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MySQL 的索引机制

1. 认识索引

一种排好序，能够提升查询性能的数据结构。

索引是数据库管理系统（DBMS）中用于加快数据检索速度的一种数据结构。它通过创建一个指向数据库表中数据值的 “快照” 来提高查询效率，使得数据库能够更快地找到和访问所需的数据行，而无需扫描整个表。

创建索引
```
create[ unique] index 索引名 on 表名 (字段名,... ) ;
```
在创建表时，如果添加了主键和唯一约束，就会默认创建：主键索引、唯一索引。
查看索引
```
show index from 表名;
```
删除索引
```
drop index 索引名 on 表名;
```

注意事项：

主键字段，在建表时，会自动创建主键索引
添加唯一约束时，数据库实际上会添加唯一索引

索引的优点：

提高数据查询的效率，降低数据库的 IO 成本。
通过索引列对数据进行排序，降低数据排序的成本，降低 CPU 消耗。

索引的缺点：

索引会占用存储空间。
索引大大提高了查询效率，同时却也降低了 insert、update、delete 的效率，因为在对数据进行操作时，需要对索引进行维护。

2. 索引的分类

2.1 聚集（簇）索引

聚集索引决定了数据在磁盘上的物理存储顺序。也就是说，表中的记录按照聚集索引键的值进行排序并存储。

一个表只能有一个聚集索引，因为数据记录的物理排列方式只能有一种。在大多数情况下，主键会被用作聚集索引，但这不是必须的。

特点：
1. 数据行被存放在叶子节点上。
2. 能够快速地通过主键访问数据，对于范围查询特别高效。
优点：
1. 对于基于聚集索引字段的查询非常快，因为它直接指向了数据所在的物理位置。
2. 范围查询效率高，因为数据已经按索引顺序存储。
缺点：
1. 插入速度可能较慢，特别是当插入的数据不在索引末尾时，可能导致页分裂。
2. 更新聚集索引列的成本较高，因为这可能导致数据重排。

2.1.1 主键索引

InnoDB 引擎的表一定需要主键，如果不创建，数据库会自动创建并维护一个主键索引。创建主键的列建议是没有业务意义的列。

在开发中要规避没有创建主键的情况！！！

非叶子节点：存储主键值
叶子节点：存储行数据

所以通过主键可以直接在索引树上找到数据，不需要查表，速度非常快

推荐使用主键自增：

因为插入的数据始终会放在最后面，可以快速的找到插入的位置，无需做额外的开销，如移动数据的位置，旋转树等。
如果不是自增，那么就无法判断要插入的数据具体是插入到索引树的哪个一位置，所以也无法判断树中数据的变化与树的旋转。那么就会带来不必要的开销。

2.2 非聚集索引

非聚集索引不决定数据的物理存储顺序，它是一种独立于数据存储的索引结构。

每个表可以有多个非聚集索引。非聚集索引包含索引键值以及指向实际数据行的指针。

特点：
1. 索引和数据是分开存储的，索引结构中只包含索引键和指向数据行的指针。
2. 叶子节点并不直接存储数据行，而是存储指向数据行的指针。
优点：
1. 不影响表中数据的实际存储顺序，因此添加多个非聚集索引对性能的影响相对较小。
2. 对于非聚集索引覆盖的查询，可以直接从索引中获取所需信息，无需访问数据页，提高查询效率。
缺点：
1. 对于非聚集索引覆盖之外的查询，需要两次查找，第一次找到索引，第二次通过索引找到对应的数据行。
2. 占用额外的存储空间，因为需要维护索引结构。

2.2.1 普通索引

即在普通字段上建立索引

非叶子节点：存储索引列值
叶子节点：存储的数据是主键值

为什么非主键索引的叶子节点数据存储的是主键值？

因为如果不存主键值，那么就只能存储数据。
如果数据发生了变化，不仅要维护主键索引，同时还需要维护其他索引。表示修改了一个索引的数据，会同时修改其他索引的数据，这需要带来额外的开销。

