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MySQL索引深度解析：从原理到实践

news 来源：原创 2025/5/26 5:48:04

1、索引的价值

案例：

2、MySQL与磁盘交互基本单位

MySQL中的Page（数据页）和操作系统中的Page（内存页）核心区别：

3、建立共识

4、索引的理解

\G的作用

4.1.中断一下---为何IO交互要是 Page

4.2.理解单个Page

4.3.为什么数据库在插入数据时要对其进行排序呢？我们按正常顺序插入数据不是也挺好的吗？

4.4.理解多个Page

4.5.页目录

4.6.单页情况

4.7.多页情况

4.8.复盘一下

InnoDB 在建立索引结构来管理数据的时候，其他数据结构为何不行？

为何选择B+？

5.聚簇索引 VS 非聚簇索引

聚簇索引和非聚簇索引的详细对比

1. 数据存储

2. 数量限制

3. 查询效率

4. 写入性能

5. 适用场景

6、索引操作

6.1.创建主键索引

主键索引的特点：

6.2.唯一索引的创建

唯一索引的特点：

6.3.普通索引的创建

普通索引的特点：

6.4.查询索引：

6.5.删除索引

索引创建原则

1、索引的价值

索引：提高数据库的性能，索引是物美价廉的东西了。不用加内存，不用改程序，不用调sql，只要执行正确的 create index ，查询速度就可能提高成百上千倍。但是天下没有免费的午餐，查询速度的提高是以插入、更新、删除的速度为代价的，这些写操作，增加了大量的IO。所以它的价值，在于提高一个海量数据的检索速度。

常见索引分为：

主键索引(primary key)
唯一索引(unique)
普通索引(index)
全文索引(fulltext)--解决中子文索引问题

案例：

先整一个海量表，在查询的时候，看看没有索引时有什么问题？

--构建一个8000000条记录的数据
--构建的海量表数据需要有差异性，所以使用存储过程来创建， 拷贝下面代码就可以了，暂时不用理解
-- 产生随机字符串
delimiter $$
create function rand_string(n INT)
returns varchar(255)
begin
declare chars_str varchar(100) default'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFJHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
declare return_str varchar(255) default '';
declare i int default 0;
while i < n doset return_str =concat(return_str,substring(chars_str,floor(1+rand()*52),1));set i = i + 1;end while;
return return_str;
end $$
delimiter ;
--产生随机数字
delimiter $$
create function rand_num()
returns int(5)
begin
declare i int default 0;
set i = floor(10+rand()*500);
return i;
end $$
delimiter ;
--创建存储过程，向雇员表添加海量数据
delimiter $$
create procedure insert_emp(in start int(10),in max_num int(10))
begin
declare i int default 0;
set autocommit = 0; 
repeatset i = i + 1;insert into EMP values ((start+i)
,rand_string(6),'SALESMAN',0001,curdate(),2000,400,rand_num());
until i = max_num
end repeat;
commit;
end $$
delimiter ;
-- 执行存储过程，添加8000000条记录
call insert_emp(100001, 8000000);

到此，已经创建出了海量数据的表了。

select * from EMP where empno=998877;

可以看到耗时4.93秒，这还是在本机一个人来操作，在实际项目中，如果放在公网中，假如同时有
1000个人并发查询，那很可能就死机。

解决方法：创建索引

alter table EMP add index(empno);

增加索引之后，检索时间就会大幅度减少，这就是索引的价值

2、MySQL与磁盘交互基本单位

MySQL 作为一款应用软件，可以想象成一种特殊的文件系统。它有着更高的IO场景，所以，为了提高基本的IO效率， MySQL 进行IO的基本单位是 16KB (后面统一使用 InnoDB 存储引擎讲解)

mysql> SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'innodb_page_size';
+------------------+-------+
| Variable_name  | Value |
+------------------+-------+
| Innodb_page_size | 16384 |   -- 16*1024=16384
+------------------+-------+
1 row in set (0.01 sec)

