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title: MySQL索引详解
category: 数据库
tag:
  - MySQL
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> 感谢[WT-AHA](https://github.com/WT-AHA)对本文的完善，相关 PR：https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/pull/1648 。

但凡经历过几场面试的小伙伴，应该都清楚，数据库索引这个知识点在面试中出现的频率高到离谱。

除了对于准备面试来说非常重要之外，善用索引对 SQL 的性能提升非常明显，是一个性价比较高的 SQL 优化手段。

## 索引介绍

**索引是一种用于快速查询和检索数据的数据结构，其本质可以看成是一种排序好的数据结构。**

索引的作用就相当于书的目录。打个比方: 我们在查字典的时候，如果没有目录，那我们就只能一页一页的去找我们需要查的那个字，速度很慢。如果有目录了，我们只需要先去目录里查找字的位置，然后直接翻到那一页就行了。

索引底层数据结构存在很多种类型，常见的索引结构有: B 树， B+树 和 Hash、红黑树。在 MySQL 中，无论是 Innodb 还是 MyIsam，都使用了 B+树作为索引结构。

## 索引的优缺点

**优点** ：

- 使用索引可以大大加快 数据的检索速度（大大减少检索的数据量）, 这也是创建索引的最主要的原因。
- 通过创建唯一性索引，可以保证数据库表中每一行数据的唯一性。

**缺点** ：

- 创建索引和维护索引需要耗费许多时间。当对表中的数据进行增删改的时候，如果数据有索引，那么索引也需要动态的修改，会降低 SQL 执行效率。
- 索引需要使用物理文件存储，也会耗费一定空间。

但是，**使用索引一定能提高查询性能吗?**

大多数情况下，索引查询都是比全表扫描要快的。但是如果数据库的数据量不大，那么使用索引也不一定能够带来很大提升。

## 索引的底层数据结构

### Hash 表

哈希表是键值对的集合，通过键(key)即可快速取出对应的值(value)，因此哈希表可以快速检索数据（接近 O（1））。

**为何能够通过 key 快速取出 value 呢？** 原因在于 **哈希算法**（也叫散列算法）。通过哈希算法，我们可以快速找到 key 对应的 index，找到了 index 也就找到了对应的 value。

```java
hash = hashfunc(key)
index = hash % array_size
```

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/database/mysql20210513092328171.png)

但是！哈希算法有个 **Hash 冲突** 问题，也就是说多个不同的 key 最后得到的 index 相同。通常情况下，我们常用的解决办法是 **链地址法**。链地址法就是将哈希冲突数据存放在链表中。就比如 JDK1.8 之前 `HashMap` 就是通过链地址法来解决哈希冲突的。不过，JDK1.8 以后`HashMap`为了减少链表过长的时候搜索时间过长引入了红黑树。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/database/mysql20210513092224836.png)

为了减少 Hash 冲突的发生，一个好的哈希函数应该“均匀地”将数据分布在整个可能的哈希值集合中。

既然哈希表这么快，**为什么 MySQL 没有使用其作为索引的数据结构呢？** 主要是因为 Hash 索引不支持顺序和范围查询。假如我们要对表中的数据进行排序或者进行范围查询，那 Hash 索引可就不行了。并且，每次 IO 只能取一个。

试想一种情况:

```java
SELECT * FROM tb1 WHERE id < 500;
```

在这种范围查询中，优势非常大，直接遍历比 500 小的叶子节点就够了。而 Hash 索引是根据 hash 算法来定位的，难不成还要把 1 - 499 的数据，每个都进行一次 hash 计算来定位吗?这就是 Hash 最大的缺点了。

