作为开发人员，碰到了执行时间较长的 sql 时，基本上大家都会说” 加个索引吧”。但是索引是什么东西，索引有哪些特性，下面和大家简单讨论一下。
1 索引如何工作，是如何加快查询速度
索引就好比书本的目录，提高数据库表数据访问速度的数据库对象。当我们的请求打过来之后，如果有目录，就会快速的定位到章节，再从章节里找到数据。如果没有目录，如大海捞针一般，难度可见一斑。这就是我们经常碰到的罪魁祸首，全表扫描。
一条索引记录中包含的基本信息包括：键值（即你定义索引时指定的所有字段的值）+ 逻辑指针（指向数据页或者另一索引页）。通常状况下，由于索引记录仅包含索引字段值（以及 4-9 字节的指针），索引实体比真实的数据行要小许多，索引页相较数据页来说要密集许多。一个索引页可以存储数量更多的索引记录，这意味着在索引中查找时在 I/O 上占很大的优势，理解这一点有助于从本质上了解使用索引的优势，也是大部分性能优化所需要切入的点。
1）没有索引的情况下访问数据：
2）使用平衡二叉树结构索引的情况下访问数据：
第一张图没有使用索引我们会进行顺序查找，依照数据顺序逐个进行匹配，进行了 5 次寻址才查询出所需数据，第二张图用了一个简单的平衡二叉树索引之后我们只用了 3 次，这还是数据量小的情况下，数据量大了效果更明显，所以总结来说创建索引就是为了加快数据查找速度；
2 索引的组成部分和种类
常见的索引的实现方式有很多种，比如 hash、数组、树，下面为大家介绍下这几种模型使用上有什么区别
2.1 hash
hash 思路简单，就是把我们插入的 key 通过 hash 函数算法 (以前一般是取余数，就好比 hashmap 的计算方式移位异或之类的)，计算出对应的 value，把这个 value 放到一个位置，这个位置叫做哈希槽。对应磁盘位置指针放入 hash 槽里面。一句话总结 hash 索引，就是存储了索引字段的 hash 值和数据所在磁盘文件指针。
但是不可避免的是，无论什么算法，数据量大了之后难免会出现不同的数据被放在一个 hash 槽里面。比如字典上的 “吴” 和” 武” 就是同音，你查字典的时候到这里只能顺序往下去找了。索引的处理也是这样，会拉出一个链表，需要的时候顺序遍历即可。
如果我们需要区间查询的时候，hash 索引的性能就不尽如人意了。这个时候有序数组的优势就能体现出来了。
当我们需要从一个有序数组里取 A 和 B 之间的值时，只需要通过二分法定位到 A 的位置，时间复杂度 O (log (N)), 接着从 A 遍历到 B 即可，论速度的话，基本上可以说是最快的了。但是当我们需要更新的时候，需要进行的操作就很多了。如果需要插入一条数据，你需要挪动数据之后的所有数据，浪费性能。所以总结来说，只有不怎么变化的数据适合有序数组结构的索引。
基本原则是树的左节点都小于父节点，右节点都大于父节点
这里我们就能看出来，二叉搜索树的查询效率原则上是 O (log (N))，为了保证是平衡二叉树，更新效率也是 O (log (N))。但是数据很多的情况树的高度会达到很高，过多次访问磁盘，是不可取的。并且极端情况下，树退化成链表，查询的复杂度会被拉成 O (n)。
进化成多叉树，也就是多个子节点的时候，会大大的减少树的高度，降低访问磁盘。
在每个节点存储多个元素，在每个节点尽可能多的存储数据。每个节点可以存储 1000 个索引（16k/16=1000），这样就将二叉树改造成了多叉树，通过增加树的叉树，将树从高瘦变为矮胖。构建 1 百万条数据，树的高度只需要 2 层就可以（1000*1000=1 百万），也就是说只需要 2 次磁盘 IO 就可以查询到数据。磁盘 IO 次数变少了，查询数据的效率也就提高了。
这种数据结构我们称为 B 树，B 树是一种多叉平衡查找树
2.5 B + 树
B + 树和 B 树最主要的区别在于非叶子节点是否存储数据的问题。
正是因为 B + 树的叶子节点是通过链表连接的，所以找到下限后能很快进行区间查询，比正常的中序遍历快
3 索引的维护
当你 insert 一条数据的时候，索引需要做出必要的操作来保证数据的有序型。一般自增数据直接在后面加就行了，特殊情况下如果数据加到了中间，就需要挪动后面所有的数据，这样效率比较受影响。
最糟糕的情况，如果当前的数据页（页是 MySQL 存储的最小单位）存满了，需要申请一个新的数据页，这个过程被称为页分裂。如果造成了页分裂的话，势必会造成性能的影响。但是 mysql 并不是无脑的数据分裂，如果你是从中间进行数据分裂的话，对于自增主键，会导致一半的性能浪费。mysql 会根据你的索引的类型，和追踪插入数据的情况决定分裂的方式，一般都存在 mysql 数据页的 head 里面，如果是零散的插入，会从中间分裂。如果是顺序插入，一般是会选择插入点开始分裂，或者插入点往后几行导致的。决定是否从中间分裂，还是从最后分裂。
