MySQL之ORDER BY 详细解析

1 概述

MySQL有两种方式可以实现ORDER BY：

1.通过索引扫描生成有序的结果
2.使用文件排序(filesort)

围绕着这两种排序方式，我们试着理解一下ORDER BY的执行过程以及回答一些常见的问题（下文仅讨论InnoDB存储引擎）。

2 索引扫描排序和文件排序(filesort)简介

我们知道InnoDB存储引擎以B+树作为索引的底层实现，B+树的叶子节点存储着所有数据页而内部节点不存放数据信息，并且所有叶子节点形成一个(双向)链表。

举个例子，假设userinfo表的userid字段上有主键索引，且userid目前的范围在1001~1006之间，则userid的索引B+树如下(这里只是为了举例，下图忽略了InnoDB数据页默认大小16KB、双向链表，并且假设B+树度数为3、userid顺序插入)：

现在我们想按照userid从小到大的顺序取出所有用户信息，执行以下SQL：

SELECT *
FROM userinfo
ORDER BY userid;

MySQL会直接遍历上图userid索引的叶子节点链表，不需要进行额外的排序操作。这就是用索引扫描来排序。

但如果userid字段上没有任何索引，图1的B+树结构不存在，MySQL就只能先扫表筛选出符合条件的数据，再将筛选结果根据userid排序。这个排序过程就是filesort。

下文将详细介绍这两种排序方式。

3 索引扫描排序执行过程分析

介绍索引扫描排序之前，先看看索引的用途

SQL语句中，WHERE子句和ORDER BY子句都可以使用索引：WHERE子句使用索引避免全表扫描，ORDER BY子句使用索引避免filesort（用“避免”可能有些欠妥，某些场景下全表扫描、filesort未必比走索引慢），以提高查询效率。

虽然索引能提高查询效率，但在一条SQL里，对于一张表的查询一次只能使用一个索引（注：排除发生index merge的可能性），也就是说当WHERE子句与ORDER BY子句要使用的索引不一致时，MySQL只能使用其中一个索引(B+树)。

也就是说，一个既有WHERE又有ORDER BY的SQL中，使用索引有三个可能的场景：

只用于WHERE子句筛选出满足条件的数据
只用于ORDER BY子句返回排序后的结果
既用于WHERE又用于ORDER BY，筛选出满足条件的数据并返回排序后的结果

举个例子，我们创建一张orderdetail表记录每一笔充值记录的userid(用户id)、money(充值金额)、create****time(充值时间)，主键是自增id：

CREATE TABLE `order_detail` (
`id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`userid` int(11) NOT NULL,
`money` float NOT NULL,
`create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `userid` (`userid`),
KEY `create_time` (`create_time`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8

写脚本插入100w行数据（InnoDB别用COUNT(*)查总行数，会扫全表，这里只是为了演示）：

SELECT COUNT(*) FROM order_detail;
+----------+
| COUNT(*) |
+----------+
| 1000000 |
+----------+
SELECT * FROM order_detail LIMIT 5;
+----+--------+-------+---------------------+
| id | userid | money | create_time |
+----+--------+-------+---------------------+
| 1 | 104832 | 3109 | 2013-01-01 07:40:38 |
| 2 | 138455 | 6123 | 2013-01-01 07:40:42 |
| 3 | 109967 | 7925 | 2013-01-01 07:40:46 |
| 4 | 166686 | 4307 | 2013-01-01 07:40:55 |
| 5 | 119837 | 1912 | 2013-01-01 07:40:58 |
+----+--------+-------+---------------------+

现在我们想取出userid=104832用户的所有充值记录，并按照充值时间create_time正序返回。

场景一索引只用于WHERE子句

写出如下SQL并EXPLAIN一下：

EXPLAIN
SELECT *
FROM order_detail
WHERE userid = 104832
ORDER BY create_time;
+------+-------------+--------------+------+---------------+--------+---------+-------+------+-----------------------------+
| id | select_type | table| type | possible_keys | key| key_len | ref | rows | Extra |
+------+-------------+--------------+------+---------------+--------+---------+-------+------+-----------------------------+
| 1 | SIMPLE| order_detail | ref | userid| userid | 4 | const | 8 | Using where; Using filesort |
+------+-------------+--------------+------+---------------+--------+---------+-------+------+-----------------------------+

key列的值是userid，可以看出这条SQL会使用userid索引用作WHERE子句的条件过滤，而ORDER BY子句无法使用该索引，只能使用filesort来排序。这就是上文的第一个场景，整个执行流程大致如下：

先通过userid索引找到所有满足WHERE条件的主键id（注：从b+树根节点往下找叶子节点，时间复杂度为O(logN))
再根据这些主键id去主键索引(聚簇索引)找到这几行的数据，生成一张临时表（时间复杂度为O(M*logN)，M是临时表的行数）
对临时表进行排序（时间复杂度O(M*logM)，M是临时表的行数)