### B 树& B+树

B 树也称 B-树,全称为 **多路平衡查找树** ，B+ 树是 B 树的一种变体。B 树和 B+树中的 B 是 `Balanced` （平衡）的意思。

目前大部分数据库系统及文件系统都采用 B-Tree 或其变种 B+Tree 作为索引结构。

**B 树& B+树两者有何异同呢？**

- B 树的所有节点既存放键(key) 也存放 数据(data)，而 B+树只有叶子节点存放 key 和 data，其他内节点只存放 key。
- B 树的叶子节点都是独立的;B+树的叶子节点有一条引用链指向与它相邻的叶子节点。
- B 树的检索的过程相当于对范围内的每个节点的关键字做二分查找，可能还没有到达叶子节点，检索就结束了。而 B+树的检索效率就很稳定了，任何查找都是从根节点到叶子节点的过程，叶子节点的顺序检索很明显。

在 MySQL 中，MyISAM 引擎和 InnoDB 引擎都是使用 B+Tree 作为索引结构，但是，两者的实现方式不太一样。（下面的内容整理自《Java 工程师修炼之道》）

> MyISAM 引擎中，B+Tree 叶节点的 data 域存放的是数据记录的地址。在索引检索的时候，首先按照 B+Tree 搜索算法搜索索引，如果指定的 Key 存在，则取出其 data 域的值，然后以 data 域的值为地址读取相应的数据记录。这被称为“**非聚簇索引（非聚集索引）**”。
>
> InnoDB 引擎中，其数据文件本身就是索引文件。相比 MyISAM，索引文件和数据文件是分离的，其表数据文件本身就是按 B+Tree 组织的一个索引结构，树的叶节点 data 域保存了完整的数据记录。这个索引的 key 是数据表的主键，因此 InnoDB 表数据文件本身就是主索引。这被称为“**聚簇索引（聚集索引）**”，而其余的索引都作为 **辅助索引** ，辅助索引的 data 域存储相应记录主键的值而不是地址，这也是和 MyISAM 不同的地方。在根据主索引搜索时，直接找到 key 所在的节点即可取出数据；在根据辅助索引查找时，则需要先取出主键的值，再走一遍主索引。 因此，在设计表的时候，不建议使用过长的字段作为主键，也不建议使用非单调的字段作为主键，这样会造成主索引频繁分裂。

## 索引类型总结

按照数据结构维度划分：

- BTree 索引：MySQL 里默认和最常用的索引类型。只有叶子节点存储 value，非叶子节点只有指针和 key。存储引擎 MyISAM 和 InnoDB 实现 BTree 索引都是使用 B+Tree，但二者实现方式不一样（前面已经介绍了）。
- 哈希索引：类似键值对的形式，一次即可定位。
- RTree 索引：一般不会使用，仅支持 geometry 数据类型，优势在于范围查找，效率较低，通常使用搜索引擎如 ElasticSearch 代替。
- 全文索引：对文本的内容进行分词，进行搜索。目前只有 `CHAR`、`VARCHAR` ，`TEXT` 列上可以创建全文索引。一般不会使用，效率较低，通常使用搜索引擎如 ElasticSearch 代替。

按照底层存储方式角度划分：

- 聚簇索引（聚集索引）：索引结构和数据一起存放的索引，InnoDB 中的主键索引就属于聚簇索引。
- 非聚簇索引（非聚集索引）：索引结构和数据分开存放的索引，二级索引(辅助索引)就属于非聚簇索引。MySQL 的 MyISAM 引擎，不管主键还是非主键，使用的都是非聚簇索引。

按照应用维度划分：

- 主键索引：加速查询 + 列值唯一（不可以有 NULL）+ 表中只有一个。
- 普通索引：仅加速查询。
- 唯一索引：加速查询 + 列值唯一（可以有 NULL）。
- 覆盖索引：一个索引包含（或者说覆盖）所有需要查询的字段的值。
- 联合索引：多列值组成一个索引，专门用于组合搜索，其效率大于索引合并。
- 全文索引：对文本的内容进行分词，进行搜索。目前只有 `CHAR`、`VARCHAR` ，`TEXT` 列上可以创建全文索引。一般不会使用，效率较低，通常使用搜索引擎如 ElasticSearch 代替。