也就是说，磁盘这个硬件设备的基本单位是 512 字节，而 MySQL InnoDB引擎使用 16KB 进行IO交互。
即， MySQL 和磁盘进行数据交互的基本单位是 16KB 。这个基本数据单元，在 MySQL 这里叫做page（注意和系统的page区分）

MySQL中的Page（数据页）和操作系统中的Page（内存页）核心区别：

联系：MySQL的Page通过操作系统的Page机制实现磁盘与内存的交互，两者在I/O操作、缓冲池管理和性能优化上存在间接关联。
协同工作：MySQL的Page设计需要考虑操作系统的Page机制，例如，选择合适的Page大小以减少内存拷贝和I/O开销。

3、建立共识

MySQL 中的数据文件，是以page为单位保存在磁盘当中的。
MySQL 的 CURD 操作，都需要通过计算，找到对应的插入位置，或者找到对应要修改或者查询的数据。
而只要涉及计算，就需要CPU参与，而为了便于CPU参与，一定要能够先将数据移动到内存当中。
所以在特定时间内，数据一定是磁盘中有，内存中也有。后续操作完内存数据之后，以特定的刷新策略，刷新到磁盘。而这时，就涉及到磁盘和内存的数据交互，也就是IO了。而此时IO的基本单位就是Page。
为了更好的进行上面的操作， MySQL 服务器在内存中运行的时候，在服务器内部，就申请了被称为 Buffer Pool 的的大内存空间，来进行各种缓存。其实就是很大的内存空间，来和磁盘数据进行IO交互。
为了更高的效率，一定要尽可能的减少系统和磁盘IO的次数

4、索引的理解

建立测试表

create table if not exists user (id int primary key,   --一定要添加主键哦，只有这样才会默认生成主键索引age int not null,name varchar(16) not null
);
mysql> show create table user \G
*************************** 1. row ***************************Table: user
Create Table: CREATE TABLE `user` (
`id` int(11) NOT NULL,
`age` int(11) NOT NULL,
`name` varchar(16) NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8  --默认就是InnoDB存储引擎
1 row in set (0.00 sec)

\G的作用

HOW CREATE TABLE user \G 是一个用于查看表结构的命令。\G 是一个MySQL客户端的特殊修饰符，它会让查询结果以垂直格式（每列单独一行）显示，而不是默认的表格格式。这在处理包含多列或长文本的查询结果时特别有用。

插入多条记录

--插入多条记录，注意，我们并没有按照主键的大小顺序插入哦
mysql> insert into user (id, age, name) values(3, 18, '杨过');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
mysql> insert into user (id, age, name) values(4, 16, '小龙女');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
mysql> insert into user (id, age, name) values(2, 26, '黄蓉');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
mysql> insert into user (id, age, name) values(5, 36, '郭靖');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
mysql> insert into user (id, age, name) values(1, 56, '欧阳锋');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

查看插入结果：

mysql> select * from user;    --发现竟然默认是有序的！是谁干的呢？排序有什么好处呢？
+----+-----+-----------+
| id | age | name   |
+----+-----+-----------+
|  1 |  56 | 欧阳锋  |
|  2 |  26 | 黄蓉   |
|  3 |  18 | 杨过   |
|  4 |  16 | 小龙女  |
|  5 |  36 | 郭靖   |
+----+-----+-----------+
5 rows in set (0.00 sec)

4.1.中断一下---为何IO交互要是 Page

为何MySQL和磁盘进行IO交互的时候，要采用Page的方案进行交互呢?用多少，加载多少不香吗?

如上面的5条记录，如果MySQL要查找id=2的记录，第一次加载id=1，第二次加载id=2，一次一条记录，那么就需要2次IO。如果要找id=5，那么就需要5次IO。
但，如果这5条(或者更多)都被保存在一个Page中(16KB，能保存很多记录),那么第一次IO查找id=2的时候，整个Page会被加载到MySQL的Buffer Pool中，这里完成了一次IO。但是往后如果在查找id=1,3,4,5等，完全不需要进行IO了，而是直接在内存中进行了。所以，就在单Page里面，大大减少了IO的次数。
你怎么保证，用户一定下次找的数据，就在这个Page里面？我们不能严格保证，但是有很大概率，因为有局部性原理。
往往IO效率低下的最主要矛盾不是IO单次数据量的大小，而是IO的次数。

