PostgreSQL 数据库NULL值的默认排序行为与查询、索引定义规范 - nulls first\last, asc\desc
背景
在数据库中NULL值是指UNKNOWN的值，不存储任何值，在排序时，它排在有值的行前面还是后面通过语法来指定。
例如
-- 表示null排在有值行的前面
select * from tbl order by id nulls first;
-- 表示null排在有值行的后面
select * from tbl order by id nulls last; 同时对于有值行，可以指定顺序排还是倒序排。
-- 表示按ID列顺序排
select * from tbl order by id [asc];
-- 表示按ID列倒序排
select * from tbl order by id desc; 默认的排序规则如下：
desc nulls first : null large small
asc nulls last : small large null 当nulls [first|last]与asc|desc组合起来用时，是这样的。
值的顺序如下：
1、DEFAULT:（认为NULL比任意值都大）
desc nulls first : 顺序：null large small
asc nulls last : 顺序：small large null 2、NON DEFAULT: （认为NULL比任意值都小）
desc nulls last : 顺序：large small null
asc nulls first : 顺序：null small large 由于索引是固定的，当输入排序条件时，如果排序条件与索引的排序规则不匹配时，会导致无法使用索引的实惠（顺序扫描）。导致一些不必要的麻烦。
索引定义与扫描定义不一致引发的问题
1、建表，输入测试数据
create table cc(id int not null);
insert into cc select generate_series(1,1000000); 2、建立索引（使用非默认配置，null比任意值小）
create index idx_cc on cc (id asc nulls first);
或
create index idx_cc on cc (id desc nulls last); 3、查询，与索引定义的顺序（指NULL的相对位置）不一致时，即使使用索引，也需要重新SORT。
select * from table order by id desc nulls first limit 1;
select * from table order by id [asc] nulls last limit 1; 用到了额外的SORT
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id limit 1;
QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Limit (cost=27969.43..27969.43 rows=1 width=4) (actual time=263.972..263.972 rows=1 loops=1)
Output: id
Buffers: shared hit=7160
-> Sort (cost=27969.43..30469.43 rows=1000000 width=4) (actual time=263.970..263.970 rows=1 loops=1)
Output: id
Sort Key: cc.id
Sort Method: top-N heapsort Memory: 25kB
Buffers: shared hit=7160
-> Bitmap Heap Scan on public.cc (cost=8544.42..22969.42 rows=1000000 width=4) (actual time=29.927..148.733 rows=1000000 loops=1)
Output: id
Heap Blocks: exact=4425
Buffers: shared hit=7160
-> Bitmap Index Scan on idx_cc (cost=0.00..8294.42 rows=1000000 width=0) (actual time=29.380..29.380 rows=1000000 loops=1)
Buffers: shared hit=2735
Planning time: 0.098 ms
Execution time: 264.009 ms
(16 rows) 3、查询，与索引定义一致（指NULL的相对位置）时，索引有效，不需要额外SORT。
select * from table order by id desc nulls last limit 1;
select * from table order by id [asc] nulls first limit 1; 不需要额外SORT
postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id nulls first limit 1;
QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Limit (cost=0.42..0.45 rows=1 width=4) (actual time=0.014..0.014 rows=1 loops=1)
Output: id
Buffers: shared hit=4
-> Index Only Scan using idx_cc on public.cc (cost=0.42..22719.62 rows=1000000 width=4) (actual time=0.013..0.013 rows=1 loops=1)
Output: id
Heap Fetches: 1
Buffers: shared hit=4
Planning time: 0.026 ms
Execution time: 0.022 ms
(9 rows) 小结
在PostgreSQL中顺序、倒序索引是通用的。不同的是null的相对位置。
因此在创建索引时，务必与业务的需求对齐，使用一致的NULL相对顺序(nulls first 或 nulls last 与asc,desc的搭配)（即NULL挨着large value还是small value），而至于值的asc, desc实际上是无所谓的。
如果业务需求的顺序与索引的顺序不一致（指null的相对顺序），那么会导致索引需要全扫，重新SORT的问题。
内核改进
1、当约束设置了not null时，应该可以不care null的相对位置，因为都没有NULL值了，优化器应该可以不管NULL的相对位置是否与业务请求的SQL的一致性，都选择非Sort模式扫描。
2、改进索引扫描方法，支持环形扫描。
参考：
https://github.com/digoal/blog/blob/master/201711/20171111_02.md
注：
- 如果创建索引时，没有指定null的内容，但where条件部分又使用到了null的排序，那么要将asc|desc 与 last|first对应好，默认对应的操作是：
desc nulls first : null large small
asc nulls last : small large null
在没有指定null的索引中，按照上面方法对应好即可。
下面是几个测试：
swrd=# \d cc
Table "swrd.cc"
Column | Type | Modifiers
--------+---------+-----------
id | integer | not null
Indexes:
"cc_id_idx" btree (id)
swrd=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id desc nulls first;
QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Index Only Scan Backward using cc_id_idx on swrd.cc (cost=0.42..30408.42 rows=1000000 width=4) (actual time=0.044..297.796 rows=1000000 loops=1)
Output: id
Heap Fetches: 1000000
Buffers: shared hit=7159 read=1
Planning time: 0.113 ms
Execution time: 387.645 ms
(6 rows)
Time: 388.438 ms
swrd=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id desc nulls last;
QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Sort (cost=127757.34..130257.34 rows=1000000 width=4) (actual time=666.996..926.348 rows=1000000 loops=1)
Output: id
Sort Key: cc.id DESC NULLS LAST
Sort Method: external merge Disk: 13640kB
Buffers: shared hit=4425, temp read=2334 written=2334
-> Seq Scan on swrd.cc (cost=0.00..14425.00 rows=1000000 width=4) (actual time=0.020..147.384 rows=1000000 loops=1)
Output: id
Buffers: shared hit=4425
Planning time: 0.110 ms
Execution time: 1027.649 ms
(10 rows)会发现默认使用没有配置null的索引，但是在where条件中使用到了null，如果不是按照默认的对应顺序使用，则数据库会额外排序，无法使用到索引本身的排序功能。
- 而对于在创建索引时，指定了null选项，则在where条件中和索引指定的null一致即可。