MySQL 8.x 中实现的索引新特性：

- 隐藏索引：也称为不可见索引，不会被优化器使用，但是仍然需要维护，通常会软删除和灰度发布的场景中使用。主键不能设置为隐藏（包括显式设置或隐式设置）。
- 降序索引：之前的版本就支持通过 desc 来指定索引为降序，但实际上创建的仍然是常规的升序索引。直到 MySQL 8.x 版本才开始真正支持降序索引。另外，在 MySQL 8.x 版本中，不再对 GROUP BY 语句进行隐式排序。
- 函数索引：从 MySQL 8.0.13 版本开始支持在索引中使用函数或者表达式的值，也就是在索引中可以包含函数或者表达式。

## 主键索引(Primary Key)

数据表的主键列使用的就是主键索引。

一张数据表有只能有一个主键，并且主键不能为 null，不能重复。

在 MySQL 的 InnoDB 的表中，当没有显示的指定表的主键时，InnoDB 会自动先检查表中是否有唯一索引且不允许存在 null 值的字段，如果有，则选择该字段为默认的主键，否则 InnoDB 将会自动创建一个 6Byte 的自增主键。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/open-source-project/cluster-index.png)

## 二级索引

**二级索引（Secondary Index）又称为辅助索引，是因为二级索引的叶子节点存储的数据是主键。也就是说，通过二级索引，可以定位主键的位置。**

唯一索引，普通索引，前缀索引等索引属于二级索引。

PS: 不懂的同学可以暂存疑，慢慢往下看，后面会有答案的，也可以自行搜索。

1. **唯一索引(Unique Key)** ：唯一索引也是一种约束。**唯一索引的属性列不能出现重复的数据，但是允许数据为 NULL，一张表允许创建多个唯一索引。** 建立唯一索引的目的大部分时候都是为了该属性列的数据的唯一性，而不是为了查询效率。
2. **普通索引(Index)** ：**普通索引的唯一作用就是为了快速查询数据，一张表允许创建多个普通索引，并允许数据重复和 NULL。**
3. **前缀索引(Prefix)** ：前缀索引只适用于字符串类型的数据。前缀索引是对文本的前几个字符创建索引，相比普通索引建立的数据更小，
   因为只取前几个字符。
4. **全文索引(Full Text)** ：全文索引主要是为了检索大文本数据中的关键字的信息，是目前搜索引擎数据库使用的一种技术。Mysql5.6 之前只有 MYISAM 引擎支持全文索引，5.6 之后 InnoDB 也支持了全文索引。

二级索引:

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/open-source-project/no-cluster-index.png)

## 聚簇索引与非聚簇索引

### 聚簇索引（聚集索引）

#### 聚簇索引介绍

**聚簇索引（Clustered Index）即索引结构和数据一起存放的索引，并不是一种单独的索引类型。InnoDB 中的主键索引就属于聚簇索引。**

在 MySQL 中，InnoDB 引擎的表的 `.ibd`文件就包含了该表的索引和数据，对于 InnoDB 引擎表来说，该表的索引(B+树)的每个非叶子节点存储索引，叶子节点存储索引和索引对应的数据。

#### 聚簇索引的优缺点

**优点** ：

- **查询速度非常快** ：聚簇索引的查询速度非常的快，因为整个 B+树本身就是一颗多叉平衡树，叶子节点也都是有序的，定位到索引的节点，就相当于定位到了数据。相比于非聚簇索引， 聚簇索引少了一次读取数据的 IO 操作。
- **对排序查找和范围查找优化** ：聚簇索引对于主键的排序查找和范围查找速度非常快。

**缺点** ：

- **依赖于有序的数据** ：因为 B+树是多路平衡树，如果索引的数据不是有序的，那么就需要在插入时排序，如果数据是整型还好，否则类似于字符串或 UUID 这种又长又难比较的数据，插入或查找的速度肯定比较慢。
- **更新代价大** ： 如果对索引列的数据被修改时，那么对应的索引也将会被修改，而且聚簇索引的叶子节点还存放着数据，修改代价肯定是较大的，所以对于主键索引来说，主键一般都是不可被修改的。