4.2.理解单个Page

MySQL 中要管理很多数据表文件，而要管理好这些文件，就需要先描述，在组织 ,我们目前可以简单理解成一个个独立文件是有一个或者多个Page构成的。

不同的 Page ，在 MySQL 中，都是 16KB ，使用 prev 和 next 构成双向链表
因为有主键的问题， MySQL 会默认按照主键给我们的数据进行排序，从上面的Page内数据记录可以看出，数据是有序且彼此关联的。

4.3.为什么数据库在插入数据时要对其进行排序呢？我们按正常顺序插入数据不是也挺好的吗？

插入数据时排序的目的，就是优化查询的效率。
页内部存放数据的模块，实质上也是一个链表的结构，链表的特点也就是增删快，查询修改慢，所以优化查询的效率是必须的。
正式因为有序，在查找的时候，从头到后都是有效查找，没有任何一个查找是浪费的，而且，如果运气好，是可以提前结束查找过程的。

4.4.理解多个Page

通过上面的分析，我们知道，上面页模式中，只有一个功能，就是在查询某条数据的时候直接将一整页的数据加载到内存中，以减少硬盘IO次数，从而提高性能。但是，我们也可以看到，现在的页模式内部，实际上是采用了链表的结构，前一条数据指向后一条数据，本质上还是通过数据的逐条比较来取出特定的数据。
如果有1千万条数据，一定需要多个Page来保存1千万条数据，多个Page彼此使用双链表链接起来，而且每个Page内部的数据也是基于链表的。那么，查找特定一条记录，也一定是线性查找。这效率也太低了

4.5.页目录

我们在看《谭浩强C程序设计》这本书的时候，如果我们要看<指针章节>，找到该章节有两种做法

从头逐页的向后翻，直到找到目标内容通过书提供的目录，发现指针章节在234页(假设)，那么我们便直接翻到234页。同时，查找目录的方案，可以顺序找，不过因为目录肯定少，所以可以快速提高定位
本质上，书中的目录，是多花了纸张的，但是却提高了效率
所以，目录，是一种“空间换时间的做法”

4.6.单页情况

针对上面的单页Page，我们能否也引入目录呢？当然可以

那么当前，在一个Page内部，我们引入了目录。比如，我们要查找id=4记录，之前必须线性遍历4次，才能拿到结果。现在直接通过目录2[3]，直接进行定位新的起始位置，提高了效率。现在我们可以再次正式回答上面的问题了，为何通过键值 MySQL 会自动排序？
可以很方便引入目录！

4.7.多页情况

MySQL 中每一页的大小只有 16KB ，单个Page大小固定，所以随着数据量不断增大， 16KB 不可能存下所有的数据，那么必定会有多个页来存储数据。

在单表数据不断被插入的情况下， MySQL 会在容量不足的时候，自动开辟新的Page来保存新的数据，然后通过指针的方式，将所有的Page组织起来。
需要注意，上面的图，是理想结构，大家也知道，目前要保证整体有序，那么新插入的数据，不一定会在新Page上面，这里仅仅做演示。

这样，我们就可以通过多个Page遍历，Page内部通过目录来快速定位数据。可是，貌似这样也有效率问题，在Page之间，也是需要 MySQL 遍历的，遍历意味着依旧需要进行大量的IO，将下一个Page加载到内存，进行线性检测。这样就显得我们之前的Page内部的目录，有点杯水车薪了。

那么如何解决呢？解决方案，其实就是我们之前的思路，给Page也带上目录。
使用一个目录项来指向某一页，而这个目录项存放的就是将要指向的页中存放的最小数据的键值。
和页内目录不同的地方在于，这种目录管理的级别是页，而页内目录管理的级别是行。
其中，每个目录项的构成是：键值+指针。图中没有画全。

存在一个目录页来管理页目录，目录页中的数据存放的就是指向的那一页中最小的数据。有数据，就可通过比较，找到该访问那个Page，进而通过指针，找到下一个Page。
其实目录页的本质也是页，普通页中存的数据是用户数据，而目录页中存的数据是普通页的地址。

