MySQL索引与Index Condition Pushdown

大约在两年前,我写了一篇关于MySQL索引的文章。最近有同学在文章的评论中对文章的内容提出质疑,质疑主要集中在联合索引的使用方式上。在那篇文章中,我说明联合索引是将各个索引字段做字符串连接后作为key,使用时将整体做前缀匹配。

而这名同学在这个页面找到了如下一句话:index condition pushdown is usually useful with multi-column indexes: the first component(s) is what index access is done for, the subsequent have columns that we read and check conditions on。从而认为联合索引的使用方式与文中不符。

实际上,这个页面所讲述的是在MariaDB 5.3.3(MySQL是在5.6)开始引入的一种叫做Index Condition Pushdown(以下简称ICP)的查询优化方式。由于本身不是一个层面的东西,前文中说的是Index Access,而这里是Query Optimization,所以并不构成对前文正确性的影响。在写前文时,MySQL还没有ICP,所以文中没有涉及相关内容,但考虑到新版本的MariaDB或MySQL中ICP的启用确实影响了一些查询行为的外在表现。所以决定写这篇文章详细讲述一下ICP的原理以及对索引使用方式的优化。

实验

先从一个简单的实验开始直观认识ICP的作用。

安装数据库

首先需要安装一个支持ICP的MariaDB或MySQL数据库。我使用的是MariaDB 5.5.34,如果是使用MySQL则需要5.6版本以上。

Mac环境下可以通过brew安装:

  1. brew install mairadb

其它环境下的安装请参考MariaDB官网关于下载安装的文档

导入示例数据

与前文一样,我们使用Employees Sample Database,作为示例数据库。完整示例数据库的下载地址为:https://launchpad.net/test-db/employees-db-1/1.0.6/+download/employees_db-full-1.0.6.tar.bz2

将下载的压缩包解压后,会看到一系列的文件,其中employees.sql就是导入数据的命令文件。执行

  1. mysql -h[host]-u[user]-p < employees.sql

就可以完成建库、建表和load数据等一系列操作。此时数据库中会多一个叫做employees的数据库。库中的表如下:

  1. MariaDB[employees]> SHOW TABLES;

  2. +---------------------+

  3. |Tables_in_employees|

  4. +---------------------+

  5. | departments         |

  6. | dept_emp            |

  7. | dept_manager        |

  8. | employees           |

  9. | salaries            |

  10. | titles              |

  11. +---------------------+

  12. 6 rows inset(0.00 sec)

我们将使用employees表做实验。

建立联合索引

employees表包含雇员的基本信息,表结构如下:

  1. MariaDB[employees]> DESC employees.employees;

  2. +------------+---------------+------+-----+---------+-------+

  3. |Field|Type|Null|Key|Default|Extra|

  4. +------------+---------------+------+-----+---------+-------+

  5. | emp_no     |int(11)| NO   | PRI | NULL    ||

  6. | birth_date | date          | NO   || NULL    ||

  7. | first_name | varchar(14)| NO   || NULL    ||

  8. | last_name  | varchar(16)| NO   || NULL    ||

  9. | gender     |enum('M','F')| NO   || NULL    ||

  10. | hire_date  | date          | NO   || NULL    ||

  11. +------------+---------------+------+-----+---------+-------+

  12. 6 rows inset(0.01 sec)

这个表默认只有一个主索引,因为ICP只能作用于二级索引,所以我们建立一个二级索引:

  1. ALTER TABLE employees.employees ADD INDEX first_name_last_name (first_name, last_name);

这样就建立了一个first_name和last_name的联合索引。

查询

为了明确看到查询性能,我们启用profiling并关闭query cache:

  1. SET profiling =1;

  2. SET query_cache_type =0;

  3. SET GLOBAL query_cache_size =0;

然后我们看下面这个查询:

  1. MariaDB[employees]> SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man';

  2. +--------+------------+------------+-----------+--------+------------+

  3. | emp_no | birth_date | first_name | last_name | gender | hire_date  |

  4. +--------+------------+------------+-----------+--------+------------+

  5. |254642|1959-01-17|Mary|Botman| M      |1989-11-24|

  6. |471495|1960-09-24|Mary|Dymetman| M      |1988-06-09|

  7. |211941|1962-08-11|Mary|Hofman| M      |1993-12-30|

  8. |217707|1962-09-05|Mary|Lichtman| F      |1987-11-20|

  9. |486361|1957-10-15|Mary|Oberman| M      |1988-09-06|

  10. |457469|1959-07-15|Mary|Weedman| M      |1996-11-21|

  11. +--------+------------+------------+-----------+--------+------------+

根据MySQL索引的前缀匹配原则,两者对索引的使用是一致的,即只有first_name采用索引,last_name由于使用了模糊前缀,没法使用索引进行匹配。我将查询联系执行三次,结果如下:

  1. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

  2. |Query_ID|Duration|Query|

  3. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

  4. |38|0.00084400| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  5. |39|0.00071800| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  6. |40|0.00089600| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  7. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

然后我们关闭ICP:

  1. SET optimizer_switch='index_condition_pushdown=off';

在运行三次相同的查询,结果如下:

  1. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

  2. |Query_ID|Duration|Query|

  3. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

  4. |42|0.00264400| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  5. |43|0.01418900| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  6. |44|0.00234200| SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man'|

  7. +----------+------------+---------------------------------------------------------------------------+

有意思的事情发生了,关闭ICP后,同样的查询,耗时是之前的三倍以上。下面我们用explain看看两者有什么区别:

  1. MariaDB[employees]> EXPLAIN SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man';

  2. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-----------------------+

  3. | id   | select_type | table     | type | possible_keys        | key                  | key_len |ref| rows |Extra|

  4. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-----------------------+

  5. |1| SIMPLE      | employees |ref| first_name_last_name | first_name_last_name |44|const|224|Using index condition |

  6. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-----------------------+

  7. 1 row inset(0.00 sec)

  1. MariaDB[employees]> EXPLAIN SELECT * FROM employees WHERE first_name='Mary' AND last_name LIKE '%man';

  2. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-------------+

  3. | id   | select_type | table     | type | possible_keys        | key                  | key_len |ref| rows |Extra|

  4. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-------------+

  5. |1| SIMPLE      | employees |ref| first_name_last_name | first_name_last_name |44|const|224|Usingwhere|

  6. +------+-------------+-----------+------+----------------------+----------------------+---------+-------+------+-------------+

  7. 1 row inset(0.00 sec)

前者是开启ICP,后者是关闭ICP。可以看到区别在于Extra,开启ICP时,用的是Using index condition;关闭ICP时,是Using where。

其中Using index condition就是ICP提高查询性能的关键。下一节说明ICP提高查询性能的原理。

原理

ICP的原理简单说来就是将可以利用索引筛选的where条件在存储引擎一侧进行筛选,而不是将所有index access的结果取出放在server端进行where筛选。

以上面的查询为例,在没有ICP时,首先通过索引前缀从存储引擎中读出224条first_name为Mary的记录,然后在server段用where筛选last_name的like条件;而启用ICP后,由于last_name的like筛选可以通过索引字段进行,那么存储引擎内部通过索引与where条件的对比来筛选掉不符合where条件的记录,这个过程不需要读出整条记录,同时只返回给server筛选后的6条记录,因此提高了查询性能。

下面通过图两种查询的原理详细解释。

关闭ICP

在不支持ICP的系统下,索引仅仅作为data access使用。

开启ICP

在ICP优化开启时,在存储引擎端首先用索引过滤可以过滤的where条件,然后再用索引做data access,被index condition过滤掉的数据不必读取,也不会返回server端。

注意事项

有几个关于ICP的事情要注意:

  • ICP只能用于二级索引,不能用于主索引。

  • 也不是全部where条件都可以用ICP筛选,如果某where条件的字段不在索引中,当然还是要读取整条记录做筛选,在这种情况下,仍然要到server端做where筛选。

  • ICP的加速效果取决于在存储引擎内通过ICP筛选掉的数据的比例。

参考

[1] https://mariadb.com/kb/en/index-condition-pushdown/

[2] http://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/en/index-condition-pushdown-optimization.html

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文章评论: “MySQL索引与Index Condition Pushdown

  1. 在引入线程池之前,MySQL支持的线程处理方式(thread_handling参数控制)有no-threads和one-thread-per-connection两种方式,no-threads方式是指任一时刻最多只有一个连接

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