### 非聚簇索引（非聚集索引）

#### 非聚簇索引介绍

**非聚簇索引(Non-Clustered Index)即索引结构和数据分开存放的索引，并不是一种单独的索引类型。二级索引(辅助索引)就属于非聚簇索引。MySQL 的 MyISAM 引擎，不管主键还是非主键，使用的都是非聚簇索引。**

非聚簇索引的叶子节点并不一定存放数据的指针，因为二级索引的叶子节点就存放的是主键，根据主键再回表查数据。

#### 非聚簇索引的优缺点

**优点** ：

更新代价比聚簇索引要小 。非聚簇索引的更新代价就没有聚簇索引那么大了，非聚簇索引的叶子节点是不存放数据的

**缺点** ：

- **依赖于有序的数据** ：跟聚簇索引一样，非聚簇索引也依赖于有序的数据
- **可能会二次查询(回表)** ：这应该是非聚簇索引最大的缺点了。 当查到索引对应的指针或主键后，可能还需要根据指针或主键再到数据文件或表中查询。

这是 MySQL 的表的文件截图:

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/database/mysql20210420165311654.png)

聚簇索引和非聚簇索引:

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/database/mysql20210420165326946.png)

#### 非聚簇索引一定回表查询吗(覆盖索引)?

**非聚簇索引不一定回表查询。**

试想一种情况，用户准备使用 SQL 查询用户名，而用户名字段正好建立了索引。

```sql
 SELECT name FROM table WHERE name='guang19';
```

那么这个索引的 key 本身就是 name，查到对应的 name 直接返回就行了，无需回表查询。

即使是 MYISAM 也是这样，虽然 MYISAM 的主键索引确实需要回表，因为它的主键索引的叶子节点存放的是指针。但是！**如果 SQL 查的就是主键呢?**

```sql
SELECT id FROM table WHERE id=1;
```

主键索引本身的 key 就是主键，查到返回就行了。这种情况就称之为覆盖索引了。

## 覆盖索引和联合索引

### 覆盖索引

如果一个索引包含（或者说覆盖）所有需要查询的字段的值，我们就称之为 **覆盖索引（Covering Index）** 。我们知道在 InnoDB 存储引擎中，如果不是主键索引，叶子节点存储的是主键+列值。最终还是要“回表”，也就是要通过主键再查找一次，这样就会比较慢。而覆盖索引就是把要查询出的列和索引是对应的，不做回表操作！

**覆盖索引即需要查询的字段正好是索引的字段，那么直接根据该索引，就可以查到数据了，而无需回表查询。**

> 如主键索引，如果一条 SQL 需要查询主键，那么正好根据主键索引就可以查到主键。再如普通索引，如果一条 SQL 需要查询 name，name 字段正好有索引，
> 那么直接根据这个索引就可以查到数据，也无需回表。

![覆盖索引](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/database/mysql20210420165341868.png)

我们这里简单演示一下覆盖索引的效果。

1、创建一个名为 `cus_order` 的表，来实际测试一下这种排序方式。为了测试方便， `cus_order` 这张表只有 `id`、`score`、`name`这 3 个字段。

```sql
CREATE TABLE `cus_order` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `score` int(11) NOT NULL,
  `name` varchar(11) NOT NULL DEFAULT '',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=100000 DEFAULT CHARSET=utf8mb4;
```

2、定义一个简单的存储过程（PROCEDURE）来插入 100w 测试数据。

```sql
DELIMITER ;;
CREATE DEFINER=`root`@`%` PROCEDURE `BatchinsertDataToCusOder`(IN start_num INT,IN max_num INT)
BEGIN
      DECLARE i INT default start_num;
      WHILE i < max_num DO
          insert into `cus_order`(`id`, `score`, `name`)
          values (i,RAND() * 1000000,CONCAT('user', i));
          SET i = i + 1;
      END WHILE;
  END;;
DELIMITER ;
```

存储过程定义完成之后，我们执行存储过程即可！

```sql
CALL BatchinsertDataToCusOder(1, 1000000); # 插入100w+的随机数据
```

