算法的藝術：MySQL order by對各種排序算法的巧用
這篇文章我們從比較宏觀的角度來看MySQL中關鍵字的原理。本文，我們主要探索order by語句的底層原理。閱讀完本文，您將了解到：
order by語句有哪些排序模式，以及每種排序模式的優缺點;
order by語句會用到哪些排序算法，在什么場景下會選擇哪種排序算法;
如何查看和分析sql的order by優化手段(執行計劃 + OPTIMIZER_TRACE日志);
如何優化order by語句的執行效率?(思想：減小行大小，盡量走索引，能夠走覆蓋索引最佳，可適當增加sort buffer內存大小)
這里我們從數據結構的維度來看數據和索引，也就是都當成B+樹的的，我們需要數據的時候再從存儲引擎的B+樹中讀取。
以下是我們本文作為演示例子的表，假設我們有如下表：
索引如下：
對應的idx_d索引結構如下(這里我們做了一些夸張的手法，讓一個頁數據變小，為了展現在索引樹中的查找流程)：
1、如何跟蹤執行優化
為了方便分析sql的執行流程，我們可以在當前session中開啟 optimizer_trace:
- SET optimizer_trace='enabled=on';
然后執行sql，執行完之后，就可以通過以下堆棧信息查看執行詳情了：
- SELECT * FROM information_schema.OPTIMIZER_TRACE\G;
以下是
- 1select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 100,2;
的執行結果，其中符合a=3的有8457條記錄，針對order by重點關注以下屬性：
- "filesort_priority_queue_optimization": { // 是否啟用優先級隊列
- "limit": 102, // 排序后需要取的行數，這里為 limit 100,2，也就是100+2=102
- "rows_estimate": 24576, // 估計參與排序的行數
- "row_size": 123, // 行大小
- "memory_available": 32768, // 可用內存大小，即設置的sort buffer大小
- "chosen": true // 是否啟用優先級隊列
- },
- ...
- "filesort_summary": {
- "rows": 103, // 排序過程中會持有的行數
- "examined_rows": 8457, // 參與排序的行數，InnoDB層返回的行數
- "number_of_tmp_files": 0, // 外部排序時，使用的臨時文件數量
- "sort_buffer_size": 13496, // 內存排序使用的內存大小
- "sort_mode": "sort_key, additional_fields" // 排序模式
1.1、排序模式
其中 sort_mode有如下幾種形式：
- sort_key, rowid：表明排序緩沖區元組包含排序鍵值和原始表行的行id，排序后需要使用行id進行回表，這種算法也稱為original filesort algorithm(回表排序算法);
- sort_key, additional_fields：表明排序緩沖區元組包含排序鍵值和查詢所需要的列，排序后直接從緩沖區元組取數據，無需回表，這種算法也稱為modified filesort algorithm(不回表排序);
- sort_key, packed_additional_fields：類似上一種形式，但是附加的列(如varchar類型)緊密地打包在一起，而不是使用固定長度的編碼。
如何選擇排序模式
選擇哪種排序模式，與max_length_for_sort_data這個屬性有關，這個屬性默認值大小為1024字節：
- 如果查詢列和排序列占用的大小超過這個值，那么會轉而使用sort_key, rowid模式;
- 如果不超過，那么所有列都會放入sort buffer中，使用sort_key, additional_fields或者sort_key, packed_additional_fields模式;
- 如果查詢的記錄太多，那么會使用sort_key, packed_additional_fields對可變列進行壓縮。
1.2、排序算法
基于參與排序的數據量的不同，可以選擇不同的排序算法：
- 如果排序取的結果很小，小于內存，那么會使用優先級隊列進行堆排序;
- 例如，以下只取了前面10條記錄，會通過優先級隊列進行排序：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 10;
- 如果排序limit n, m，n太大了，也就是說需要取排序很后面的數據，那么會使用sort buffer進行快速排序：
- 如下，表中a=1的數據有三條，但是由于需要limit到很后面的記錄，MySQL會對比優先級隊列排序和快速排序的開銷，選擇一個比較合適的排序算法，這里最終放棄了優先級隊列，轉而使用sort buffer進行快速排序：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=1 order by d limit 300,2;
- 如果參與排序的數據sort buffer裝不下了，那么我們會一批一批的給sort buffer進行內存快速排序，結果放入排序臨時文件，最終使對所有排好序的臨時文件進行歸并排序，得到最終的結果;
- 如下，a=3的記錄超過了sort buffer，我們要查找的數據是排序后1000行起，sort buffer裝不下1000行數據了，最終MySQL選擇使用sort buffer進行分批快排，把最終結果進行歸并排序：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 1000,10;
2、order by走索引避免排序
執行如下sql：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_d) where d like 't%' order by d limit 2;
我們看一下執行計劃：
發現Extra列為：Using index condition，也就是這里只走了索引。
執行流程如下圖所示：
通過idx_d索引進行range_scan查找，掃描到4條記錄，然后order by繼續走索引，已經排好序，直接取前面兩條，然后去聚集索引查詢完整記錄，返回最終需要的字段作為查詢結果。這個過程只需要借助索引。
如何查看和修改sort buffer大小?
