MySQL中order by的执行过程

2024-04-02 19:55

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一、测试数据

测试的这个订单表my_order的结构是这样的：

CREATE TABLE `my_order` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `oid` varchar(20) NOT NULL,
  `uid` int(11) NOT NULL,
  `price` decimal(6,2) NOT NULL DEFAULT '0.00',
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE,
  KEY `uid` (`uid`) USING BTREE,
  KEY `oid` (`oid`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1000000 DEFAULT CHARSET=utf8;

用户表my_user数据：

上面的订单表my_order的uid 与用户表my_user的id 关联。

SQL 语句可以这么写：

SELECT
	oid,
	price 
FROM
	my_order 
WHERE
	uid = 1 
ORDER BY
	price 
	LIMIT 1000;

上面的SQL语句看上去逻辑很清晰，但是它的执行流程了解么？这篇文章就来学习一下这个语句是怎么执行的，以及有哪些参数会影响执行。

二、全字段排序

为避免全表扫描，我们需要在 uid 字段加上索引。在 uid 字段加上索引之后，我们用 EXPLAIN 命令来看看这个语句的执行情况。

Extra 这个字段中的“Using filesort”表示的就是需要排序，MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序，称为 sort_buffer。为了说明这个 SQL 查询语句的执行过程，我们先看一下 uid 这个索引的示意图。

如下图所示：

通常情况下，这个语句执行流程如下：

初始化 sort_buffer，确定放入 oid、price、uid 这三个字段；
从索引 uid 找到第一个满足 uid = 1 条件的主键 id，也就是图中的 ID-4；
到主键 id 索引取出整行，取 oid、price、uid 三个字段的值，存入 sort_buffer 中；
从索引 uid 取下一个记录的主键 id；
重复步骤 3、4 直到 uid 的值不满足查询条件为止；
对 sort_buffer 中的数据按照字段 oid 做快速排序；
按照排序结果取前 1000 行返回给客户端。

“按 oid 排序”这个动作，可能在内存中完成，也可能需要使用外部排序，这取决于排序所需的内存和参数 sort_buffer_size。

sort_buffer_size，就是 MySQL 为排序开辟的内存（sort_buffer）的大小。如果要排序的数据量小于 sort_buffer_size，排序就在内存中完成。但如果排序数据量太大，内存放不下，则不得不利用磁盘临时文件辅助排序。

你可以用下面介绍的方法，来确定一个排序语句是否使用了临时文件。


SET optimizer_trace = 'enabled=on';
 

SELECT VARIABLE_VALUE INTO @a FROM PERFORMANCE_SCHEMA.session_status WHERE variable_name='Innodb_rows_read';
 

SELECT oid,price FROM my_order WHERE uid=1 ORDER BY price LIMIT 1000;
 

SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G;
 

SELECT VARIABLE_VALUE INTO @b FROM PERFORMANCE_SCHEMA.session_status WHERE variable_name='Innodb_rows_read';
 

SELECT @b-@a;

这个方法是通过查看 OPTIMIZER_TRACE 的结果来确认的，你可以从number_of_tmp_files 中看到是否使用了临时文件。

number_of_tmp_files 表示排序过程中使用的临时文件数。你一定奇怪，我当前测试的需要 0 个文件，表示排序可以直接在内存中完成。如果是 n，则表示内存放不下时，就需要使用外部排序，外部排序一般使用归并排序算法。可简单理解，MySQL 将需要排序的数据分成 n 份，每一份单独排序后存在这些临时文件中。然后把这 n 个有序文件再合并成一个有序的大文件。

注：当如果sort_buffer_size超过了需要排序的数据量的大小，number_of_tmp_files 就是 0，表示排序可以直接在内存中完成。

接下来，我再和你解释一下上图中其他两个值的意思。

我们的示例表中有 99972 条满足 uid = 1 的记录，examined_rows=99972，表示参与排序的行数是 99972 行。

sort_mode 里面是 additional_fields。

1、< sort_key, rowid > 对应的是MySQL 4.1之前的"原始排序模式"。表明排序缓冲区元组包含排序键值和原始表⾏的⾏id，排序后需要使⽤⾏id进⾏回表，这种算法也称为original filesort algorithm(回表排序算法)；
2、< sort_key, additional_fields > 对应的是MySQL 4.1以后引入的"修改后排序模式"。排序缓冲区元组包含排序键值和查询所需要的列，排序后直接从缓冲区元组取数据，⽆需回表，这种算法也称为modified filesort algorithm(不回表排序)；
3、< sort_key, packed_additional_fields > 是MySQL 5.7.3以后引入的进一步优化的"打包数据排序模式"。这类似上⼀种形式，但是附加的列(如varchar类型)紧密地打包在⼀起，⽽不是使⽤固定长度的编码。

同时，最后一个查询语句 select @b-@a 的返回结果是 99973。

那为啥不是上面那个 99972 呢？

这里需要注意的是，为了避免干扰，你可以把 internal_tmp_disk_storage_engine 设置成 MyISAM。否则，select @b-@a 的结果会显示为 99973。这是因为查询 OPTIMIZER_TRACE 这个表时，需要用到临时表，而 internal_tmp_disk_storage_engine 的默认值是 InnoDB。如果使用的是 InnoDB 引擎的话，把数据从临时表取出来的时候，会让 Innodb_rows_read 的值加 1。

