MYSQL：关于索引你想知道的

洞窝技术2025-04-29 18:42

一、基础概念

索引是数据库中对一列或多列值进行排序的数据结构。其主要作用是加快数据检索速度，相当于书本的目录。本质是存储引擎层面的实现，不同存储引擎索引实现不同。

1. 索引的本质

  • 数据结构：本质上是特殊的查找数据结构，最常见的是B+树结构。
  • 存储位置：独立于表数据之外的额外存储结构。
  • 实现层面：由存储引擎实现而非服务器层，不同引擎实现方式不同。

2. 核心作用原理

  • 加速查询：通过减少全表扫描，将O(n)复杂度降至O(log n)。
  • 排序优化：对ORDER BY操作避免filesort临时表排序。
  • 连接效率：提高表连接操作的匹配速度。

3. 关键特性

  • 选择性：索引列不同值的数量与总行数的比值（Cardinality）。
  • 覆盖索引：查询列都包含在索引中时，无需回表查数据。
  • 最左前缀：复合索引使用时必须从最左列开始匹配。

4. 存储结构对比

存储引擎 默认索引类型 特性
InnoDB B+Tree 支持事务、行锁、聚集索引
MyISAM B+Tree 表锁、非聚集索引
Memory Hash 内存表、极速查询

二、索引类型

  • B-Tree索引：最常见的索引类型，适用于全键值、键值范围或键前缀查找。
  • 哈希索引：基于哈希表实现，只支持等值比较查询。
  • 全文索引：用于文本内容的搜索。
  • 空间索引：用于地理空间数据类型。

1. B-Tree索引（B+树索引）

实现方式：

css 复制代码 
基于B+树数据结构实现。
InnoDB存储引擎的默认索引类型。

特点：

复制代码 
所有值按顺序存储。
每个叶子节点到根节点的距离相同。
适合全键值、键值范围或键前缀查找。

适用场景：

scss 复制代码 
精确匹配(=, IN)。
范围查询(>, <, BETWEEN)。
前缀匹配(LIKE 'abc%')。
排序(ORDER BY)。

限制：

css 复制代码 
必须按最左前缀查找。
不能跳过索引中的列。
如果查询中有范围查询，B+树的有序性被范围查询打断，后面的列无法继续使用索引。

2. 哈希索引

实现方式：

复制代码 
基于哈希表实现。
Memory引擎默认索引类型。
InnoDB中并非传统意义的哈希索引，主键或唯一键的等值查询。

特点：

less 复制代码 
只支持等值比较查询(=, <=>)。
查询速度非常快(O(1)时间复杂度)。
不存储字段值，只存储哈希值和行指针。
InnoDB自动为"热点"B+Tree索引页构建内存哈希索引，完全自动管理，无需用户干预。

优点：

复制代码 
适合精确查询，性能极高。

缺点：

复制代码 
不支持排序。
不支持范围查询。
不支持部分索引列查询。
存在哈希冲突可能。

与传统哈希索引的区别：

特性 InnoDB自适应哈希索引 传统哈希索引
存储位置 内存中 磁盘/内存
管理方式 自动 手动创建
持久性 非持久(重启消失) 可持久化
范围查询 不支持 不支持
等值查询 极快 极快

3. 全文索引(Full-text)

实现方式：

perl 复制代码 
InnoDB和MyISAM都支持。InnoDB从MySQL 5.6开始支持，具备事务特性。
使用倒排索引(inverted index)存储单词及其位置信息。

特点：

scss 复制代码 
专门用于文本内容的搜索。 
可以对CHAR、VARCHAR和TEXT列创建。
支持自然语言搜索和布尔搜索。

工作原理：

scss 复制代码 
分词机制：按空格/标点分割单词；移除停用词(the, and等常见词)；存储词干(部分语言支持)。
相关性计算：基于TF-IDF(词频-逆文档频率)算法；考虑词在文档中的出现频率；考虑词在全集中的稀有程度。