由于本例中M的值可以大概参考 rows列的值8，非常小，所以整个执行过程只花费0.00 sec。

场景二索引只用于ORDER BY子句

接下来是上文的第二种场景，索引只用于ORDER BY子句，这即是索引扫描排序。

我们可以继续使用上文的SQL，通过FORCE INDEX子句强制Optimizer使用ORDER BY子句的索引create_time：

EXPLAIN
SELECT *
FROM order_detail
FORCE INDEX (create_time)
WHERE userid = 104832
ORDER BY create_time;
+------+-------------+--------------+-------+---------------+-------------+---------+------+--------+-------------+
| id | select_type | table| type| possible_keys | key | key_len | ref | rows | Extra |
+------+-------------+--------------+-------+---------------+-------------+---------+------+--------+-------------+
| 1 | SIMPLE| order_detail | index | NULL| create_time | 4 | NULL | 998056 | Using where |
+------+-------------+--------------+-------+---------------+-------------+---------+------+--------+-------------+

可以看到Extra字段里的Using filesort已经没了，但是扫过的rows大概有998056行(准确的值应该是1000000行，InnoDB这一列只是估值)。这是因为索引用于ORDER BY子句时，会直接遍历该索引的叶子节点链表，而不像第一种场景那样从B+树的根节点出发往下查找。执行流程如下：

从create_time索引的第一个叶子节点出发，按顺序扫描所有叶子节点
根据每个叶子节点记录的主键id去主键索引(聚簇索引)找到真实的行数据，判断行数据是否满足WHERE子句的userid条件，若满足，则取出并返回

整个时间复杂度是O(M*logN)，M是主键id的总数，N是聚簇索引叶子节点的个数(数据页的个数)。本例中M的值为1000000，所以整个执行过程比第一种场景花了更多时间，同一台机器上耗时1.34 sec。

上述两个例子恰好说明了另一个道理：在某些场景下使用filesort比不使用filesort 效率更高。

场景三索引既用于WHERE又用于ORDER BY

第三种情况发生在WHERE子句与ORDER BY子句能使用相同的索引时（如: WHERE userid > xxx ORDER BY userid），这样就能省去第二种情况的回表查询操作了。

因此，如果可能，设计索引时应该尽可能地同时满足这两种任务，这样是最好的。 —-《高性能MySQL》

4 文件排序(filesort)

关于filesort上文其实已经介绍过了一些。

filesort的名字起得很费解，让人误以为它会：将一张非常大的表放入磁盘再进行排序。其实不是这样的，filesort**仅仅是排序而已，是否会放入磁盘看情况而定（filesort is not always bad and it does not mean that a file is saved on disk. If the size of the data is small, it is performed in memory.）。以下是《高性能MySQL》中对**filesort的介绍：

如果需要排序的数据量小于“排序缓冲区”，MySQL使用内存进行“快速排序”操作。如果内存不够排序，那么MySQL会先将数据分块，可对每个独立的块使用“快速排序”进行排序，再将各个块的排序结果放到磁盘上，然后将各个排好序的块进行“归并排序”，最后返回排序结果。

所以filesort是否会使用磁盘取决于它操作的数据量大小。

总结来说就是，filesort按排序方式来划分分为两种：

1.数据量小时，在内存中快排
2.数据量大时，在内存中分块快排，再在磁盘上将各个块做归并

数据量大的情况下涉及到磁盘io，所以效率会低一些。

根据回表查询的次数，filesort又可以分为两种方式：

1.回表读取两次数据(two-pass)：两次传输排序
2.回表读取一次数据(single-pass)：单次传输排序

两次传输排序

两次传输排序会进行两次回表操作：第一次回表用于在WHERE子句中筛选出满足条件的rowid以及rowid对应的ORDER BY的列值；第二次回表发生在ORDER BY子句对指定列进行排序之后，通过rowid回表查出SELECT子句需要的字段信息。

举个例子，我们需要从充值记录表筛选出2018年8月11日到12日的所有userid>140000用户的订单的明细，并按照金额从大到小进行排序（下面只是为filesort举例，不是一种好的实现）：

EXPLAIN
SELECT *
FROM order_detail
WHERE create_time >= '2018-08-11 00:00:00' and create_time < '2018-08-12 00:00:00' and userid > 140000
order by money desc;
+------+-------------+--------------+-------+--------------------+-------------+---------+------+------+-----------------------------+
| id | select_type | table| type| possible_keys| key | key_len | ref | rows | Extra |
+------+-------------+--------------+-------+--------------------+-------------+---------+------+------+-----------------------------+
| 1 | SIMPLE| order_detail | range | userid,create_time | create_time | 4 | NULL | 1 | Using where; Using filesort |
+------+-------------+--------------+-------+--------------------+-------------+---------+------+------+-----------------------------+

