MySQL中order by的執行過程

2022-06-02 14:05:57

一、測試資料

測試的這個訂單表my_order的結構是這樣的：

CREATE TABLE `my_order` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `oid` varchar(20) NOT NULL,
  `uid` int(11) NOT NULL,
  `price` decimal(6,2) NOT NULL DEFAULT '0.00',
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE,
  KEY `uid` (`uid`) USING BTREE,
  KEY `oid` (`oid`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1000000 DEFAULT CHARSET=utf8;

使用者表my_user資料：

上面的訂單表my_order的uid 與使用者表my_user的id 關聯。

SQL 語句可以這麼寫：

SELECT
	oid,
	price 
FROM
	my_order 
WHERE
	uid = 1 
ORDER BY
	price 
	LIMIT 1000;

上面的SQL語句看上去邏輯很清晰，但是它的執行流程瞭解麼？這篇文章就來學習一下這個語句是怎麼執行的，以及有哪些引數會影響執行。

二、全欄位排序

為避免全表掃描，我們需要在 uid 欄位加上索引。在 uid 欄位加上索引之後，我們用 EXPLAIN 命令來看看這個語句的執行情況。

Extra 這個欄位中的“Using filesort”表示的就是需要排序，MySQL 會給每個執行緒分配一塊記憶體用於排序，稱為 sort_buffer。為了說明這個 SQL 查詢語句的執行過程，我們先看一下 uid 這個索引的示意圖。

如下圖所示：

通常情況下，這個語句執行流程如下：

初始化 sort_buffer，確定放入 oid、price、uid 這三個欄位；
從索引 uid 找到第一個滿足 uid = 1 條件的主鍵 id，也就是圖中的 ID-4；
到主鍵 id 索引取出整行，取 oid、price、uid 三個欄位的值，存入 sort_buffer 中；
從索引 uid 取下一個記錄的主鍵 id；
重複步驟 3、4 直到 uid 的值不滿足查詢條件為止；
對 sort_buffer 中的資料按照欄位 oid 做快速排序；
按照排序結果取前 1000 行返回給使用者端。

“按 oid 排序”這個動作，可能在記憶體中完成，也可能需要使用外部排序，這取決於排序所需的記憶體和引數 sort_buffer_size。

sort_buffer_size，就是 MySQL 為排序開闢的記憶體（sort_buffer）的大小。如果要排序的資料量小於 sort_buffer_size，排序就在記憶體中完成。但如果排序資料量太大，記憶體放不下，則不得不利用磁碟臨時檔案輔助排序。

你可以用下面介紹的方法，來確定一個排序語句是否使用了臨時檔案。

/* 開啟 optimizer_trace，只對本執行緒有效 */
SET optimizer_trace = 'enabled=on';
 
/* @a 儲存 Innodb_rows_read 的初始值 */
SELECT VARIABLE_VALUE INTO @a FROM PERFORMANCE_SCHEMA.session_status WHERE variable_name='Innodb_rows_read';
 
/* 執行語句 */
SELECT oid,price FROM my_order WHERE uid=1 ORDER BY price LIMIT 1000;
 
/* 檢視 OPTIMIZER_TRACE 輸出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`G;
 
/* @b 儲存 Innodb_rows_read 的當前值 */
SELECT VARIABLE_VALUE INTO @b FROM PERFORMANCE_SCHEMA.session_status WHERE variable_name='Innodb_rows_read';
 
/* 計算 Innodb_rows_read 差值 */
SELECT @b-@a;

這個方法是通過檢視 OPTIMIZER_TRACE 的結果來確認的，你可以從number_of_tmp_files 中看到是否使用了臨時檔案。

number_of_tmp_files 表示排序過程中使用的臨時檔案數。你一定奇怪，我當前測試的需要 0 個檔案，表示排序可以直接在記憶體中完成。如果是 n，則表示記憶體放不下時，就需要使用外部排序，外部排序一般使用歸併排序演演算法。可簡單理解，MySQL 將需要排序的資料分成 n 份，每一份單獨排序後存在這些臨時檔案中。然後把這 n 個有序檔案再合併成一個有序的大檔案。