等待一会，100w 的测试数据就插入完成了！

3、创建覆盖索引并使用 `EXPLAIN` 命令分析。

为了能够对这 100w 数据按照 `score` 进行排序，我们需要执行下面的 SQL 语句。

```sql
SELECT `score`,`name` FROM `cus_order` ORDER BY `score` DESC;#降序排序
```

使用 `EXPLAIN` 命令分析这条 SQL 语句，通过 `Extra` 这一列的 `Using filesort` ，我们发现是没有用到覆盖索引的。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/mysql/not-using-covering-index-demo.png)

不过这也是理所应当，毕竟我们现在还没有创建索引呢！

我们这里以 `score` 和 `name` 两个字段建立联合索引：

```sql
ALTER TABLE `cus_order` ADD INDEX id_score_name(score, name);
```

创建完成之后，再用 `EXPLAIN` 命令分析再次分析这条 SQL 语句。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/mysql/using-covering-index-demo.png)

通过 `Extra` 这一列的 `Using index` ，说明这条 SQL 语句成功使用了覆盖索引。

关于 `EXPLAIN` 命令的详细介绍请看：[MySQL 执行计划分析](https://javaguide.cn/database/mysql/mysql-query-execution-plan.html)这篇文章。

### 联合索引

使用表中的多个字段创建索引，就是 **联合索引**，也叫 **组合索引** 或 **复合索引**。

以 `score` 和 `name` 两个字段建立联合索引：

```sql
ALTER TABLE `cus_order` ADD INDEX id_score_name(score, name);
```

### 最左前缀匹配原则

最左前缀匹配原则指的是，在使用联合索引时，**MySQL** 会根据联合索引中的字段顺序，从左到右依次到查询条件中去匹配，如果查询条件中存在与联合索引中最左侧字段相匹配的字段，则就会使用该字段过滤一批数据，直至联合索引中全部字段匹配完成，或者在执行过程中遇到范围查询（如 **`>`**、**`<`**）才会停止匹配。对于 **`>=`**、**`<=`**、**`BETWEEN`**、**`like`** 前缀匹配的范围查询，并不会停止匹配。所以，我们在使用联合索引时，可以将区分度高的字段放在最左边，这也可以过滤更多数据。

相关阅读：[联合索引的最左匹配原则全网都在说的一个错误结论](https://mp.weixin.qq.com/s/8qemhRg5MgXs1So5YCv0fQ)。

## 索引下推

**索引下推（Index Condition Pushdown）** 是 **MySQL 5.6** 版本中提供的一项索引优化功能，可以在非聚簇索引遍历过程中，对索引中包含的字段先做判断，过滤掉不符合条件的记录，减少回表次数。

## 正确使用索引的一些建议

### 选择合适的字段创建索引

- **不为 NULL 的字段** ：索引字段的数据应该尽量不为 NULL，因为对于数据为 NULL 的字段，数据库较难优化。如果字段频繁被查询，但又避免不了为 NULL，建议使用 0,1,true,false 这样语义较为清晰的短值或短字符作为替代。
- **被频繁查询的字段** ：我们创建索引的字段应该是查询操作非常频繁的字段。
- **被作为条件查询的字段** ：被作为 WHERE 条件查询的字段，应该被考虑建立索引。
- **频繁需要排序的字段** ：索引已经排序，这样查询可以利用索引的排序，加快排序查询时间。
- **被经常频繁用于连接的字段** ：经常用于连接的字段可能是一些外键列，对于外键列并不一定要建立外键，只是说该列涉及到表与表的关系。对于频繁被连接查询的字段，可以考虑建立索引，提高多表连接查询的效率。

### 被频繁更新的字段应该慎重建立索引

虽然索引能带来查询上的效率，但是维护索引的成本也是不小的。 如果一个字段不被经常查询，反而被经常修改，那么就更不应该在这种字段上建立索引了。

### 限制每张表上的索引数量

索引并不是越多越好，建议单张表索引不超过 5 个！索引可以提高效率同样可以降低效率。

索引可以增加查询效率，但同样也会降低插入和更新的效率，甚至有些情况下会降低查询效率。

因为 MySQL 优化器在选择如何优化查询时，会根据统一信息，对每一个可以用到的索引来进行评估，以生成出一个最好的执行计划，如果同时有很多个索引都可以用于查询，就会增加 MySQL 优化器生成执行计划的时间，同样会降低查询性能。

