SQL中的where条件,在数据库中提取与应用浅析

1        问题描述

一条SQL,在数据库中是如何执行的呢?相信很多人都会对这个问题比较感兴趣。当然,要完整描述一条SQL在数据库中的生命周期,这是一个非常巨大的问题,涵盖了SQL的词法解析、语法解析、权限检查、查询优化、SQL执行等一系列的步骤,简短的篇幅是绝对无能为力的。因此,本文挑选了其中的部分内容,也是我一直都想写的一个内容,做重点介绍:

给定一条SQL,如何提取其中的where条件?where条件中的每个子条件,在SQL执行的过程中有分别起着什么样的作用?

通过本文的介绍,希望读者能够更好地理解查询条件对于SQL语句的影响;撰写出更为优质的SQL语句;更好地理解一些术语,例如:MySQL 5.6中一个重要的优化——Index Condition Pushdown,究竟push down了什么?

本文接下来的内容,安排如下:

  1. 简单介绍关系型数据库中数据的组织形式;

  2. 给定一条SQL,如何提取其中的where条件;

  3. 最后做一个小的总结;

2        关系型数据库中的数据组织

关系型数据库中,数据组织涉及到两个最基本的结构:表与索引。表中存储的是完整记录,一般有两种组织形式:堆表(所有的记录无序存储),或者是聚簇索引表(所有的记录,按照记录主键进行排序存储)。索引中存储的是完整记录的一个子集,用于加速记录的查询速度,索引的组织形式,一般均为B+树结构。

有了这些基本知识之后,接下来让我们创建一张测试表,为表新增几个索引,然后插入几条记录,最后看看表的完整数据组织、存储结构式怎么样的。(注意:下面的实例,使用的表的结构为堆表形式,这也是Oracle/DB2/PostgreSQL等数据库采用的表组织形式,而不是InnoDB引擎所采用的聚簇索引表。其实,表结构采用何种形式并不重要,最重要的是理解下面章节的核心,在任何表结构中均适用)

create table t1 (a int primary key, b int, c int, d int, e varchar(20));

create index idx_t1_bcd on t1(b, c, d);

insert into t1 values (4,3,1,1,’d’);

insert into t1 values (1,1,1,1,’a’);

insert into t1 values (8,8,8,8,’h’):

insert into t1 values (2,2,2,2,’b’);

insert into t1 values (5,2,3,5,’e’);

insert into t1 values (3,3,2,2,’c’);

insert into t1 values (7,4,5,5,’g’);

insert into t1 values (6,6,4,4,’f’);

t1表的存储结构如下图所示(只画出了idx_t1_bcd索引与t1表结构,没有包括t1表的主键索引):

t1表的组织结构图

简单分析一下上图,idx_t1_bcd索引上有[b,c,d]三个字段(注意:若是InnoDB类的聚簇索引表,idx_t1_bcd上还会包括主键a字段),不包括[a,e]字段。idx_t1_bcd索引,首先按照b字段排序,b字段相同,则按照c字段排序,以此类推。记录在索引中按照[b,c,d]排序,但是在堆表上是乱序的,不按照任何字段排序。

3        SQL的where条件提取

在有了以上的t1表之后,接下来就可以在此表上进行SQL查询了,获取自己想要的数据。例如,考虑以下的一条SQL:

select * from t1 where b >= 2 and b < 8 and c > 1 and d != 4 and e != ‘a’;

一条比较简单的SQL,一目了然就可以发现where条件使用到了[b,c,d,e]四个字段,而t1表的idx_t1_bcd索引,恰好使用了[b,c,d]这三个字段,那么走idx_t1_bcd索引进行条件过滤,应该是一个不错的选择。接下来,让我们抛弃数据库的思想,直接思考这条SQL的几个关键性问题:

l         此SQL,覆盖索引idx_t1_bcd上的哪个范围?

