MySQL实战45讲学习笔记：第十六讲

一、今日内容概要

在你开发应用的时候，一定会经常碰到需要根据指定的字段排序来显示结果的需求。还是以我们前面举例用过的市民表为例，假设你要查询城市是“杭州”的所有人名字，并且按
照姓名排序返回前 1000 个人的姓名、年龄。

假设这个表的部分定义是这样的：

CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `city` varchar(16) NOT NULL,
  `name` varchar(16) NOT NULL,
  `age` int(11) NOT NULL,
  `addr` varchar(128) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `city` (`city`)
) ENGINE=InnoDB;

这时，你的 SQL 语句可以这么写：

select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000  ;

这个语句看上去逻辑很清晰，但是你了解它的执行流程吗？今天，我就和你聊聊这个语句是怎么执行的，以及有什么参数会影响执行的行为

二、全字段排序

前面我们介绍过索引，所以你现在就很清楚了，为避免全表扫描，我们需要在 city 字段加上索引。

1、全字段排序执行流程

在 city 字段上创建索引之后，我们用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。

图 1 使用 explain 命令查看语句的执行情况

1、Using filesort是什么意思？

1、Extra 这个字段中的“Using filesort”表示的就是需要排序，

2、MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序，称为 sort_buffer。

为了说明这个 SQL 查询语句的执行过程，我们先来看一下 city 这个索引的示意图。

图 2 city 字段的索引示意图

从图中可以看到，满足 city='杭州’条件的行，是从 ID_X 到 ID_(X+N) 的这些记录。

通常情况下，这个语句执行流程如下所示 ：

1. 初始化 sort_buffer，确定放入 name、city、age 这三个字段；
2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_X；
3. 到主键 id 索引取出整行，取 name、city、age 三个字段的值，存入 sort_buffer 中；
4. 从索引 city 取下一个记录的主键 id；
5. 重复步骤 3、4 直到 city 的值不满足查询条件为止，对应的主键 id 也就是图中的ID_Y；
6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 做快速排序；
7. 按照排序结果取前 1000 行返回给客户端。

2、全字段排序图解执行流程

我们暂且把这个排序过程，称为全字段排序，执行流程的示意图如下所示，下一篇文章中我们还会用到这个排序。

图 3 全字段排序

3、按 name 排序的动作都会在哪里完成？

1、图中“按 name 排序”这个动作，可能在内存中完成，

2、也可能需要使用外部排序，这取决于排序所需的内存和参数 sort_buffer_size。

3、sort_buffer_size，就是 MySQL 为排序开辟的内存（sort_buffer）的大小。如果要排序的数据量小于 sort_buffer_size，排序就在内存中完成。

4、但如果排序数据量太大，内存放不下，则不得不利用磁盘临时文件辅助排序。

1、如何确定一个排序语句是否使用了临时文件？

你可以用下面介绍的方法，来确定一个排序语句是否使用了临时文件。

/* 打开 optimizer_trace，只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on'; 

/* @a 保存 Innodb_rows_read 的初始值 */
select VARIABLE_VALUE into @a from  performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';

/* 执行语句 */
select city, name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000; 

/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G

/* @b 保存 Innodb_rows_read 的当前值 */
select VARIABLE_VALUE into @b from performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';

/* 计算 Innodb_rows_read 差值 */
select @b-@a;

这个方法是通过查看 OPTIMIZER_TRACE 的结果来确认的，你可以从number_of_tmp_files 中看到是否使用了临时文件。

 图 4 全排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分结果

4、rowid 排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分输出字段说明

1、sort_mode 里面的 packed_additional_fields 的意思是，排序过程对字符串做了“紧凑”处理。即使 name 字段的定义是 varchar(16)，在排序过程中还是要按照实际长度来分配空间的。

2、同时，最后一个查询语句 select @b-@a 的返回结果是 4000，表示整个执行过程只扫描了 4000 行。

这里需要注意的是，为了避免对结论造成干扰，我把 internal_tmp_disk_storage_engine设置成 MyISAM。否则，select @b-@a 的结果会显示为 4001。

这是因为查询 OPTIMIZER_TRACE 这个表时，需要用到临时表，而internal_tmp_disk_storage_engine 的默认值是 InnoDB。如果使用的是 InnoDB 引擎的话，把数据从临时表取出来的时候，会让 Innodb_rows_read 的值加 1。

三、rowid 排序

在上面这个算法过程里面，只对原表的数据读了一遍，剩下的操作都是在 sort_buffer 和临时文件中执行的。但这个算法有一个问题，就是如果查询要返回的字段很多的话，那么
sort_buffer 里面要放的字段数太多，这样内存里能够同时放下的行数很少，要分成很多个临时文件，排序的性能会很差。