可是，我们每次检索数据的时候，该从哪里开始呢？虽然顶层的目录页少了，但是还要遍历啊？不用担心，可以再加目录页！

这货就是传说中的B+树啊！没错，至此，我们已经给我们的表user构建完了主键索引。

随便找一个id=？我们发现，现在查找的Page数一定减少了，也就意味着IO次数减少了，那么效率也就提高了。

4.8.复盘一下

Page分为目录页和数据页。目录页只放各个下级Page的最小键值。
查找的时候，自定向下找，只需要加载部分目录页到内存，即可完成算法的整个查找过程，大大减少了IO次数

InnoDB 在建立索引结构来管理数据的时候，其他数据结构为何不行？

链表？线性遍历
二叉搜索树？退化问题，可能退化成为线性结构
AVL &&红黑树？虽然是平衡或者近似平衡，但是毕竟是二叉结构，相比较多阶B+，意味着树整体过高，大家都是自顶向下找，层高越低，意味着系统与硬盘更少的IO Page交互。虽然你很秀，但是有更秀的。
Hash？官方的索引实现方式中， MySQL 是支持HASH的，不过 InnoDB 和 MyISAM 并不支持.Hash跟进其算法特征，决定了虽然有时候也很快(O(1))，不过，在面对范围查找就明显不行，另外还有其他差别，有兴趣可以查一下。

B树？最值得比较的是 InnoDB 为何不用B树作为底层索引？

B树

B+树

B树节点，既有数据，又有Page指针，而B+，只有叶子节点有数据，其他目录页，只有键值和Page指针
B+叶子节点，全部相连，而B没有

为何选择B+？

节点不存储data，这样一个节点就可以存储更多的key。可以使得树更矮，所以IO操作次数更少。
叶子节点相连，更便于进行范围查找

5.聚簇索引 VS 非聚簇索引

MyISAM 存储引擎-主键索引
MyISAM 引擎同样使用B+树作为索引结果，叶节点的data域存放的是数据记录的地址。

下图为 MyISAM表的主索引， Col1 为主键。

其中， MyISAM 最大的特点是，MyISAM将索引Page和数据Page分离，也就是叶子节点没有数据，只有对应数据的地址。
相较于 InnoDB 索引， InnoDB 是将索引和数据放在一起的。

创建MyISAM索引的方法：

-终端A
mysql> create database myisam_test;  --创建数据库
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
mysql> use myisam_test;
Database changed
mysql> create table mtest(-> id int primary key,-> name varchar(11) not null-> )engine=MyISAM;        --使用engine=MyISAM

其中， InnoDB 这种用户数据与索引数据在一起索引方案，叫做聚簇索引。

聚簇索引和非聚簇索引的详细对比

1. 数据存储

聚簇索引：
- 数据行按照聚簇索引的键值物理排序存储。
- 叶子节点直接存储完整的数据行（InnoDB中，主键是聚簇索引的默认键）。
- 类似“图书馆的分类书架”：书（数据）按照分类（索引）顺序排列，直接放在书架上。
非聚簇索引：
- 索引结构与数据行分开存储。
- 叶子节点存储的是指向数据行的指针（如主键值或物理地址）。
- 类似“图书馆的目录卡片”：卡片（索引）记录书名和书架位置（指针），需要到书架上找书（数据）。

2. 数量限制

聚簇索引：
- 一个表只能有一个聚簇索引（因为数据只能按一种方式物理排序）。
- 在InnoDB中，如果没有显式定义主键，会选择一个唯一非空索引作为聚簇索引；如果没有这样的索引，会隐式生成一个6字节的ROWID作为聚簇索引。
非聚簇索引：
- 一个表可以有多个非聚簇索引（因为它们只是指向数据的指针）。
- 类似“图书馆的多个目录”：可以按作者、出版社等分类，每个分类都是独立的目录。