2.2.2 唯一索引

唯一索引可以确保索引列中的所有值都是唯一的，但允许包含一个或多个 NULL 值（取决于存储引擎）。
可以在单个列上定义，也可以跨越多个列。

2.2.3 联合索引

给主键以外的多个列创建索引，也叫联合索引（组合索引）

2.2.4 全文索引

主要用于全文搜索，适用于 MyISAM 和 InnoDB 存储引擎（从 MySQL 5.6 开始支持 InnoDB）。
允许对文本内容进行高效的复杂查询。

2.3 区别

聚集索引的叶子节点下挂的是这一行的数据。
二级索引（非聚集索引）的叶子节点下挂的是该字段值对应的主键值。

注意：在使用索引进行查询时，尽量避免回表查询。

什么是回表查询？

例如先到二级索引中查找数据，找到主键值，然后再到聚集索引中根据主键值，获取数据的方式，就称之为回表查询。
这么避免回表查询？

使用覆盖索引，即查询的列都是在索引树上的列。
回表查询的缺点：
1. 性能损耗：回表查询需要额外的 I/O 操作，因为数据库需要先从非聚集索引中读取相关记录的指针，然后再到实际的数据页中去获取完整的行数据。
2. 增加系统负载：由于回表查询涉及到多次的磁盘I/O操作，这无疑增加了数据库系统的负载，特别是在高并发场景下，可能会导致系统响应变慢，甚至出现性能瓶颈。
3. 限制了索引的效果：大部分性能优势被额外的数据检索过程所抵消。

3. 索引的底层

3.1 B 树

B 树存储的是索引值和行数据，所以会导致一个节点存储的数据有限，一个节点共有 16KB 左右，一行数据大概是 1KB，加上索引后导致一个节点只能存储大约 15 个数据，因此存储结构约为：

第一层：存 15 个数据
第二层：存 15 * 15 个数据
第三层：存 15 * 15 * 15 个数据
以此类推

会发现，要想存储大量数据，树的高度会越来越高，那么在查询的时候，走的路径就越长，查询效率就越慢，效率也会很低。

3.2 B+Tree

为了解决 B 树存在的问题，MySQL 底层在 B 树的基础上，引入的 B+Tree，而 B+ 树的非叶子节点存储的是索引值和指向下个索引值的指针，一个索引值大于占 8B，而指针占 6B，总共 14B，因此一个节点可以存储 1170（16 * 1024B / 14B = 1170）左右个数据，因此树形结构为：

一层存储 1170 个数据
二层存储 1170*1170 个数据
三层如果存储是叶子节点，那么存储的总数据量为 1170 * 1170 * 15 = 2000W+ 的数据

这就已经可以满足 MySQL 一般的表数据结构的存储。

此外，在 B+树的叶子之间也使用了双向指针，提高区间查询的性能。

在阿里巴巴开发规约中，提到 “单表行数超过 500 万行或者单表容量超过 2GB，才推荐进行分库分表”，这也就意味着，数据库数据基本不会达到 2000+W，因此在使用 B+树时，最多经过三次查找，就能查到数据。

4. 创建索引的要求

单表索引不超过 5 个（根据业务可以更多）；
联合索引的字段不超过 5 个（根据业务可以更多）；
经常增删改的字段不适合创建索引；
枚举值字段不适合创建索引；
不经常修改，经常查询的字段适合创建索引；
大长度的字段，可以设置前缀索引（为字段的前几个字符建立索引）

前缀索引：

CREATE TABLE users (user_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,    username VARCHAR(255), email VARCHAR(255) );
-- 创建前缀索引
CREATE INDEX idx_username_prefix ON users (username(10));

使用指定字段开头的 10 个字符建立索引，如果长度不足 10 位，那么将使用全部的字段用于索引（不会出现为空的情况）。

5. 创建索引语法

主键索引

命名要求：pk_列名 （primary key —— 主键）
普通索引

语法：create index 索引名称 on 表名(具体的列名)

命名要求：idx_列名
唯一索引

语法：create unique index 索引名称 on 表名(列名)

命名要求：uk_列名 （unique —— 唯一）
联合索引

语法：create index 索引名称 on 表名(列1,列2)

命名要求：idx_列1_列2