所以如果单行很大，这个方法效率不够好。

那么，如果 MySQL 认为排序的单行长度太大会怎么做呢？

接下来，我来修改一个参数，让 MySQL 采用另外一种算法。

SET max_length_for_sort_data = 16;

1、改变单行最大长度后有什么改变？

• 1、max_length_for_sort_data，是 MySQL 中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数。
• 2、它的意思是，如果单行的长度超过这个值，MySQL 就认为单行太大，要换一个算法。
• 3、city、name、age 这三个字段的定义总长度是 36，我把 max_length_for_sort_data 设置为 16，我们再来看看计算过程有什么改变。
• 4、新的算法放入 sort_buffer 的字段，只有要排序的列（即 name 字段）和主键 id。

1、改变后的流程

但这时，排序的结果就因为少了 city 和 age 字段的值，不能直接返回了，整个执行流程就变成如下所示的样子：

1. 初始化 sort_buffer，确定放入两个字段，即 name 和 id；
2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_X；
3. 到主键 id 索引取出整行，取 name、id 这两个字段，存入 sort_buffer 中；
4. 从索引 city 取下一个记录的主键 id；
5. 重复步骤 3、4 直到不满足 city='杭州’条件为止，也就是图中的 ID_Y；
6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 进行排序；
7. 遍历排序结果，取前 1000 行，并按照 id 的值回到原表中取出 city、name 和 age 三个字段返回给客户端。

2、图解改变后的流程

这个执行流程的示意图如下，我把它称为 rowid 排序。

图 5 rowid 排序

对比图 3 的全字段排序流程图你会发现，rowid 排序多访问了一次表 t 的主键索引，就是步骤 7。

需要说明的是，最后的“结果集”是一个逻辑概念，实际上 MySQL 服务端从排序后的sort_buffer 中依次取出 id，然后到原表查到 city、name 和 age 这三个字段的结果，不

需要在服务端再耗费内存存储结果，是直接返回给客户端的。

根据这个说明过程和图示，你可以想一下，这个时候执行 select @b-@a，结果会是多少呢？

现在，我们就来看看结果有什么不同。

首先，图中的 examined_rows 的值还是 4000，表示用于排序的数据是 4000 行。但是select @b-@a 这个语句的值变成 5000 了。

因为这时候除了排序过程外，在排序完成后，还要根据 id 去原表取值。由于语句是 limit1000，因此会多读 1000 行。

图 6 rowid 排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分输出

3、rowid 排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分输出字段说明

1、从 OPTIMIZER_TRACE 的结果中，你还能看到另外两个信息也变了。

2、sort_mode 变成了 <sort_key, rowid>，表示参与排序的只有 name 和 id 这两个字段。

3、number_of_tmp_files 变成 10 了，是因为这时候参与排序的行数虽然仍然是 4000行，但是每一行都变小了，因此需要排序的总数据量就变小了，需要的临时文件也相应地变少了。

四、全字段排序 VS rowid 排序

我们来分析一下，从这两个执行流程里，还能得出什么结论。

1、内存足够大会如何处理

如果 MySQL 实在是担心排序内存太小，会影响排序效率，才会采用 rowid 排序算法，

这样排序过程中一次可以排序更多行，但是需要再回到原表去取数据。

2、内存足够小会如何处理

如果 MySQL 认为内存足够大，会优先选择全字段排序，把需要的字段都放到 sort_buffer中，

这样排序后就会直接从内存里面返回查询结果了，不用再回到原表去取数据。这也就体现了 MySQL 的一个设计思想：如果内存够，就要多利用内存，尽量减少磁盘访问。

对于 InnoDB 表来说，rowid 排序会要求回表多造成磁盘读，因此不会被优先选择。这个结论看上去有点废话的感觉，但是你要记住它，下一篇文章我们就会用到。

1、是不是所有的 order by 都需要排序操作呢？

看到这里，你就了解了，MySQL 做排序是一个成本比较高的操作。那么你会问，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确的结果，那对系统的消耗
会小很多，语句的执行时间也会变得更短。

其实，并不是所有的 order by 语句，都需要排序操作的。从上面分析的执行过程，我们可以看到，MySQL 之所以需要生成临时表，并且在临时表上做排序操作，其原因是原来
的数据都是无序的。

你可以设想下，如果能够保证从 city 这个索引上取出来的行，天然就是按照 name 递增排序的话，是不是就可以不用再排序了呢？

确实是这样的。

所以，我们可以在这个市民表上创建一个 city 和 name 的联合索引，对应的 SQL 语句是：

alter table t add index city_user(city, name);