### 尽可能的考虑建立联合索引而不是单列索引

因为索引是需要占用磁盘空间的，可以简单理解为每个索引都对应着一颗 B+树。如果一个表的字段过多，索引过多，那么当这个表的数据达到一个体量后，索引占用的空间也是很多的，且修改索引时，耗费的时间也是较多的。如果是联合索引，多个字段在一个索引上，那么将会节约很大磁盘空间，且修改数据的操作效率也会提升。

### 注意避免冗余索引

冗余索引指的是索引的功能相同，能够命中索引(a, b)就肯定能命中索引(a) ，那么索引(a)就是冗余索引。如（name,city ）和（name ）这两个索引就是冗余索引，能够命中前者的查询肯定是能够命中后者的 在大多数情况下，都应该尽量扩展已有的索引而不是创建新索引。

### 字符串类型的字段使用前缀索引代替普通索引

前缀索引仅限于字符串类型，较普通索引会占用更小的空间，所以可以考虑使用前缀索引带替普通索引。

### 避免索引失效

索引失效也是慢查询的主要原因之一，常见的导致索引失效的情况有下面这些：

- 使用 `SELECT *` 进行查询;
- 创建了组合索引，但查询条件未遵守最左匹配原则;
- 在索引列上进行计算、函数、类型转换等操作;
- 以 `%` 开头的 LIKE 查询比如 `like '%abc'`;
- 查询条件中使用 or，且 or 的前后条件中有一个列没有索引，涉及的索引都不会被使用到;
- 发生[隐式转换](https://javaguide.cn/database/mysql/index-invalidation-caused-by-implicit-conversion.html);
- ......

### 删除长期未使用的索引

删除长期未使用的索引，不用的索引的存在会造成不必要的性能损耗。

MySQL 5.7 可以通过查询 `sys` 库的 `schema_unused_indexes` 视图来查询哪些索引从未被使用。

### 知道如何分析语句是否走索引查询

我们可以使用 `EXPLAIN` 命令来分析 SQL 的 **执行计划** ，这样就知道语句是否命中索引了。执行计划是指一条 SQL 语句在经过 MySQL 查询优化器的优化会后，具体的执行方式。

`EXPLAIN` 并不会真的去执行相关的语句，而是通过 **查询优化器** 对语句进行分析，找出最优的查询方案，并显示对应的信息。

`EXPLAIN` 的输出格式如下：

```sql
mysql> EXPLAIN SELECT `score`,`name` FROM `cus_order` ORDER BY `score` DESC;
+----+-------------+-----------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
| id | select_type | table     | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows   | filtered | Extra          |
+----+-------------+-----------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
|  1 | SIMPLE      | cus_order | NULL       | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL | 997572 |   100.00 | Using filesort |
+----+-------------+-----------+------------+------+---------------+------+---------+------+--------+----------+----------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
```

各个字段的含义如下：

| **列名**      | **含义**                                     |
| ------------- | -------------------------------------------- |
| id            | SELECT 查询的序列标识符                      |
| select_type   | SELECT 关键字对应的查询类型                  |
| table         | 用到的表名                                   |
| partitions    | 匹配的分区，对于未分区的表，值为 NULL        |
| type          | 表的访问方法                                 |
| possible_keys | 可能用到的索引                               |
| key           | 实际用到的索引                               |
| key_len       | 所选索引的长度                               |
| ref           | 当使用索引等值查询时，与索引作比较的列或常量 |
| rows          | 预计要读取的行数                             |
| filtered      | 按表条件过滤后，留存的记录数的百分比         |
| Extra         | 附加信息                                     |

篇幅问题，我这里只是简单介绍了一下 MySQL 执行计划，详细介绍请看：[MySQL 执行计划分析](https://javaguide.cn/database/mysql/mysql-query-execution-plan.html)这篇文章。