使用方式(sql)：

sql 复制代码 
-- 创建全文索引
ALTER TABLE articles ADD FULLTEXT(title, body);
-- 使用全文索引搜索
SELECT * FROM articles WHERE MATCH(title, body) AGAINST('MySQL索引' IN NATURAL LANGUAGE MODE);

4. 空间索引(Spatial)

实现方式：

scss 复制代码 
R-Tree数据结构。
MyISAM和InnoDB(MySQL 5.7+)支持。

特点：

scss 复制代码 
用于地理空间数据类型(GEOMETRY, POINT, LINESTRING, POLYGON等)。
支持空间关系函数计算(ST_Contains, ST_Distance等)。

使用示例(sql)：

sql 复制代码 
-- 创建空间索引
CREATE TABLE geom (g GEOMETRY NOT NULL, SPATIAL INDEX(g));
-- 空间查询
SELECT * FROM geom WHERE ST_Contains(g, Point(1,1));

5. 复合索引(多列索引)

特点：

css 复制代码 
在多个列上建立的索引，构建B+树结构。
遵循最左前缀原则。查找时相当于使用"a_b_c"这样的组合键进行匹配
列顺序非常重要。如INDEX(a,b,c)会先按a排序，a相同按b排序，b相同再按c排序。

使用建议：

复制代码 
将选择性高的列放在前面。
考虑查询的常用条件顺序。
避免创建过多复合索引。

6. 覆盖索引

特点：

复制代码 
查询只需要通过索引就能获取所需数据。
不需要回表查询数据行。
可以显著提高查询性能。

使用示例(sql)：

sql 复制代码 
-- 如果索引包含(col1, col2)
SELECT col1, col2 FROM table WHERE col1 = 'value';  -- 覆盖索引
SELECT * FROM table WHERE col1 = 'value';  -- 不是覆盖索引

每种索引类型都有其适用的场景，在实际应用中应该根据查询模式和数据特点选择合适的索引类型。对于大多数OLTP应用，B-Tree索引是最常用的选择；全文索引适合文本搜索场景；空间索引则专用于地理空间数据处理。

三、索引优缺点

1. 索引的核心优势

1.1 查询加速机制

  • 数据结构优化：B+树索引将查询复杂度从O(n)降至O(log n)，通过树形结构快速定位数据。
  • 减少IO操作：索引体积通常远小于表数据，加载更少数据页到内存（如3层B+树可支撑千万级数据）。
  • 预排序特性：索引本身有序，对ORDER BY/GROUP BY操作避免临时表排序（Extra显示"Using index"）
  • 示例场景：10万行数据的用户表，无索引的name查询需扫描全表，建立索引后仅需3-4次IO即可定位。 1.2 锁与并发优化
  • 行锁升级：InnoDB通过索引实现行锁，无索引会退化为表锁（如UPDATE未走索引将锁全表）
  • MVCC支持：索引帮助多版本控制快速定位可见版本，提升并发读性能 1.3 覆盖索引特性 当查询列都包含在索引中时，引擎可直接从索引获取数据，避免回表操作。如： -- 有索引(a,b) SELECT a,b FROM table WHERE a=1 -- 完全通过索引完成

2. 索引的性能代价

2.1 写入开销放大

  • B+树维护成本：每次INSERT需更新索引树（页分裂概率约5-10%），导致写入速度下降30-50%。
  • 日志膨胀：InnoDB需记录索引变更到redo log，增加IO压力。
  • 性能影响：表添加5个索引后，写入TPS可能从2000降至1200。 2.2 存储空间占用
  • 典型占用比例：索引空间通常达数据量的20-30%，复合索引列越多空间增长越快
  • 内存压力：BP缓冲池需缓存索引页，可能挤占数据页空间 2.3 优化器误判风险
  • 统计信息滞后：当数据分布变化但统计信息未更新时（如20%数据突变），可能选择错误索引。
  • 索引合并代价：优化器选择合并多个单列索引时，性能可能不如预期。