作为与 city 索引的对比，我们来看看这个索引的示意图。

图 7 city 和 name 联合索引示意图

在这个索引里面，我们依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足 city='杭州’的记录，并且额外确保了，接下来按顺序取“下一条记录”的遍历过程中，只要 city 的值是杭州，
name 的值就一定是有序的。

2、不需要排序的查询流程

这样整个查询过程的流程就变成了

1. 从索引 (city,name) 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id；
2. 到主键 id 索引取出整行，取 name、city、age 三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
3. 从索引 (city,name) 取下一个记录主键 id；
4. 重复步骤 2、3，直到查到第 1000 条记录，或者是不满足 city='杭州’条件时循环结束。

图 8 引入 (city,name) 联合索引后，查询语句的执行计划

3、不需要排序查询执行计划

可以看到，这个查询过程不需要临时表，也不需要排序。接下来，我们用 explain 的结果来印证一下

图 9 引入 (city,name) 联合索引后，查询语句的执行计划

从图中可以看到，Extra 字段中没有 Using filesort 了，也就是不需要排序了。而且由于(city,name) 这个联合索引本身有序，所以这个查询也不用把 4000 行全都读一遍，只要找
到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了。也就是说，在我们这个例子里，只需要扫描1000 次。

4、这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢？

既然说到这里了，我们再往前讨论，这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢？不知道你还记不记得，我在第 5 篇文章《 深入浅出索引（下）》中，和你介绍的覆盖索引。

这里我们可以再稍微复习一下。覆盖索引是指，索引上的信息足够满足查询请求，不需要再回到主键索引上去取数据。

按照覆盖索引的概念，我们可以再优化一下这个查询语句的执行流程。

针对这个查询，我们可以创建一个 city、name 和 age 的联合索引，对应的 SQL 语句就是：

alter table t add index city_user_age(city, name, age);

1、查询语句的执行流程？

这时，对于 city 字段的值相同的行来说，还是按照 name 字段的值递增排序的，此时的查询语句也就不再需要排序了。这样整个查询语句的执行流程就变成了：

1. 从索引 (city,name,age) 找到第一个满足 city='杭州’条件的记录，取出其中的 city、name 和 age 这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；

2. 从索引 (city,name,age) 取下一个记录，同样取出这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；

3. 重复执行步骤 2，直到查到第 1000 条记录，或者是不满足 city='杭州’条件时循环结束。

图 10 引入 (city,name,age) 联合索引后，查询语句的执行流程

2、查询语句的执行计划

然后，我们再来看看 explain 的结果。

图 11 引入 (city,name,age) 联合索引后，查询语句的执行计划

可以看到，Extra 字段里面多了“Using index”，表示的就是使用了覆盖索引，性能上会快很多。

当然，这里并不是说要为了每个查询能用上覆盖索引，就要把语句中涉及的字段都建上联合索引，毕竟索引还是有维护代价的。这是一个需要权衡的决定。

五、小结

今天这篇文章，我和你介绍了 MySQL 里面 order by 语句的几种算法流程。

在开发系统的时候，你总是不可避免地会使用到 order by 语句。你心里要清楚每个语句的排序逻辑是怎么实现的，还要能够分析出在最坏情况下，每个语句的执行对系统资源的
消耗，这样才能做到下笔如有神，不犯低级错误。

最后，我给你留下一个思考题吧。

假设你的表里面已经有了 city_name(city, name) 这个联合索引，然后你要查杭州和苏州两个城市中所有的市民的姓名，并且按名字排序，显示前 100 条记录。如果 SQL 查询语
句是这么写的 ：

mysql> select * from t where city in ('杭州'," 苏州 ") order by name limit 100;