三、rowid 排序

上面那个算法，只对原表的数据读了一遍，剩下的操作都是在 sort_buffer 和临时文件中执行的。但这个算法有一个问题，就是如果查询要返回的字段很多的话，那么 sort_buffer 里面要放的字段数太多，这样内存里能够同时放下的行数很少，要分成很多个临时文件，排序的性能会很差。所以如果单行很大，这个方法效率不够好。

如果 MySQL 认为排序的单行长度太大会怎么做呢？

下面来修改一个参数，让 MySQL 采用另外一种算法。

SET max_length_for_sort_data = 16;

max_length_for_sort_data，是 MySQL 中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数。它的意思是，如果单行的长度超过这个值，MySQL 就认为单行太大，要换一个算法。oid、price这2个字段的定义总长度是 28，我把 max_length_for_sort_data 设置为 16，我们再来看看计算过程有什么改变。新的算法放入 sort_buffer 的字段，只有要排序的列（即 price 字段）和主键 id。但这时，排序的结果就因为少了 price 字段的值，不能直接返回了，

整个执行流程就变成如下所示的样子：

初始化 sort_buffer，确定放入两个字段，即 price 和 id；
从索引 uid 找到第一个满足 uid= 1 条件的主键 id；
到主键 id 索引取出整行，取 price、id 这两个字段，存入 sort_buffer 中；
从索引 uid 取下一个记录的主键 id；
重复步骤 3、4 直到不满足 uid= 1 条件为止；
对 sort_buffer 中的数据按照字段 price 进行排序；
遍历排序结果，取前 1000 行，并按照 id 的值回到原表中取出 oid、price 2个字段返回给客户端。

对比全字段排序流程图，rowid 排序多访问了一次表 test 的主键索引，就是步骤 7。

说明：最后的“结果集”只是一个逻辑概念，实际上 MySQL 服务端从排序后的 sort_buffer 中依次取出 id，然后到原表查到 oid、price 这2个字段的结果，不需要在服务端再耗费内存存储结果，是直接返回给客户端的。

那么根据这个时候执行 select @b-@a，结果会是多少呢？

首先，图中的 examined_rows 的值还是 99972，表示用于排序的数据是 99972 行。但是 select @b-@a 这个语句的值变成 100973 了。(比上面的 select @b-@a 99973 多了1000行，因为这时候除了排序过程外，在排序完成后，还要根据 id 去原表取值。由于语句是 limit 1000，因此会多读 1000 行）。

从 OPTIMIZER_TRACE 的结果中，你还能看到另外有个信息也变了。

sort_mode 变成了 <sort_key, rowid>，表示参与排序的只有 price 和 id 这两个字段。

四、全字段排序与 rowid 排序比较

如果 MySQL 实在是担心排序内存太小，会影响排序效率，才会采用 rowid 排序算法，这样排序过程中一次可以排序更多行，但是需要再回到原表去取数据。

如果 MySQL 认为内存足够大，会优先选择全字段排序，把需要的字段都放到 sort_buffer 中，这样排序后就会直接从内存里面返回查询结果了，不用再回到原表去取数据。这也就体现了 MySQL 的一个设计思想：如果内存够，就要多利用内存，尽量减少磁盘访问。对于 InnoDB 表来说，rowid 排序会要求回表多造成磁盘读，因此不会被优先选择。

MySQL 做排序是一个成本比较高的操作。是不是所有的 order by 都需要排序操作呢？如果不排序就能得到正确的结果，那对系统的消耗会小很多，语句的执行时间也会变得更短。其实，并不是所有的 order by 语句，都需要排序操作的。从上面分析的执行过程，我们可以看到，MySQL 之所以需要生成临时表，并且在临时表上做排序操作，其原因是原来的数据都是无序的。如果能够保证从 uid 这个索引上取出来的行，天然就是按照 price 递增排序的话，是不是就可以不用再排序了呢？所以，我们可以在这个市民表上创建一个 uid 和 price 的联合索引，对应的 SQL 语句是：

ALTER TABLE my_order ADD INDEX un_key (uid,price);

作为与 uid 索引的对比，我们来看看这个索引的示意图。

在这个索引里面，我们依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足 uid=1 的记录，并且额外确保了，接下来按顺序取“下一条记录”的遍历过程中，只要 uid 的值是 1，price 的值就一定是有序的。

这样整个查询过程的流程就变成了：

从索引 (uid,price) 找到第一个满足 city= 1 条件的主键 id；
到主键 id 索引取出整行，取 oid、price 2个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
从索引 (uid,price) 取下一个记录主键 id；
重复步骤 2、3，直到查到第 1000 条记录，或者是不满足 uid=1 条件时循环结束。

这个查询过程不需要临时表，也不需要排序。接下来，我们用 EXPLAIN 的结果来印证一下。

从图中可以看到，Extra 字段中没有 Using filesort 了，也就是不需要排序了。而且由于 (uid,price) 这个联合索引本身有序，所以这个查询也不用把 99972 行全都读一遍，只要找到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了。也就是说，在我们这个例子里，只需要扫描 1000 次。同样看下 select @b-@a;