起始范围:记录[2,2,2]是第一个需要检查的索引项。索引起始查找范围由b >= 2,c > 1决定。

终止范围:记录[8,8,8]是第一个不需要检查的记录,而之前的记录均需要判断。索引的终止查找范围由b < 8决定;

2        在确定了查询的起始、终止范围之后,SQL中还有哪些条件可以使用索引idx_t1_bcd过滤?

根据SQL,固定了索引的查询范围[(2,2,2),(8,8,8))之后,此索引范围中并不是每条记录都是满足where查询条件的。例如:(3,1,1)不满足c > 1的约束;(6,4,4)不满足d != 4的约束。而c,d列,均可在索引idx_t1_bcd中过滤掉不满足条件的索引记录的。

因此,SQL中还可以使用c > 1 and d != 4条件进行索引记录的过滤。

3        在确定了索引中最终能够过滤掉的条件之后,还有哪些条件是索引无法过滤的?

此问题的答案显而易见,e != ‘a’这个查询条件,无法在索引idx_t1_bcd上进行过滤,因为索引并未包含e列。e列只在堆表上存在,为了过滤此查询条件,必须将已经满足索引查询条件的记录回表,取出表中的e列,然后使用e列的查询条件e != ‘a’进行最终的过滤。

在理解以上的问题解答的基础上,做一个抽象,可总结出一套放置于所有SQL语句而皆准的where查询条件的提取规则:

所有SQLwhere条件,均可归纳为3大类:Index Key (First Key & Last Key)Index FilterTable Filter

接下来,让我们来详细分析者3大类分别是如何定义,以及如何提取的。

l         Index Key

用于确定SQL查询在索引中的连续范围(起始范围+结束范围)的查询条件,被称之为Index Key。由于一个范围,至少包含一个起始与一个终止,因此Index Key也被拆分为Index First Key和Index Last Key,分别用于定位索引查找的起始,以及索引查询的终止条件。

Index First Key

用于确定索引查询的起始范围。提取规则:从索引的第一个键值开始,检查其在where条件中是否存在,若存在并且条件是=、>=,则将对应的条件加入Index First Key之中,继续读取索引的下一个键值,使用同样的提取规则;若存在并且条件是>,则将对应的条件加入Index First Key中,同时终止Index First Key的提取;若不存在,同样终止Index First Key的提取。

针对上面的SQL,应用这个提取规则,提取出来的Index First Key为(b >= 2, c > 1)。由于c的条件为 >,提取结束,不包括d。

Index Last Key

Index Last Key的功能与Index First Key正好相反,用于确定索引查询的终止范围。提取规则:从索引的第一个键值开始,检查其在where条件中是否存在,若存在并且条件是=、<=,则将对应条件加入到Index Last Key中,继续提取索引的下一个键值,使用同样的提取规则;若存在并且条件是 < ,则将条件加入到Index Last Key中,同时终止提取;若不存在,同样终止Index Last Key的提取。

针对上面的SQL,应用这个提取规则,提取出来的Index Last Key为(b < 8),由于是 < 符号,因此提取b之后结束。

2         Index Filter

在完成Index Key的提取之后,我们根据where条件固定了索引的查询范围,但是此范围中的项,并不都是满足查询条件的项。在上面的SQL用例中,(3,1,1),(6,4,4)均属于范围中,但是又均不满足SQL的查询条件。

Index Filter的提取规则:同样从索引列的第一列开始,检查其在where条件中是否存在:若存在并且where条件仅为 =,则跳过第一列继续检查索引下一列,下一索引列采取与索引第一列同样的提取规则;若where条件为 >=、>、<、<= 其中的几种,则跳过索引第一列,将其余where条件中索引相关列全部加入到Index Filter之中;若索引第一列的where条件包含 =、>=、>、<、<= 之外的条件,则将此条件以及其余where条件中索引相关列全部加入到Index Filter之中;若第一列不包含查询条件,则将所有索引相关条件均加入到Index Filter之中。

