數據塊訪問，這和非索引表的數據塊訪問次數有天壤之別。


何時使用索引（When should it be used?）
鑑於建立索引須要額外的磁盤空間（上面的例子須要額外的277778個磁盤塊），以及太多的索引會致使文件系統大小限制所產生的問題，因此對哪些字段創建索引，什麼狀況下使用索引，須要審慎考慮。

因爲索引只是用來加速數據查詢，那麼顯然對只是用來輸出的字段創建索引會浪費磁盤空間以及發生插入、刪除操做時的處理時間，因此這種狀況下應該儘可能避免。此外鑑於二分搜索的特性，數據的基數或獨立性是很重要的。在基數爲2的字段上創建索引，將把數據分割一半，而基數爲1000則將返回大約1000條記錄。低基數的二分查找效率將下降爲一個線性排序，並且查詢優化器可能會在基數小於記錄數某個比例時（如30%）的狀況下將避免使用索引而直接查詢原表，因此這種狀況下的索引浪費了空間。