今天的正文开始前,我要特意感谢一下评论区几位留下高质量留言的同学。
用户名是 @某、人 的同学,对文章的知识点做了梳理,然后提了关于事务可见性的问题,就是先启动但是后提交的事务,对数据可见性的影响。@夏日雨同学也提到了这个问题,我在置顶评论中回复了,今天的文章末尾也会再展开说明。@Justin和@倪大人两位同学提了两个好问题。
对于能够引发更深一步思考的问题,我会在回复的内容中写上“好问题”三个字,方便你搜索,你也可以去看看他 们的留言。
非常感谢大家很细致地看文章,并且留下了那么多和很高质量的留言。知道文章有给大家带来一些新理解,对我来说是一个很好的鼓励。同时,也让其他认真看评论区的同学,有机会发现一些自己还没有意识到的、但可能还不清晰的知识点,这也在总体上提高了整个专栏的质量。再次谢谢你们。
好了,现在就回到我们今天的正文内容。
在前面的基础篇文章中,我给你介绍过索引的基本概念,相信你已经了解了唯一索引和普通索引的区别。今天我们就继续来谈谈,在不同的业务场景下,应该选择普通索引,还是唯一索引?
假设你在维护一个市民系统,每个人都有一个唯一的身份证号,而且业务代码已经保证了不会写入两个重复的身份证号。如果市民系统需要按照身份证号查姓名,就会执行类似这样的SQL语句:
select name from CUser where id_card = 'xxxxxxxyyyyyyzzzzz';
所以,你一定会考虑在id_card字段上建索引。
由于身份证号字段比较大,我不建议你把身份证号当做主键,那么现在你有两个选择,要么给id_card字段创建唯一索引,要么创建一个普通索引。如果业务代码已经保证了不会写入重复的身份证号,那么这两个选择逻辑上都是正确的。
现在我要问你的是,从性能的角度考虑,你选择唯一索引还是普通索引呢?选择的依据是什么呢?
简单起见,我们还是用第4篇文章《深入浅出索引(上)》中的例子来说明,假设字段 k 上的值都不重复。
图1 InnoDB的索引组织结构
接下来,我们就从这两种索引对查询语句和更新语句的性能影响来进行分析。
查询过程
假设,执行查询的语句是 select id from T where k=5。这个查询语句在索引树上查找的过程,先是通过B+树从树根开始,按层搜索到叶子节点,也就是图中右下角的这个数据页,然后可以认为数据页内部通过二分法来定位记录。
- 对于普通索引来说,查找到满足条件的第一个记录(5,500)后,需要查找下一个记录,直到碰到第一个不满足k=5条件的记录。
- 对于唯一索引来说,由于索引定义了唯一性,查找到第一个满足条件的记录后,就会停止继续检索。
那么,这个不同带来的性能差距会有多少呢?答案是,微乎其微。
你知道的,InnoDB的数据是按数据页为单位来读写的。也就是说,当需要读一条记录的时候 ,并不是将这个记录本身从磁盘读出来,而是以页为单位,将其整体读入内存。在InnoDB中,每个数据页的大小默认是16KB。
因为引擎是按页读写的,所以说,当找到k=5的记录的时候,它所在的数据页就都在内存里了。那么,对于普通索引来说,要多做的那一次“查找和判断下一条记录”的操作,就只需要一次指针寻找和一次计算。
当然,如果k=5这个记录刚好是这个数据页的最后一个记录,那么要取下一个记录,必须读取下一个数据页,这个操作会稍微复杂一些。
但是,我们之前计算过,对于整型字段,一个数据页可以放近千个key,因此出现这种情况的概率会很低。所以,我们计算平均性能差异时,仍可以认为这个操作成本对于现在的CPU来说可以忽略不计。
更新过程
为了说明普通索引和唯一索引对更新语句性能的影响这个问题,我需要先跟你介绍一下change buffer。
当需要更新一个数据页时,如果数据页在内存中就直接更新,而如果这个数据页还没有在内存中的话,在不影响数据一致性的前提下,InnoDB会将这些更新操作缓存在change buffer中,这样就不需要从磁盘中读入这个数据页了。在下次查询需要访问这个数据页的时候,将数据页读入内存,然后执行change buffer中与这个页有关的操作。通过这种方式就能保证这个数据逻辑的正确性。
需要说明的是,虽然名字叫作change buffer,实际上它是可以持久化的数据。也就是说,change buffer在内存中有拷贝,也会被写入到磁盘上。
将change buffer中的操作应用到原数据页,得到最新结果的过程称为merge。除了访问这个数据页会触发merge外,系统有后台线程会定期merge。在数据库正常关闭(shutdown)的过程中,也会执行merge操作。
显然,如果能够将更 新操作先记录在change buffer,减少读磁盘,语句的执行速度会得到明显的提升。而且,数据读入内存是需要占用buffer pool的,所以这种方式还能够避免占用内存,提高内存利用率。
那么,什么条件下可以使用change buffer呢?
