MySQL排序原理与MySQL5.6案例分析【转】

本文来自：http://www.cnblogs.com/cchust/p/5304594.html，其中对于自己觉得是重点的加了标记，方便自己查阅。更多详细的说明可以看沃趣科技的文章说明。

前言
      排序是数据库中的一个基本功能，MySQL也不例外。用户通过Order by语句即能达到将指定的结果集排序的目的，其实不仅仅是Order by语句，Group by语句，Distinct语句都会隐含使用排序。本文首先会简单介绍SQL如何利用索引避免排序代价，然后会介绍MySQL实现排序的内部原理，并介绍与排序相关的参数，最后会给出几个“奇怪”排序例子，来谈谈排序一致性问题，并说明产生现象的本质原因。

1.排序优化与索引使用
      为了优化SQL语句的排序性能，最好的情况是避免排序，合理利用索引是一个不错的方法。因为索引本身也是有序的，如果在需要排序的字段上面建立了合适的索引，那么就可以跳过排序的过程，提高SQL的查询速度。下面我通过一些典型的SQL来说明哪些SQL可以利用索引减少排序，哪些SQL不能。假设t1表存在索引key1(key_part1,key_part2),key2(key2)

a.可以利用索引避免排序的SQL

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SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1,key_part2; SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 = constant ORDER BY key_part2; SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 > constant ORDER BY key_part1 ASC; SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 = constant1 AND key_part2 > constant2 ORDER BY key_part2;

b.不能利用索引避免排序的SQL

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//排序字段在多个索引中，无法使用索引排序 SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1,key_part2, key2;   //排序键顺序与索引中列顺序不一致，无法使用索引排序 SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part2, key_part1;   //升降序不一致，无法使用索引排序 SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1 DESC, key_part2 ASC;   //key_part1是范围查询，key_part2无法使用索引排序 SELECT * FROM t1 WHERE key_part1> constant ORDER BY key_part2;

2.排序实现的算法
      对于不能利用索引避免排序的SQL，数据库不得不自己实现排序功能以满足用户需求，此时SQL的执行计划中会出现“Using filesort”，这里需要注意的是filesort并不意味着就是文件排序，其实也有可能是内存排序，这个主要由sort_buffer_size参数与结果集大小确定。MySQL内部实现排序主要有3种方式，常规排序，优化排序和优先队列排序，主要涉及3种排序算法：快速排序、归并排序和堆排序。

假设表结构和SQL语句如下：

CREATE TABLE t1(id int, col1 varchar(64), col2 varchar(64), col3 varchar(64), PRIMARY KEY(id),key(col1,col2));
SELECT col1,col2,col3 FROM t1 WHERE col1>100 ORDER BY col2;

a.常规排序，双路排序
(1).从表t1中获取满足WHERE条件的记录
(2).对于每条记录，将记录的主键+排序键(id,col2)取出放入sort buffer
(3).如果sort buffer可以存放所有满足条件的(id,col2)对，则进行排序；否则sort buffer满后，进行排序并写到临时文件中。(排序算法采用的是快速排序算法)
(4).若排序中产生了临时文件，需要利用归并排序算法，保证临时文件中记录是有序的
(5).循环执行上述过程，直到所有满足条件的记录全部参与排序
(6).扫描排好序的(id,col2)队，即sort buffer，并利用主键id去取SELECT需要返回的其他列(col1,col2,col3)
(7).将获取的结果集返回给用户。
      从上述流程来看，是否使用文件排序主要看sort buffer是否能容下需要排序的(id,col2)的结果集，这个buffer的大小由sort_buffer_size参数控制。此外一次排序还需要两次IO，一次是取排序字段(id,col2)到sort buffer中，第二次是通过上面取出的主键id再来取其他所需要返回列(col1,col2,col3)，由于返回的结果集是按col2排序，因此id是乱序的，通过乱序的id取(col1,col2,col3)时会产生大量的随机IO。对于第二次IO取MySQL本身会优化，即在取之前先将主键id排序，并放入缓冲区，这个缓存区大小由参数read_rnd_buffer_size控制，然后有序去取记录，将随机IO转为顺序IO。
b.优化排序，单路排序，max_length_for_sort_data
     常规排序方式除了排序本身，还需要额外两次IO。优化排序方式相对于常规排序，减少了第二次IO。主要区别在于，一次性取出sql中出现的所有字段放入sort buffer中而不是只取排序需要的字段(id,col2)。由于sort buffer中包含了查询需要的所有字段，因此排序完成后可以直接返回，无需二次取数据。这种方式的代价在于，同样大小的sort buffer，能存放的(col1,col2,col3)数目要小于(id,col2)，如果sort buffer不够大，可能导致需要写临时文件，造成额外的IO。当然MySQL提供了参数max_length_for_sort_data，只有当排序sql里出现的所有字段小于max_length_for_sort_data时，才能利用优化排序方式，否则只能用常规排序方式。
c.优先队列排序
     为了得到最终的排序结果，我们都需要将所有满足条件的记录进行排序才能返回。那么相对于优化排序方式，是否还有优化空间呢？5.6版本针对Order by limit M，N语句，在空间层面做了优化，加入了一种新的排序方式--优先队列，这种方式采用堆排序实现。堆排序算法特征正好可以解limit M,N 这类排序的问题，虽然仍然需要所有字段参与排序，但是只需要M+N个元组的sort buffer空间即可，对于M，N很小的场景，基本不会因为sort buffer不够而导致需要临时文件进行归并排序的问题。对于升序，采用大顶堆，最终堆中的元素组成了最小的N个元素，对于降序，采用小顶堆，最终堆中的元素组成了最大的N的元素。