那么，这个语句执行的时候会有排序过程吗，为什么？

如果业务端代码由你来开发，需要实现一个在数据库端不需要排序的方案，你会怎么实现呢？

进一步地，如果有分页需求，要显示第 101 页，也就是说语句最后要改成 “limit10000,100”， 你的实现方法又会是什么呢？

你可以把你的思考和观点写在留言区里，我会在下一篇文章的末尾和你讨论这个问题。感谢你的收听，也欢迎你把这篇文章分享给更多的朋友一起阅读。

六、上期问题时间

上期的问题是，当 MySQL 去更新一行，但是要修改的值跟原来的值是相同的，这时候MySQL 会真的去执行一次修改吗？还是看到值相同就直接返回呢？

这是第一次我们课后问题的三个选项都有同学选的，所以我要和你需要详细说明一下。

第一个选项是，MySQL 读出数据，发现值与原来相同，不更新，直接返回，执行结束。这里我们可以用一个锁实验来确认

假设，当前表 t 里的值是 (1,2)。

图 12 锁验证方式

session B 的 update 语句被 blocked 了，加锁这个动作是 InnoDB 才能做的，所以排除选项 1。

第二个选项是，MySQL 调用了 InnoDB 引擎提供的接口，但是引擎发现值与原来相同，不更新，直接返回。有没有这种可能呢？这里我用一个可见性实验来确认。

假设当前表里的值是 (1,2)。

图 13 可见性验证方式

session A 的第二个 select 语句是一致性读（快照读)，它是不能看见 session B 的更新的。

现在它返回的是 (1,3)，表示它看见了某个新的版本，这个版本只能是 session A 自己的update 语句做更新的时候生成。（如果你对这个逻辑有疑惑的话，可以回顾下第 8 篇文
章《事务到底是隔离的还是不隔离的？》中的相关内容）

所以，我们上期思考题的答案应该是选项 3，即：InnoDB 认真执行了“把这个值修改成(1,2)"这个操作，该加锁的加锁，该更新的更新。

然后你会说，MySQL 怎么这么笨，就不会更新前判断一下值是不是相同吗？如果判断一下，不就不用浪费 InnoDB 操作，多去更新一次了？

其实 MySQL 是确认了的。只是在这个语句里面，MySQL 认为读出来的值，只有一个确定的 (id=1), 而要写的是 (a=3)，只从这两个信息是看不出来“不需要修改”的。

作为验证，你可以看一下下面这个例子。

图 14 可见性验证方式 -- 对照

七、补充说明：

上面我们的验证结果都是在 binlog_format=statement 格式下进行的。

@didiren 补充了一个 case， 如果是 binlog_format=row 并且binlog_row_image=FULL 的时候，由于 MySQL 需要在 binlog 里面记录所有的字段，
所以在读数据的时候就会把所有数据都读出来了。

根据上面说的规则，“既然读了数据，就会判断”， 因此在这时候，select * from twhere id=1，结果就是“返回 (1,2)”。

同理，如果是 binlog_row_image=NOBLOB, 会读出除 blob 外的所有字段，在我们这个例子里，结果还是“返回 (1,2)”。

对应的代码如图 15 所示。这是 MySQL 5.6 版本引入的，在此之前我没有看过。所以，特此说明。

图 15 binlog_row_image=FULL 读字段逻辑

类似的，@mahonebags 同学提到了 timestamp 字段的问题。结论是：如果表中有timestamp 字段而且设置了自动更新的话，那么更新“别的字段”的时候，MySQL 会读
入所有涉及的字段，这样通过判断，就会发现不需要修改。

这两个点我会在后面讲更新性能的文章中再展开。

八、经典留言

1、某、人

1、回答下@发条橙子同学的问题:

问题一：

1)无条件查询如果只有order by create_time,即便create_time上有索引,也不会使用到。
因为优化器认为走二级索引再去回表成本比全表扫描排序更高。
所以选择走全表扫描,然后根据老师讲的两种方式选择一种来排序
2)无条件查询但是是order by create_time limit m.如果m值较小,是可以走索引的.
因为优化器认为根据索引有序性去回表查数据,然后得到m条数据,就可以终止循环,那么成本比全表扫描小,则选择走二级索引。
即便没有二级索引,mysql针对order by limit也做了优化,采用堆排序。这部分老师明天会讲

问题二:
如果是group by a,a上不能使用索引的情况,是走rowid排序。
如果是group by limit,不能使用索引的情况,是走堆排序
如果是只有group by a,a上有索引的情况,又根据选取值不同,索引的扫描方式又有不同
select * from t group by a --走的是索引全扫描,至于这里为什么选择走索引全扫描,还需要老师解惑下
select a from t group by a --走的是索引松散扫描,也就说只需要扫描每组的第一行数据即可,不用扫描每一行的值

问题三:
bigint和int加数字都不影响能存储的值。
bigint(1)和bigint(19)都能存储2^64-1范围内的值,int是2^32-1。只是有些前端会根据括号里来截取显示而已。建议不加varchar()就必须带,因为varchar()括号里的数字代表能存多少字符。假设varchar(2),就只能存两个字符,不管是中文还是英文。目前来看varchar()这个值可以设得稍稍大点,因为内存是按照实际的大小来分配内存空间的,不是按照值来预分配的。

2、老师我有几个问题:

1.我还是想在确认之前问的问题。一个长连接,一条sql申请了sort_buffer_size等一系列的会话级别的内存,sql成功执行完,该连接变为sleep状态。这些内存只是内容会被情况,但是占用的内存空间不会释放?
2.假设要给a值加1,执行器先找引擎取a=1的行,然后执行器给a+1,在调用接口写入a+1了数据。那么加锁不应该是在执行器第一次去取数据时，引擎层就加该加的锁？为什么要等到第二次调用写入数据时,才加锁。第一次和第二次之间,难道不会被其他事务修改吗？如果没有锁保证
3.始终没太明白堆排序是采用的什么算法使得只需要对limit的数据进行排序就可以,而不是排序所有的数据在取前m条。--不过这里期待明天的文章

3、作者回复: 发条橙子同学的问题：

问题1:你回答得比我回复的答案还好！👍🏿
问题2:这个后面我们展开哈，要配图才能说得清😄
问题3:回答得也很好，需要注意的是255这个边界。小于255都需要一个字节记录长度，超过255就需要两个字节

4、你的问题：#好问题_#

1. 排序相关的内存在排序后就free掉还给系统了
2. 读的时候加了写锁的
3. 堆排序要读所有行的，只读一次，我估计你已经理解对了😄

2、XD

老师，基于早上知道的sort_buffer是在server层，我重新理解了下rowid排序的过程，

1，执行器查看表定义，发现name、city、age字段的长度之和超过max_length_for_sort_data，所以初始化sort_buffer的时候只放入id和name字段。
2，执行器调用存储引擎的读数据接口，依次获取满足条件的数据的id和name，存入sort_buffer。
3，排序。
4，执行器根据limit条件筛选出id，再次调用引擎读数据的接口获取相应的数据，返回客户端。
整个过程实际上是被执行器拆成了两次查询，共调用两次存储层的读数据接口，所以总的扫描行数需要相加。（@b-@a=5000）

但是对于using index condition的场景，执行器只调用了一次查询接口，回表是由存储层来完成的，所以扫描行数只算一次，即只算走索引搜索的过程中扫描的行数。（@b-@a只会是4000）

不知道这么理解对不对？

作者回复:

不仅对，而且非常好！👍👍

把两个知识点连起来了。是的：
1. rows_examined就是“server层调用引擎取一行的时候”加1；
2. 引擎内部自己调用，读取行，不加1；

再补充一个例子：
加索引的时候，也要扫描全表，但如果是inplace DDL（@第13篇），你会看到扫描行数是0，也是因为这些扫描动作都是引擎内部自己调用的。

3、波波

1.MySQL会为每个线程分配一个内存（sort_buffer）用于排序该内存大小为sort_buffer_size

1>如果排序的数据量小于sort_buffer_size，排序将会在内存中完成
2>如果排序数据量很大，内存中无法存下这么多数据，则会使用磁盘临时文件来辅助排序，也称外部排序
3>在使用外部排序时，MySQL会分成好几份单独的临时文件用来存放排序后的数据，然后在将这些文件合并成一个大文件

2.mysql会通过遍历索引将满足条件的数据读取到sort_buffer，并且按照排序字段进行快速排序

1>如果查询的字段不包含在辅助索引中，需要按照辅助索引记录的主键返回聚集索引取出所需字段
2>该方式会造成随机IO，在MySQL5.6提供了MRR的机制，会将辅助索引匹配记录的主键取出来在内存中进行排序，然后在回表
3>按照情况建立联合索引来避免排序所带来的性能损耗，允许的情况下也可以建立覆盖索引来避免回表

3、全字段排序

1.通过索引将所需的字段全部读取到sort_buffer中
2.按照排序字段进行排序
3.将结果集返回给客户端

缺点：

1.造成sort_buffer中存放不下很多数据，因为除了排序字段还存放其他字段，对sort_buffer的利用效率不高
2.当所需排序数据量很大时，会有很多的临时文件，排序性能也会很差

优点：MySQL认为内存足够大时会优先选择全字段排序，因为这种方式比rowid 排序避免了一次回表操作

4、rowid排序

1.通过控制排序的行数据的长度来让sort_buffer中尽可能多的存放数据，max_length_for_sort_data
2.只将需要排序的字段和主键读取到sort_buffer中，并按照排序字段进行排序
3.按照排序后的顺序，取id进行回表取出想要获取的数据
4.将结果集返回给客户端

优点：更好的利用内存的sort_buffer进行排序操作，尽量减少对磁盘的访问

缺点：回表的操作是随机IO，会造成大量的随机读，不一定就比全字段排序减少对磁盘的访问