3. 底层数据结构影响

3.1 B+树索引特性

  • 平衡写入与查询： 相比B树，B+树通过非叶子节点仅存键值的设计，实现：更高扇出（通常500+子节点）；更稳定的查询性能（任何查询路径长度相同）；
  • 范围查询优化： 叶子节点链表结构特别适合范围扫描 3.2 哈希索引局限
  • 内存依赖：自适应哈希索引仅内存有效，重启后需重新构建。
  • 精确匹配限定：仅支持=、IN操作，无法用于排序或范围查询。

四、使用实践

  • 选择区分度高的列建索引。
  • 避免对频繁更新的列建索引。
  • 考虑索引列的数据类型大小。
  • 多列索引遵循最左前缀原则。

1. 使用事项

1.1 创建原则：

sql 复制代码 
常用于WHERE、JOIN、ORDER BY的列。
高选择性的列优先，选择性阈值：Cardinality/总行数 > 10% 的列适合建索引。
避免过度索引（一般表不超过5-6个）。

1.2 使用限制：

ini 复制代码 
索引列不能参与计算（如WHERE col+1=5）。
字符串前缀索引长度需要合理设置。
注意NULL值对索引使用的影响。

2. 性能影响

2.1 正向影响：

css 复制代码 
读操作性能提升10-100倍。
降低服务器CPU消耗。
减少磁盘I/O压力。

2.2 负面影响：

erlang 复制代码 
写操作需要维护索引结构数据。
占用额外存储空间（约增加20-30%）。
索引碎片化需要定期维护。

理解这些基本概念是进行有效索引优化的重要基础，实际应用中需要结合具体查询模式和数据特征进行索引设计和调整。

3. 最左前缀原则

3.1 基本规则：

复制代码 
查询必须从索引最左边的列开始使用
不能跳过中间的列直接使用后面的列

3.2 有效使用示例：

css 复制代码 
-- 索引：INDEX(a,b,c)
-- 有效使用（使用a）：
WHERE a = 1 
-- 有效使用（使用a,b）
WHERE a = 1 AND b = 2
-- 有效使用（使用a,b,c）
WHERE a = 1 AND b = 2 AND c = 3

3.3 无效使用示例：

css 复制代码 
-- 无效（未使用a）
WHERE b = 2
-- 无效（跳过了b）
WHERE a = 1 AND c = 3

3.4 范围查询的影响

关键规则：

sql 复制代码 
范围查询(>, <, BETWEEN, LIKE等)会使后面的索引列失效
范围查询列自身仍能使用索引

示例分析：

css 复制代码 
-- 索引：INDEX(a,b,c)
-- 仅a,b能用索引（c失效）
WHERE a = 1 AND b > 2 AND c = 3
-- 仅a能用索引（b,c失效）
WHERE a > 1 AND b = 2 AND c = 3

理解复合索引的使用逻辑需要结合B+树的结构特点，合理设计复合索引可以显著提升查询性能，但也需要避免过度索引导致的写性能下降和维护成本增加。

4. 其它

4.1 监控指标

  • 索引使用情况监控，查找无用索引
sql 复制代码 
SELECT * FROM sys.schema_unused_indexes;
  • 索引效率分析，查看Cardinality(不重复值的预估数量，比值越趋近0时索引效果越差)
sql 复制代码 
SHOW INDEX FROM table_name;
  • Cardinality：
sql 复制代码 
不重复值的预估数量。选择性公式：Cardinality/表总行数，比值趋近0时索引效果差

4.2 特殊场景优化

  • 前缀索引：对长字符串使用INDEX(column(10))指定前缀长度

  • 函数索引：MySQL 8.0+支持INDEX((UPPER(column)))表达式索引 4.3 排序与分组优化

  • ORDER BY优化：

    当排序顺序与索引顺序一致时，可避免filesort，同样遵循最左前缀原则。

  • GROUP BY优化：

    分组操作也可以利用复合索引，需要满足最左前缀且中间无间隔。

作者：飞蓬

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