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第21期:索引设计(函数索引)

发布时间:2021-02-04 浏览次数:306

关键字:数据库云服务数据库读写分离数据库分表分库


本篇主要介绍 MySQL 的函数索引(也叫表达式索引)。

通常来讲,索引都是基于字段本身或者字段前缀(第 20 篇),而函数索引是基于字段本身加上函数、操作符、表达式等计算而来。如果将表达式或者操作符也看做函数的话,简单来说,这样的索引就可以统称函数索引。

MySQL 的函数索引内部是基于虚拟列(generated columns)实现,不同于直接定义虚拟列,函数索引自动创建的虚拟列本身实时计算结果,并不存储数据,只把函数索引本身存在磁盘上。

MySQL 8.0.13 之前不支持函数索引,所以老版本包括现在主流的 MySQL 5.7 也不支持函数索引,需要手工模拟创建或者改 SQL。

本章基于以下几点来讲函数索引:

1. 函数索引的使用场景

函数索引最最经典的使用场景莫过于就是对日期的处理,特别是表中只定义了一个字段,后期对这个字段的查询都是基于部分结果。比如 “2100-02-02 08:09:09.123972” 包含了日期 “2100-02-02”,时间 “08:09:09”,小数位时间 “123972”,有可能会对这个值拆解后部分查询。

举个简单例子,表 t1 有两个字段,一个主键,另外一个时间字段,总记录数不到 40W。

<localhost|mysql>show create table t1\G
*************************** 1. row ***************************
      Table: t1
Create Table: CREATE TABLE `t1` (
 `id` bigint unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
 `log_time` datetime(6) DEFAULT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`),
 KEY `idx_log_time` (`log_time`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=524268 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)


<localhost|mysql>select count(*) from t1;
+----------+
| count(*) |
+----------+
|   393216 |
+----------+
1 row in set (0.07 sec)

执行下面这条 SQL 1,把日期单独拿出来,执行了 0.09 秒。

# SQL 1
<localhost|mysql>select * from t1 where date(log_time) = '2100-02-02';
+--------+----------------------------+
| id     | log_time                   |
+--------+----------------------------+
| 524267 | 2100-02-02 08:09:09.123972 |
+--------+----------------------------+
1 row in set (0.09 sec)

看下它的执行计划,虽然走了索引,但是扫描行数为总记录数,相当于全表扫,这时候比全表扫还不理想,全表扫直接走聚簇索引还快点。

<localhost|mysql>explain select * from t1 where date(log_time) = '2100-02-02'\G
*************************** 1. row ***************************
          id: 1
 select_type: SIMPLE
       table: t1
  partitions: NULL
        type: index
possible_keys: NULL
         key: idx_log_time
     key_len: 9
         ref: NULL
        rows: 392413
    filtered: 100.00
       Extra: Using where; Using index
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

这时最好的方法就是为列 log_time 加一新索引,基于函数 date 的函数索引。

<localhost|mysql>alter table t1 add key idx_func_index_1((date(log_time)));
Query OK, 0 rows affected (2.76 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

再次执行上面的 SQL 1,瞬间执行完毕。

<localhost|mysql>select * from t1 where date(log_time) = '2100-02-02';
+--------+----------------------------+
| id     | log_time                   |
+--------+----------------------------+
| 524267 | 2100-02-02 08:09:09.123972 |
+--------+----------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

接下来查看执行计划,结果显示走函数索引 idx_func_index_1 扫描记录数只有一行,执行计划达到最优。

<localhost|mysql>explain select * from t1 where date(log_time) = '2100-02-02'\G
*************************** 1. row ***************************
          id: 1
 select_type: SIMPLE
       table: t1
  partitions: NULL
        type: ref
possible_keys: idx_func_index_1
         key: idx_func_index_1
     key_len: 4
         ref: const
        rows: 1
    filtered: 100.00
       Extra: NULL
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

如果想查看 MySQL 函数索引内部创建的列,直接 show create table 看是没有结果的,比如下面只看到一个新的索引。

<localhost|mysql>show create table t1\G
...
 KEY `idx_func_index_1` ((cast(`log_time` as date)))
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=524268 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)

通过 MySQL 8.0 的新语句 show extended columns 查看隐藏的列,下面结果发现确实是新加了一个虚拟列。

<localhost|mysql>show extended columns from t1;
...
| bbd3daff935e7a4d0991a8393ec03728 | date            | YES  | MUL | NULL    | VIRTUAL GENERATED |
...
5 rows in set (0.03 sec)

2. 函数索引在处理 JSON 类型的注意事项

比如需要遍历 JSON 类型的子串作为索引,直接用遍历操作符 ->> 报错。

<localhost|mysql>create table t2 (id int primary key, r1 json);
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

<localhost|mysql>alter table t2 add key idx_func_index_2((r1->>'$.x'));
ERROR 3757 (HY000): Cannot create a functional index on an expression that returns a BLOB or TEXT. Please consider using CAST.