如果插入的是不规则的数据，没法保证后一个值比前一个大，就会触发上面说的分裂逻辑，最后达到下面的效果
所以绝大多数情况下，我们都需要使用自增索引，除非需要业务自定义主键，最好能保证只有一个索引，且索引是唯一索引。这样可以避免回表，导致查询搜索两棵树。保证数据页的有序性，可以更好的使用索引。
4 回表
通俗的讲就是，如果索引的列在 select 所需获得的列中（因为在 mysql 中索引是根据索引列的值进行排序的，所以索引节点中存在该列中的部分值）或者根据一次索引查询就能获得记录就不需要回表，如果 select 所需获得列中有大量的非索引列，索引就需要先找到主键，再到表中找到相应的列的信息，这就叫回表。
要介绍回表自然就得介绍聚集索引和非聚集索引
InnoDB 聚集索引的叶子节点存储行记录，因此， InnoDB 必须要有，且只有一个聚集索引：
当我们使用普通索引查询方式，则需要先搜索普通索引树，然后得到主键 ID 后，再到 ID 索引树搜索一次。因为非主键索引的叶子节点里面，实际存的是主键的 ID。这个过程虽然用了索引，但实际上底层进行了两次索引查询，这个过程就称为回表。也就是说，基于非主键索引的查询需要多扫描一棵索引树。因此，我们在应用中应该尽量使用主键查询。或者有高频请求时，合理建立联合索引，防止回表。
5 索引覆盖
一句话表达的话，是只需要在一棵索引树上就能获取 SQL 所需的所有列数据，无需回表，速度更快。落实到 sql 上的话，只要执行计划里面的输出结果 Extra 字段为 Using index 时，能够触发索引覆盖。
常见的优化手段，就是上面提到的，将查询的字段都建到索引里面，至于 dba 愿不愿意让你建，那就需要你们自己 battle 了。
一般索引覆盖适用的场景包括 全表 count 查询优化、列查询回表、分页回表。高版本的 mysql 已经做了优化，当命中联合索引的其中一个字段，另外一个是 id 的时候，会自动优化，无需回表。因为二级索引的叶子上存了 primary key，也算索引覆盖，无需额外成本。
6 最左匹配原则
简单来说，就是你使用 ‘xx%’的时候，符合条件的话也会使用索引。
如果是联合索引的话，我举个例子，创建一个（a,b）的联合索引
可以看到 a 的值是有顺序的，1，1，2，2，3，3，而 b 的值是没有顺序的 1，2，1，4，1，2。但是我们又可发现 a 在等值的情况下，b 值又是按顺序排列的，但是这种顺序是相对的。这是因为 MySQL 创建联合索引的规则是首先会对联合索引的最左边第一个字段排序，在第一个字段的排序基础上，然后在对第二个字段进行排序。所以 b=2 这种查询条件没有办法利用索引。举个例子，我弄一个索引，
KEYidx_time_zone(time_zone,time_string) USING BTREE
执行第一条 sql, 全表扫描
执行第二条 sql，可以看到使用了索引。
再看两条 sql，建立的索引是 KEYidx_time_zone(time_zone,time_string) USING BTREE
按照正常逻辑来说，第二条 sql 是不符合索引字段的顺序的，应该不能使用索引才对，但是实际情况却和我们期望的不太一样，这是为啥呢？
从 mysql 被 oracle 收购以后，mysql 加入了很多 oracle 以前的技术，高版本 mysql 自动优化了 where 条件的先后顺序。简单来说就是查询优化器做了这一步操作，sql 会做预处理，那一条能更好的查询就会使用那种规则。
顺便提一下 mysql 的查询优化器能帮忙干的一些事
6.1 条件转化
例如 where a=b and b=2，可以得到 a=2, 条件传递。最后的 sql 是 a=2 and b=2 > < = like 都可以传递
6.2 无效代码的排除
例如 where 1=1 and a=2, 1=1 永远是正确的，所以最后会优化成 a=2
在比如 where 1=0 永远是 false 的，这样的也会被排除掉，整 sql 无效
或者非空字段 where a is null , 这样的也会被排除
6.3 提前计算
包含数学运算的部分，例如 where a= 1+2 会帮你算好，where a=3
6.4 存取类型
当我们评估一个条件表达式，MySQL 判断该表达式的存取类型。下面是一些存取类型，按照从最优到最差的顺序进行排列：