3. 查询效率

聚簇索引：
- 范围查询（如 WHERE id BETWEEN 1 AND 100）效率高，因为数据是物理连续的。
- 按索引顺序的访问（如 ORDER BY id）无需排序。
非聚簇索引：
- 精确查询（如 WHERE username = 'Alice'）效率高，但范围查询可能需要回表。
- 回表：如果查询的列不在索引中，需要先通过索引找到主键值，再通过主键值查询数据行。

4. 写入性能

聚簇索引：
- 插入、更新和删除操作可能较慢，因为需要维护物理顺序。
- 例如，插入数据时可能需要移动其他数据行以保持顺序。
非聚簇索引：
- 写入操作通常较快，因为只需更新索引结构，不涉及数据行的物理移动。
- 例如，插入数据时只需在索引中添加一个条目。

5. 适用场景

聚簇索引：
- 适合频繁按主键或索引顺序查询的场景（如时间序列数据、订单表按时间排序）。
- 适合范围查询较多的场景（如 WHERE date BETWEEN '2023-01-01' AND '2023-12-31'）。
非聚簇索引：
- 适合需要快速定位数据行的场景（如精确查询、多条件查询）。
- 适合覆盖索引（Covering Index）的场景（即索引包含查询所需的所有列，无需回表）。

6、索引操作

6.1.创建主键索引

第一种方式

-- 在创建表的时候，直接在字段名后指定 primary key
create table user1(id int primary key, name varchar(30));

第二种方式

-- 在创建表的最后，指定某列或某几列为主键索引
create table user2(id int, name varchar(30), primary key(id));

第三种方式

create table user3(id int, name varchar(30));
-- 创建表以后再添加主键
alter table user3 add primary key(id);

主键索引的特点：

一个表中，最多有一个主键索引，当然可以使符合主键
主键索引的效率高（主键不可重复）
创建主键索引的列，它的值不能为null，且不能重复
主键索引的列基本上是int

6.2.唯一索引的创建

第一种方式

-- 在表定义时，在某列后直接指定unique唯一属性。
create table user4(id int primary key, name varchar(30) unique);

第二种方式

-- 创建表时，在表的后面指定某列或某几列为unique
create table user5(id int primary key, name varchar(30), unique(name));

第三种方式

create table user6(id int primary key, name varchar(30)）；
alter table user6 add unique(name);

唯一索引的特点：

一个表中，可以有多个唯一索引
查询效率高
如果在某一列建立唯一索引，必须保证这列不能有重复数据
如果一个唯一索引上指定not null，等价于主键索引

6.3.普通索引的创建

第一种方式

create table user8(id int primary key,
name varchar(20),
email varchar(30),
index(name) --在表的定义最后，指定某列为索引
);

第二种方式

create table user9(id int primary key, name varchar(20), email
varchar(30));
alter table user9 add index(name); --创建完表以后指定某列为普通索引

第三种方式

create table user10(id int primary key, name varchar(20), email
varchar(30));
-- 创建一个索引名为 idx_name 的索引
create index idx_name on user10(name);

普通索引的特点：

一个表中可以有多个普通索引，普通索引在实际开发中用的比较多
如果某列需要创建索引，但是该列有重复的值，那么我们就应该使用普通索引

6.4.查询索引：

第一种方法： show keys from 表名

mysql> show keys from goods\G
*********** 1. row ***********Table: goods  <= 表名
Non_unique: 0    <= 0表示唯一索引Key_name: PRIMARY <= 主键索引
Seq_in_index: 1
Column_name: goods_id <= 索引在哪列Collation: A
Cardinality: 0Sub_part: NULLPacked: NULLNull:
Index_type: BTREE  <= 以二叉树形式的索引Comment:
1 row in set (0.00 sec)

第二种方法: show index from 表名;
第三种方法（信息比较简略）： desc 表名；

6.5.删除索引

第一种方法-删除主键索引： alter table 表名 drop primary key;
第二种方法-其他索引的删除： alter table 表名 drop index 索引名；索引名就是show keysfrom 表名中的 Key_name 字段mysql> alter table user10 drop index idx_name;
第三种方法方法： drop index 索引名 on 表名mysql> drop index name on user8