操作符 ->> 表示从 JSON 串中遍历指定路径的 value,在 MySQL 内部转换为 json_unquote(jso_extract(...)),而函数 json_unquote 返回结果具有以下特性:

  1. 数据类型为 longtext,在 MySQL 里 longtext 类型只支持前缀索引,必须用函数 cast 来转换类型。

  2. json_unquote 调用结果的排序规则为 utf8mb4_bin,cast 调用结果的排序规则和当前 session 的排序规则一样,有可能不是 utf8mb4_bin,所以函数索引中要显式定义排序规则。

所以针对 JSON 字段来建立新的函数索引:

<localhost|mysql>alter table t2 add key idx_func_index_2((cast(r1->>'$.x' as char(1)) collate utf8mb4_bin));
Query OK, 0 rows affected (0.07 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

看下表结构,操作符 ->> 被转换为 json_unquote(json_extract(...)),并且排序规则为 utf8mb4_bin。


<localhost|mysql>show create table t2\G
*************************** 1. row ***************************
     Table: t2
...
KEY `idx_func_index_2` (((cast(json_unquote(json_extract(`r1`,_utf8mb4'$.x')) as char(1) charset utf8mb4) collate utf8mb4_bin)))
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)

接下来插入几条记录,看看这个函数索引的使用。

<localhost|mysql>select * from t2;
+----+---------------------+
| id | r1                  |
+----+---------------------+
|  1 | {"x": "1", "y": 10} |
|  2 | {"x": "2", "y": 20} |
|  3 | {"x": "a", "y": 20} |
|  4 | {"x": "A", "y": 20} |
+----+---------------------+
4 rows in set (0.00 sec)

执行下 SQL 2,并且看下执行计划,直接走了刚才创建的函数索引。

# SQL 2
<localhost|mysql>select * from t2 where r1->>'$.x'='a';
+----+---------------------+
| id | r1                  |
+----+---------------------+
|  3 | {"x": "a", "y": 20} |
+----+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

<localhost|mysql>explain select * from t2 where r1->>'$.x'='a'\G
*************************** 1. row ***************************
         id: 1
select_type: SIMPLE
      table: t2
 partitions: NULL
       type: ref
possible_keys: idx_func_index_2
        key: idx_func_index_2
    key_len: 7
        ref: const
       rows: 1
   filtered: 100.00
      Extra: NULL
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

这里其实应该有个疑问,对函数索引的调用,必须要按照之前定义好的函数来执行,否则不会用到索引,那 SQL 2 怎么可以直接到用索引?

MySQL 在这块儿其实内部已经转换为正确的语句。查看下刚才 EXPLAIN 的 WARNINGS 信息。可以看到 SQL 2 被 MySQL 转换为遵守函数索引规则的正确语句。

<localhost|mysql>show warnings\G
*************************** 1. row ***************************
Level: Note
 Code: 1003
Message: /* select#1 */ select `ytt`.`t2`.`id` AS `id`,`ytt`.`t2`.`r1` AS `r1` from `ytt`.`t2` where ((cast(json_unquote(json_extract(`ytt`.`t2`.`r1`,_utf8mb4'$.x')) as char(1) charset utf8mb4) collate utf8mb4_bin) = 'a')
1 row in set (0.00 sec)

3. 函数索引替代前缀索引?