经常看执行计划的，一眼就能看出来这是啥意思，举个例子
where index_col=2 and normal_col =3 这里就会选用 index_col=2 会作为驱动项。驱动项的意思是指一个 sql 选定他的执行计划的时候，可能有多条执行路径，一个是全表扫描，再过滤是否符合索引字段及非索引字段的值。另一种是通过索引字段，键值 = 2 找到对应的索引树，过滤后的结果，再比较是否符合非索引字段的值。一般情况下，走索引都比全表扫描需要读取磁盘的次数少，所以称它为更好的执行路径，也就是通过索引字段，作为其驱动表达式
6.5 范围存取
简单来说，a in (1,2,3) 和 a=1 or a=2 or a=3 是一样的，between 1 and 2 和 a>1 and a<2 也是一样的， 无需可以优化。
6.6 索引存取类型
避免使用相同前缀的索引，也就是一个字段不要在多个索引上有相同的前缀。比如一个字段已经建立了唯一索引，这个时候如果再给他建立一个联合索引，会导致优化器并不知道你要使用哪个索引。或者你建了前缀相同的一个单索引，一个联合索引，就算你写上了条件，也不一定能用上联合索引。当然，可以 force，这就另说了。
6.7 转换
简单的表达式可以进行转换，比如 where -2 = a 会自动变成 where a= -2 ，但是如果牵扯到数学运算，就不能转换了 比如 where 2= -a 这时候不会自动转成 where a =-2.
第二条 sql 就可以使用索引
所以 我们在开发的过程中，需要注意 sql 的写法，自觉写成 where a=-2
6.8 and、union、order by、group by 等
1）and
and 条件后，如果都没索引，扫描全表。有一个存取类型更好，见 5.4 , 会使用存储类型更好的索引，如果都一样，哪个索引先创建，用哪个。
2）union
union 每条语句单独优化
这里就会分别执行两条 sql，用到索引，再合并结果集
3）order by
order by 会过滤无效排序，比如一个字段本来就有索引
第二条 sql 和第一条的查询效果是一样的
所以，写 sql 的时候，不要写无用排序，比如 order by ‘xxx’ 这样没有意义。
4）group by
简单来说 group by 的字段，有索引会走索引，group by a order by a 这里的 order by 等于没写，结果集已经是排序完毕的了，参考 6.8-3 order by
select distinct col_a from table a 等价于 select col_a from a group by col_a
7 索引下推
主要的核心点就在于把数据筛选的过程放在了存储引擎层去处理，而不是像之前一样放到 Server 层去做过滤。
如果在一张表上，name 和 age 都建立索引，查询条件为 where name like ‘xx%’ and age=11, 在低版本的 mysql (5.6 以下) 的根据索引的最左匹配原则，可以得到放弃了 age，只根据 name 过滤数据。根据 name 拿到所有的 id 之后，再根据 id 回表。
高版本 mysql 里，没有忽略 age 这个属性，带着 age 属性过滤，直接过滤掉了 age 为 11 的数据，假设不根据 age 过滤的数据为 10 条，过滤后只剩 3 条，就少了 7 次回表。减少了 io 会大量减少性能消耗
8 小表驱动大表
小表驱动大表，也是我们听惯了的话了，其含义主要是指小表的数据集驱动大表的数据集，减少连接次数。打个比方:
表 A 有 1w 数据，表 B 有 100w 数据，如果 A 表作为驱动表，处于循环的外层，那么只需要 1w 次的连接即可。如果 B 表在外层，那么则需要循环 100w 次。
下面我们实际测试看看，准备环境 mysql 5.7+
准备两张表，一张表 ib_asn_d 数据 9175， 一张表 bs_itembase_ext_attr 数据 1584115，都在商品编码字段上有索引。
首先小表驱动大表
多次反复测试，执行时间大概 7 秒。
接下来看看大表驱动小表。
将近 300 秒，不是一个量级的。
接下来分别分析执行计划，执行计划里第一条就是驱动表。
小表驱动大表，大表用了索引，小表全表扫描，只扫描 8000 多行
大表驱动小表，大表全表扫描，需要扫描 147w 行。
经过多次测试得出了结论:
保证小表是驱动表很重要。
9 总结
END
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