我们试着分析一下这个SQL的执行过程：

利用createtime索引，对满足WHERE子句create****time >= ‘2018-08-11 00:00:00’ and create_time < ‘2018-08-12 00:00:00’的rowid进行回表（第一次回表），回表之后可以拿到该rowid对应的userid，若userid满足userid > 140000的条件时，则将该行的rowid，money(ORDER BY的列)放入排序缓冲区。
若排序缓冲区能放下所有rowid, money对，则直接在排序缓冲区（内存）进行快排。
若排序缓冲区不能放下所有rowid, money对，则分块快排，将块存入临时文件（磁盘），再对块进行归并排序。
遍历排序后的结果，对每一个rowid按照排序后的顺序进行回表操作（第二次回表），取出SELECT子句需要的所有字段。

熟悉计算机系统的人可以看出，第二次回表会表比第一次回表的效率低得多，因为第一次回表几乎是顺序I/O；而由于rowid是根据money进行排序的，第二次回表会按照rowid乱序去读取行记录，这些行记录在磁盘中的存储是分散的，每读一行磁盘都可能会产生寻址时延（磁臂移动到指定磁道）+旋转时延（磁盘旋转到指定扇区），这即是随机I/O。

所以为了避免第二次回表的随机I/O，MySQL在4.1之后做了一些改进：在第一次回表时就取出此次查询用到的所有列，供后续使用。我们称之为单次传输排序。

单次传输排序（MySQL4.1之后引入）

还是上面那条SQL，我们再看看单次传输排序的执行过程：

利用createtime索引，对满足WHERE子句create****time >= ‘2018-08-11 00:00:00’ and create_time < ‘2018-08-12 00:00:00’的rowid进行回表（第一次回表），回表之后可以拿到改rowid对应的userid，若userid满足userid > 140000的条件时，则将此次查询用到该行的所有列（包括ORDER BY列）取出作为一个数据元组(tuple)，放入排序缓冲区。
若排序缓冲区能放下所有tuples，则直接在排序缓冲区（内存）进行快排。
若排序缓冲区不能放下所有tuples，则分块快排，将块存入临时文件（磁盘），再对块进行归并排序。
遍历排序后的每一个tuple，从tuple中取出SELECT子句需要所有字段。

单次传输排序的弊端在于会将所有涉及到的列都放入排序缓冲区，排序缓冲区一次能放下的tuples更少了，进行归并排序的概率增大。列数据量越大，需要的归并路数更多，增加了额外的I/O开销。所以列数据量太大时，单次传输排序的效率可能还不如两次传输排序。

当然，列数据量太大的情况不是特别常见，所以MySQL的filesort会尽可能使用单次传输排序，但是为了防止上述情况发生，MySQL做了以下限制：

所有需要的列或ORDER BY的列只要是BLOB或者TEXT类型，则使用两次传输排序。
所有需要的列和ORDER BY的列总大小超过maxlengthforsortdata字节，则使用两次传输排序。

我们开发者也应该尽可能让filesort使用单次传输排序，不过EXPLAIN不会告诉我们这个信息，所以我们只能肉眼检查各列的大小看看是否会触发上面两个限制导致两次传输排序的发生。

5 补充说明

如第3小节所述，既然filesort的效率未必比索引扫描排序低，为什么很多人会想避免filesort呢？

谷歌一下using filesort，几乎都是”如何避免filesort”相关的内容：

这是因为通常ORDER BY子句会与LIMIT子句配合，只取出部分行。如果只是为了取出top1的行却对所有行进行排序，这显然不是一种高效的做法。这种场景下按顺序取的索引扫描排序可能会比filesort拥有更好性能（当然也有例外）。

Whether the optimizer actually does so depends on whether reading the index is more efficient than a table scan if columns not in the index must also be read.

官方文档告诉我们optimizer会帮我们选择一种高效的ORDER BY方式。

但也不能完全依赖optimizer的判断，这时合理建立索引、引导它使用指定索引可能是更好的选择。

6 参考资料

MySQL 8.0 Reference Manual :: 8.2.1.14 ORDER BY Optimization
《高性能MySQL》
Sergey Petrunia’s blog » How MySQL executes ORDER BY
MySQL filesort algorithms - Valinv
MySQL技术内幕:InnoDB存储引擎(第2版)
B+ Tree Visualization
B+ Trees(pdf)
MySQL :: MySQL 8.0 Reference Manual :: 8.8.2 EXPLAIN Output Format
What do Clustered and Non clustered index actually mean? - Stack Overflow

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