之前讲过前缀索引,可能会有这样的疑问。前缀索引能不能被函数索引替代?当然是不行的!函数索引要求查询条件严格按照函数索引的定义匹配,虽然有的场景下 MySQL 可以内部转换,但是 MySQL 无法为每个函数都替换为最优化的写法。比如函数 substring,left,right 等。

下面例子用来模拟下是否可以用函数索引替代前缀索引。示例表 t3,一个前缀索引和两个函数索引实现的目的一样,但是实际查询的时候 SQL 语句并不一样。


<localhost|mysql>show create table t3\G
*************************** 1. row ***************************
     Table: t3
Create Table: CREATE TABLE `t3` (
`id` bigint unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`r1` char(36) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `id` (`id`),
KEY `idx_r1_prefix` (`r1`(8)),
KEY `idx_func_index_3` ((left(`r1`,8))),
KEY `idx_func_index_4` ((substr(`r1`,1,8)))
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=249 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)

以下 SQL 3 、SQL 4、SQL 5 写法不一样,查询结果一样,走的索引不一样。

# SQL 3
select * from t3 where r1 like 'de45c7d9%';

# SQL 4
select * from t3 where left(r1,8) ='de45c7d9';

# SQL 5
select * from t3 where substring(r1,1,8) ='de45c7d9';

<localhost|mysql>select * from t3 where r1 like 'de45c7d9%';
+-----+--------------------------------------+
| id  | r1                                   |
+-----+--------------------------------------+
| 178 | de45c7d9-935c-11ea-8421-08002753f58d |
+-----+--------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

<localhost|mysql>select * from t3 where left(r1,8) ='de45c7d9';
+-----+--------------------------------------+
| id  | r1                                   |
+-----+--------------------------------------+
| 178 | de45c7d9-935c-11ea-8421-08002753f58d |
+-----+--------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

<localhost|mysql>select * from t3 where substring(r1,1,8) ='de45c7d9';
+-----+--------------------------------------+
| id  | r1                                   |
+-----+--------------------------------------+
| 178 | de45c7d9-935c-11ea-8421-08002753f58d |
+-----+--------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

各自的查询计划,每条 SQL 走的不同的索引。

<localhost|mysql>explain select * from t3 where r1 like 'de45c7d9%'\G
*************************** 1. row ***************************
         id: 1
select_type: SIMPLE
      table: t3
 partitions: NULL
       type: range
possible_keys: idx_r1_prefix
        key: idx_r1_prefix
    key_len: 33
        ref: NULL
       rows: 1
   filtered: 100.00
      Extra: Using where
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

<localhost|mysql>explain select * from t3 where left(r1,8) ='de45c7d9'\G
*************************** 1. row ***************************
         id: 1
select_type: SIMPLE
      table: t3
 partitions: NULL
       type: ref
possible_keys: idx_func_index_3
        key: idx_func_index_3
    key_len: 35
        ref: const
       rows: 1
   filtered: 100.00
      Extra: Using where
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

<localhost|mysql>explain select * from t3 where substring(r1,1,8) ='de45c7d9'\G
*************************** 1. row ***************************
         id: 1
select_type: SIMPLE
      table: t3
 partitions: NULL
       type: ref
possible_keys: idx_func_index_4
        key: idx_func_index_4
    key_len: 35
        ref: const
       rows: 1
   filtered: 100.00
      Extra: Using where
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

此时删除掉函数索引 idx_func_index_3, SQL 4 就无法走正确的索引。

<localhost|mysql>alter table t3 drop key idx_func_index_3;
Query OK, 0 rows affected (0.05 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

<localhost|mysql>explain select * from t3 where left(r1,8) ='de45c7d9'\G
*************************** 1. row ***************************
         id: 1
select_type: SIMPLE
      table: t3
 partitions: NULL
       type: ALL
possible_keys: NULL
        key: NULL
    key_len: NULL
        ref: NULL
       rows: 128
   filtered: 100.00
      Extra: Using where
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

查看 warnings,发现 MySQL 优化器转换后的 SQL,LEFT 函数还是保持原样,但是表里没有基于 LEFT 函数的索引,只能全表扫。

<localhost|mysql>show warnings\G
*************************** 1. row ***************************
Level: Note
 Code: 1003
Message: /* select#1 */ select `ytt`.`t3`.`id` AS `id`,`ytt`.`t3`.`r1` AS `r1` from `ytt`.`t3` where (left(`ytt`.`t3`.`r1`,8) = 'de45c7d9')
1 row in set (0.00 sec)

4. 老版本如何实现函数索引

函数索引是 MySQL 8.0.13 才有的。那在老的版本如何实现呢?

MySQL 5.7 自持虚拟列,只需要在虚拟列上创建一个普通索引就行。


MySQL 5.6 以及 MySQL 5.5 等,则需要自己定义一个冗余列,然后定期更新这列内容。当然最核心的是如何规划好定期更新内容这块。这块如果讨论起来,内容非常多,可以参考我之前写的关于表样例数据更新收集这块内容,MySQL 内部的做法。



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