注：當如果sort_buffer_size超過了需要排序的資料量的大小，number_of_tmp_files 就是 0，表示排序可以直接在記憶體中完成。

接下來，我再和你解釋一下上圖中其他兩個值的意思。

我們的範例表中有 99972 條滿足 uid = 1 的記錄，examined_rows=99972，表示參與排序的行數是 99972 行。

sort_mode 裡面是 additional_fields。

1、< sort_key, rowid > 對應的是MySQL 4.1之前的"原始排序模式"。表明排序緩衝區元組包含排序鍵值和原始表⾏的⾏id，排序後需要使⽤⾏id進⾏回表，這種演演算法也稱為original filesort algorithm(回表排序演演算法)；
2、< sort_key, additional_fields > 對應的是MySQL 4.1以後引入的"修改後排序模式"。排序緩衝區元組包含排序鍵值和查詢所需要的列，排序後直接從緩衝區元組取資料，⽆需回表，這種演演算法也稱為modified filesort algorithm(不回表排序)；
3、< sort_key, packed_additional_fields > 是MySQL 5.7.3以後引入的進一步優化的"打包資料排序模式"。這類似上⼀種形式，但是附加的列(如varchar型別)緊密地打包在⼀起，⽽不是使⽤固定長度的編碼。

同時，最後一個查詢語句 select @b-@a 的返回結果是 99973。

那為啥不是上面那個 99972 呢？

這裡需要注意的是，為了避免干擾，你可以把 internal_tmp_disk_storage_engine 設定成 MyISAM。否則，select @b-@a 的結果會顯示為 99973。這是因為查詢 OPTIMIZER_TRACE 這個表時，需要用到臨時表，而 internal_tmp_disk_storage_engine 的預設值是 InnoDB。如果使用的是 InnoDB 引擎的話，把資料從臨時表取出來的時候，會讓 Innodb_rows_read 的值加 1。

三、rowid 排序

上面那個演演算法，只對原表的資料讀了一遍，剩下的操作都是在 sort_buffer 和臨時檔案中執行的。但這個演演算法有一個問題，就是如果查詢要返回的欄位很多的話，那麼 sort_buffer 裡面要放的欄位數太多，這樣記憶體裡能夠同時放下的行數很少，要分成很多個臨時檔案，排序的效能會很差。所以如果單行很大，這個方法效率不夠好。

如果 MySQL 認為排序的單行長度太大會怎麼做呢？

下面來修改一個引數，讓 MySQL 採用另外一種演演算法。

SET max_length_for_sort_data = 16;

max_length_for_sort_data，是 MySQL 中專門控制用於排序的行資料的長度的一個引數。它的意思是，如果單行的長度超過這個值，MySQL 就認為單行太大，要換一個演演算法。oid、price這2個欄位的定義總長度是 28，我把 max_length_for_sort_data 設定為 16，我們再來看看計算過程有什麼改變。新的演演算法放入 sort_buffer 的欄位，只有要排序的列（即 price 欄位）和主鍵 id。但這時，排序的結果就因為少了 price 欄位的值，不能直接返回了，

整個執行流程就變成如下所示的樣子：

初始化 sort_buffer，確定放入兩個欄位，即 price 和 id；
從索引 uid 找到第一個滿足 uid= 1 條件的主鍵 id；
到主鍵 id 索引取出整行，取 price、id 這兩個欄位，存入 sort_buffer 中；
從索引 uid 取下一個記錄的主鍵 id；
重複步驟 3、4 直到不滿足 uid= 1 條件為止；
對 sort_buffer 中的資料按照欄位 price 進行排序；
遍歷排序結果，取前 1000 行，並按照 id 的值回到原表中取出 oid、price 2個欄位返回給使用者端。