我們看一下當前的sort buffer大小：
可以發現，這里默認配置了sort buffer大小為512k。
我們可以設置這個屬性的大小：
- SET GLOBAL sort_buffer_size = 32*1024;
- 或者
- SET sort_buffer_size = 32*1024;
下面我們統一把sort buffer設置為32k
- SET sort_buffer_size = 32*1024;
3、排序算法案例
3.1、使用優先級隊列進行堆排序
如果排序取的結果很小，并且小于sort buffer，那么會使用優先級隊列進行堆排序;
例如，以下只取了前面10條記錄：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 10;
a=3的總記錄數：8520。查看執行計劃：
發現這里where條件用到了索引，order by limit用到了排序。我們進一步看看執行的optimizer_trace日志：
- "filesort_priority_queue_optimization": {
- "limit": 10,
- "rows_estimate": 27033,
- "row_size": 123,
- "memory_available": 32768,
- "chosen": true // 使用優先級隊列進行排序
- },
- "filesort_execution": [
- ],
- "filesort_summary": {
- "rows": 11,
- "examined_rows": 8520,
- "number_of_tmp_files": 0,
- "sort_buffer_size": 1448,
- "sort_mode": "sort_key, additional_fields"
- }
發現這里是用到了優先級隊列進行排序。排序模式是：sort_key, additional_fields，即先回表查詢完整記錄，把排序需要查找的所有字段都放入sort buffer進行排序。
所以這個執行流程如下圖所示：
- 通過where條件a=3掃描到8520條記錄;
- 回表查找記錄;
- 把8520條記錄中需要的字段放入sort buffer中;
- 在sort buffer中進行堆排序;
- 在排序好的結果中取limit 10前10條，寫入net buffer，準備發送給客戶端。
3.2、內部快速排序
如果排序limit n, m，n太大了，也就是說需要取排序很后面的數據，那么會使用sort buffer進行快速排序。MySQL會對比優先級隊列排序和歸并排序的開銷，選擇一個比較合適的排序算法。
如何衡量究竟是使用優先級隊列還是內存快速排序?
一般來說，快速排序算法效率高于堆排序，但是堆排序實現的優先級隊列，無需排序完所有的元素，就可以得到order by limit的結果。
MySQL源碼中聲明了快速排序速度是堆排序的3倍，在實際排序的時候，會根據待排序數量大小進行切換算法。如果數據量太大的時候，會轉而使用快速排序。
有如下SQL：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=1 order by d limit 300,2;
我們把sort buffer設置為32k：
- SET sort_buffer_size = 32*1024;
其中a=1的記錄有3條。查看執行計劃：
可以發現，這里where條件用到了索引，order by limit 用到了排序。我們進一步看看執行的optimizer_trace日志：
- "filesort_priority_queue_optimization": {
- "limit": 302,
- "rows_estimate": 27033,
- "row_size": 123,
- "memory_available": 32768,
- "strip_additional_fields": {
- "row_size": 57,
- "sort_merge_cost": 33783,
- "priority_queue_cost": 61158,
- "chosen": false // 對比發現快速排序開銷成本比優先級隊列更低，這里不適用優先級隊列
- }
- },
- "filesort_execution": [
- ],
- "filesort_summary": {
- "rows": 3,
- "examined_rows": 3,
- "number_of_tmp_files": 0,
- "sort_buffer_size": 32720,
- "sort_mode": "<sort_key, packed_additional_fields>"
- }
可以發現這里最終放棄了優先級隊列，轉而使用sort buffer進行快速排序。
所以這個執行流程如下圖所示：
- 通過where條件a=1掃描到3條記錄;
- 回表查找記錄;
- 把3條記錄中需要的字段放入sort buffer中;
- 在sort buffer中進行快速排序;
- 在排序好的結果中取limit 300, 2第300、301條記錄，寫入net buffer，準備發送給客戶端。
3.3、外部歸并排序
當參與排序的數據太多，一次性放不進去sort buffer的時候，那么我們會一批一批的給sort buffer進行內存排序，結果放入排序臨時文件，最終使對所有排好序的臨時文件進行歸并排序，得到最終的結果。
有如下sql：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 1000,10;
其中a=3的記錄有8520條。執行計劃如下：
image-20200614171147989
可以發現，這里where用到了索引，order by limit用到了排序。進一步查看執行的optimizer_trace日志：
- "filesort_priority_queue_optimization": {
- "limit": 1010,
- "rows_estimate": 27033,
- "row_size": 123,
- "memory_available": 32768,