针对上面的用例SQL,索引第一列只包含 >=、< 两个条件,因此第一列可跳过,将余下的c、d两列加入到Index Filter中。因此获得的Index Filter为 c > 1 and d != 4 。

3         Table Filter

Table Filter是最简单,最易懂,也是提取最为方便的。提取规则:所有不属于索引列的查询条件,均归为Table Filter之中。

同样,针对上面的用例SQL,Table Filter就为 e != ‘a’。

3.1 Index Key/Index Filter/Table Filter小结

SQL语句中的where条件,使用以上的提取规则,最终都会被提取到Index Key (First Key & Last Key),Index Filter与Table Filter之中。

Index First Key,只是用来定位索引的起始范围,因此只在索引第一次Search Path(沿着索引B+树的根节点一直遍历,到索引正确的叶节点位置)时使用,一次判断即可;

Index Last Key,用来定位索引的终止范围,因此对于起始范围之后读到的每一条索引记录,均需要判断是否已经超过了Index Last Key的范围,若超过,则当前查询结束;

Index Filter,用于过滤索引查询范围中不满足查询条件的记录,因此对于索引范围中的每一条记录,均需要与Index Filter进行对比,若不满足Index Filter则直接丢弃,继续读取索引下一条记录;

Table Filter,则是最后一道where条件的防线,用于过滤通过前面索引的层层考验的记录,此时的记录已经满足了Index First Key与Index Last Key构成的范围,并且满足Index Filter的条件,回表读取了完整的记录,判断完整记录是否满足Table Filter中的查询条件,同样的,若不满足,跳过当前记录,继续读取索引的下一条记录,若满足,则返回记录,此记录满足了where的所有条件,可以返回给前端用户。

4        结语

在读完、理解了以上内容之后,详细大家对于数据库如何提取where中的查询条件,如何将where中的查询条件提取为Index Key,Index Filter,Table Filter有了深刻的认识。以后在撰写SQL语句时,可以对照表的定义,尝试自己提取对应的where条件,与最终的SQL执行计划对比,逐步强化自己的理解。

同时,我们也可以回答文章开始提出的一个问题:MySQL 5.6中引入的Index Condition Pushdown,究竟是将什么Push Down到索引层面进行过滤呢?对了,答案是Index Filter。在MySQL 5.6之前,并不区分Index Filter与Table Filter,统统将Index First Key与Index Last Key范围内的索引记录,回表读取完整记录,然后返回给MySQL Server层进行过滤。而在MySQL 5.6之后,Index Filter与Table Filter分离,Index Filter下降到InnoDB的索引层面进行过滤,减少了回表与返回MySQL Server层的记录交互开销,提高了SQL的执行效率。

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3 thoughts on “SQL中的where条件,在数据库中提取与应用浅析

  1. 在MYSQL里,复合索引里的字段遇到第一个非闭合区间条件时,后面的列的索引都是用不到的。你举例的条件里select * from t1 where b >= 2 and b 1 and d != 4 and e != ‘a’;
    c,d都是非闭合区间,那么索引只会用到第一个字段b,c两个字段的索引,d索引是用不到的。

  2. *************************** 1. row ***************************
    id: 1
    select_type: SIMPLE
    table: t1
    type: range
    possible_keys: idx_t1_bcd
    key: idx_t1_bcd
    key_len: 8
    ref: NULL
    rows: 13
    Extra: Using where
    1 row in set (0.00 sec)

    | t1 | CREATE TABLE `t1` (
    `a` int(11) NOT NULL,
    `b` int(11) NOT NULL,
    `c` int(11) NOT NULL,
    `d` int(11) NOT NULL,
    `e` varchar(20) NOT NULL,
    PRIMARY KEY (`a`),
    KEY `idx_t1_bcd` (`b`,`c`,`d`)
    ) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8

    ”针对上面的用例SQL,索引第一列只包含 >=、 1 and d != 4 。“ 这句话是不是有问题?

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