对于唯一索引来说,所有的更新操作都要先判断这个操作是否违反唯一性约束。比如,要插入(4,400)这个记录,就要先判断现在表中是否已经存在k=4的记录,而这必须要将数据页读入内存才能判断。如果都已经读入到内存了,那直接更新内存会更快,就没必要使用change buffer了。
因此,唯一索引的更新就不能使用change buffer,实际上也只有普通索引可以使用。
change buffer用的是buffer pool里的内存,因此不能无限增大。change buffer的大小,可以通过参数innodb_change_buffer_max_size来动态设置。这个参数设置为50的时候,表示change buffer的大小最多只能占用buffer pool的50%。
现在,你已经理解了change buffer的机制,那么我们再一起来看看如果要在这张表中插入一个新记录(4,400)的话,InnoDB的处理流程是怎样的。
第一种情况是,这个记录要更新的目标页在内存中。这时,InnoDB的处理流程如下:
- 对于唯一索引来说,找到3和5之间的位置,判断到没有冲突,插入这个值,语句执行结束;
- 对于普通索引来说,找到3和5之间的位置,插入这个值,语句执行结束。
这样看来,普通索引和唯一索引对更新语句性能影响的差别,只是一个判断,只会耗费微小的CPU时间。
但,这不是我们关注的重点。
第二种情况是,这个记录要更新的目标页不在内存中。这时,InnoDB的处理流程如下:
- 对于唯一索引来说,需要将数据页读入内存,判断到没有冲突,插入这个值,语句执行结束;
- 对于普通索引来说,则是将更新记录在change buffer,语句执行就结束了。
将数据从磁盘读入内存涉及随机IO的访问,是数据库里面成本最高的操作之一。change buffer因为减少了随机磁盘访问,所以对更新性能的提升是会很明显的。
之前我就碰到过一件事儿,有个DBA的同学跟我反馈说,他负责的某个业务的库内存命中率突然从99%降低到了75%,整个系统处于阻塞状态,更新语句全部堵住。而探究其原因后,我发现这个业务有大量插入数据的操作,而他在前一天把其中的某个普通索引改成了唯一索引。
change buffer的使用场景
通过上面的分析,你已经清楚了使用change buffer对更新过程的加速作用,也清楚了change buffer只限于用在普通索引的场景下,而不适用于唯一索引。那么,现在有一个问题就是:普通索引的所有场景,使用change buffer都可以起到加速作用吗?
因为merge的时候是真正进行数据更新的时刻,而change buffer的主要目的就是将记录的变更动作缓存下来,所以在一个数据页做merge之前,change buffer记录的变更越多(也就是这个页面上要更新的次数越多),收益就越大。
因此,对于写多读少的业务来说,页面在写完以后马上被访问到的概率比较小,此时change buffer的使用效果最好。这种业务模型常见的就是账单类、日志类的系统。
反过来,假设一个业务的更新模式是写入之后马上会做查询,那么即使满足了条件,将更新先记录在change buffer,但之后由于马上要访问这个数据页,会立即触发merge过程。这样随机访问IO的次数不会减少,反而增加了change buffer的维护代价。所以,对于这种业务模式来说,change buffer反而起到了副作用。