- "strip_additional_fields": {
- "row_size": 57,
- "chosen": false,
- "cause": "not_enough_space" // sort buffer空間不夠，無法使用優先級隊列進行排序了
- }
- },
- "filesort_execution": [
- ],
- "filesort_summary": {
- "rows": 8520,
- "examined_rows": 8520,
- "number_of_tmp_files": 24, // 用到了24個外部文件進行排序
- "sort_buffer_size": 32720,
- "sort_mode": "<sort_key, packed_additional_fields>"
- }
我們可以看到，由于limit 1000，要返回排序后1000行以后的記錄，顯然sort buffer已經不能支撐這么大的優先級隊列了，所以轉而使用sort buffer內存排序，而這里需要在sort buffer中分批執行快速排序，得到多個排序好的外部臨時文件，最終執行歸并排序。(外部臨時文件的位置由tmpdir參數指定)
其流程如下圖所示：
4、排序模式案例
4.1、sort_key, additional_fields模式
sort_key, additional_fields，排序緩沖區元組包含排序鍵值和查詢所需要的列(先回表取需要的數據，存入排序緩沖區中)，排序后直接從緩沖區元組取數據，無需再次回表。
上面 2.3.1、2.3.2節的例子都是這種排序模式，就不繼續舉例了。
4.2、模式
sort_key, packed_additional_fields：類似上一種形式，但是附加的列(如varchar類型)緊密地打包在一起，而不是使用固定長度的編碼。
上面2.3.3節的例子就是這種排序模式，由于參與排序的總記錄大小太大了，因此需要對附加列進行緊密地打包操作，以節省內存。
4.3、模式
前面我們提到，選擇哪種排序模式，與max_length_for_sort_data[2]這個屬性有關，max_length_for_sort_data規定了排序行的最大大小，這個屬性默認值大小為1024字節：
也就是說如果查詢列和排序列占用的大小小于這個值，這個時候會走sort_key, additional_fields或者sort_key, packed_additional_fields算法，否則，那么會轉而使用sort_key, rowid模式。
現在我們特意把這個值設置小一點，模擬sort_key, rowid模式：
- SET max_length_for_sort_data = 100;
這個時候執行sql：
- select a, b, c, d from t20 force index(idx_abc) where a=3 order by d limit 10;
這個時候再查看sql執行的optimizer_trace日志：
- "filesort_priority_queue_optimization": {
- "limit": 10,
- "rows_estimate": 27033,
- "row_size": 49,
- "memory_available": 32768,
- "chosen": true
- },
- "filesort_execution": [
- ],
- "filesort_summary": {
- "rows": 11,
- "examined_rows": 8520,
- "number_of_tmp_files": 0,
- "sort_buffer_size": 632,
- "sort_mode": "<sort_key, rowid>"
可以發現這個時候切換到了sort_key, rowid模式，在這個模式下，執行流程如下：
- where條件a=3掃描到8520條記錄;
- 回表查找記錄;
- 找到這8520條記錄的id和d字段，放入sort buffer中進行堆排序;
- 排序完成后，取前面10條;
- 取這10條的id回表查詢需要的a，b，c，d字段值;
- 依次返回結果給到客戶端。
可以發現，正因為行記錄太大了，所以sort buffer中只存了需要排序的字段和主鍵id，以時間換取空間，最終排序完成，再次從聚集索引中查找到所有需要的字段返回給客戶端，很明顯，這里多了一次回表操作的磁盤讀，整體效率上是稍微低一點的。
5、order by優化總結
根據以上的介紹，我們可以總結出以下的order by語句的相關優化手段：
- order by字段盡量使用固定長度的字段類型，因為排序字段不支持壓縮;
- order by字段如果需要用可變長度，應盡量控制長度，道理同上;
- 查詢中盡量不用用select *，避免查詢過多，導致order by的時候sort buffer內存不夠導致外部排序，或者行大小超過了max_length_for_sort_data導致走了sort_key, rowid排序模式，使得產生了更多的磁盤讀，影響性能;
- 嘗試給排序字段和相關條件加上聯合索引，能夠用到覆蓋索引最佳。
References
[1]: 滴滴云. MySQL 全表 COUNT(*) 簡述. zhihu.com. Retrieved from https://zhuanlan.zhihu.com/p/54378839
[2]: MySQL. 8.2.1.14 ORDER BY Optimization. Retrieved from https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/order-by-optimization.html
[3]: MySQL：排序(filesort)詳細解析. Retrieved from https://www.jianshu.com/p/069428a6594e
[4]: MYSQL實現ORDER BY LIMIT的方法以及優先隊列(堆排序). Retrieved from http://blog.itpub.net/7728585/viewspace-2130920/
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