對比全欄位排序流程圖，rowid 排序多存取了一次表 test 的主鍵索引，就是步驟 7。

說明：最後的“結果集”只是一個邏輯概念，實際上 MySQL 伺服器端從排序後的 sort_buffer 中依次取出 id，然後到原表查到 oid、price 這2個欄位的結果，不需要在伺服器端再耗費記憶體儲存結果，是直接返回給使用者端的。

那麼根據這個時候執行 select @b-@a，結果會是多少呢？

首先，圖中的 examined_rows 的值還是 99972，表示用於排序的資料是 99972 行。但是 select @b-@a 這個語句的值變成 100973 了。(比上面的 select @b-@a 99973 多了1000行，因為這時候除了排序過程外，在排序完成後，還要根據 id 去原表取值。由於語句是 limit 1000，因此會多讀 1000 行）。

從 OPTIMIZER_TRACE 的結果中，你還能看到另外有個資訊也變了。

sort_mode 變成了 <sort_key, rowid>，表示參與排序的只有 price 和 id 這兩個欄位。

四、全欄位排序與 rowid 排序比較

如果 MySQL 實在是擔心排序記憶體太小，會影響排序效率，才會採用 rowid 排序演演算法，這樣排序過程中一次可以排序更多行，但是需要再回到原表去取資料。

如果 MySQL 認為記憶體足夠大，會優先選擇全欄位排序，把需要的欄位都放到 sort_buffer 中，這樣排序後就會直接從記憶體裡面返回查詢結果了，不用再回到原表去取資料。這也就體現了 MySQL 的一個設計思想：如果記憶體夠，就要多利用記憶體，儘量減少磁碟存取。對於 InnoDB 表來說，rowid 排序會要求回表多造成磁碟讀，因此不會被優先選擇。

MySQL 做排序是一個成本比較高的操作。是不是所有的 order by 都需要排序操作呢？如果不排序就能得到正確的結果，那對系統的消耗會小很多，語句的執行時間也會變得更短。其實，並不是所有的 order by 語句，都需要排序操作的。從上面分析的執行過程，我們可以看到，MySQL 之所以需要生成臨時表，並且在臨時表上做排序操作，其原因是原來的資料都是無序的。如果能夠保證從 uid 這個索引上取出來的行，天然就是按照 price 遞增排序的話，是不是就可以不用再排序了呢？所以，我們可以在這個市民表上建立一個 uid 和 price 的聯合索引，對應的 SQL 語句是：

ALTER TABLE my_order ADD INDEX un_key (uid,price);

作為與 uid 索引的對比，我們來看看這個索引的示意圖。

在這個索引裡面，我們依然可以用樹搜尋的方式定位到第一個滿足 uid=1 的記錄，並且額外確保了，接下來按順序取“下一條記錄”的遍歷過程中，只要 uid 的值是 1，price 的值就一定是有序的。

這樣整個查詢過程的流程就變成了：

從索引 (uid,price) 找到第一個滿足 city= 1 條件的主鍵 id；
到主鍵 id 索引取出整行，取 oid、price 2個欄位的值，作為結果集的一部分直接返回；
從索引 (uid,price) 取下一個記錄主鍵 id；
重複步驟 2、3，直到查到第 1000 條記錄，或者是不滿足 uid=1 條件時迴圈結束。

這個查詢過程不需要臨時表，也不需要排序。接下來，我們用 EXPLAIN 的結果來印證一下。

從圖中可以看到，Extra 欄位中沒有 Using filesort 了，也就是不需要排序了。而且由於 (uid,price) 這個聯合索引本身有序，所以這個查詢也不用把 99972 行全都讀一遍，只要找到滿足條件的前 1000 條記錄就可以退出了。也就是說，在我們這個例子裡，只需要掃描 1000 次。同樣看下 select @b-@a;