3.排序不一致问题

案例1：order by no_index limit n在MySQL5.5和5.6中的不一致

MySQL从5.5迁移到5.6以后，发现分页出现了重复值（排序字段没有用索引，或则直接是全表扫描），MariaDB已经是优化后的方案，和5.6一致。

问题源头：https://bbs.aliyun.com/read/248026.html，解决办法：http://mysql.taobao.org/monthly/2015/06/04/

测试表与数据：

create table t1(id int primary key, c1 int, c2 varchar(128));
insert into t1 values(1,1,'a');
insert into t1 values(2,2,'b');
insert into t1 values(3,2,'c');
insert into t1 values(4,2,'d');
insert into t1 values(5,3,'e');
insert into t1 values(6,4,'f');
insert into t1 values(7,5,'g');

假设每页3条记录，第一页limit 0,3和第二页limit 3,3查询结果如下：

我们可以看到 id为4的这条记录居然同时出现在两次查询中，这明显是不符合预期的，而且在5.5版本中没有这个问题。

使用优先队列排序的目的就是在不能使用索引有序性的时候，如果要排序，并且使用了limit n，那么只需要在排序的过程中，保留n条记录即可，这样虽然不能解决所有记录都需要排序的开销，但是只需要 sort buffer 少量的内存就可以完成排序，上面已经说明。

之所以MySQL5.6出现了第二页数据重复的问题，是因为使用了优先队列排序，其使用了堆排序的排序方法，而堆排序是一个不稳定的排序方法，也就是相同的值（例子中的值2）可能排序出来的数据和读出来的数据顺序不一致，无法保证排序前后数据位置的一致，所以导致分页重复的现象。

为了避免这个问题，有几种方法：

①：索引排序字段

利用索引的有序性，在字段添加上索引，就直接按照索引的有序性进行读取并分页，从而可以规避遇到的这个问题。

②：利用多列索引，对于单列相同无法排序的，利用其主键进行排序：

select * from t1 order by c1,id asc limit 0,3;
select * from t1 order by c1,id asc limit 3,3;

案例2：单路排序和双路排序返回结果不一样

两个类似的查询语句，除了返回列不同，其它都相同，但排序的结果不一致。

测试表与数据：

create table t2(id int primary key, status int, c1 varchar(255),c2 varchar(255),c3 varchar(255),key(c1));
insert into t2 values(7,1,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(6,2,'b',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(5,2,'c',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(4,2,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(3,3,'b',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(2,4,'c',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(1,5,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));

分别执行SQL语句：

select id,status,c1,c2 from t2 force index(c1) where c1>='b' order by status;
select id,status from t2 force index(c1) where c1>='b' order by status;

执行结果如下：

看看两者的执行计划是否相同

为了说明问题，因为测试数据不多，确保能走上c1列索引，加了force index的hint。语句通过c1列索引取id，然后去表中捞取返回的列。根据c1列值的大小，记录在c1索引中的相对位置如下：

(c1,id)<===>(b,6),(b,3),(c,5),(c,2)，

对应的status值分别为2,3,2,4。从表中取数据并按status排序，则相对位置变为(6,2,b),(5,2,c),(3,3,b),(2,4,c)，这就是第二条语句查询返回的结果，那么为什么第一条查询语句(6,2,b),(5,2,c)是调换顺序的呢？

这里说明下：
1. Query 语句所取出的字段类型大小总和小于max_length_for_sort_data 。
2. 排序的字段不包含TEXT和BLOB类型。

之前提到的优化排序就可以明白了：由于第一条查询返回的列的字节数超过了max_length_for_sort_data，导致排序采用常规排序，而在这种情况下第二次IO时，MYSQL本身优化会对id排序，将随机IO转为顺序IO，所以返回的先是5，后是6；而第二条查询采用的是优化排序，没有第二次取数据的过程，保持了排序后记录的相对位置，直接在sort buffer里取出。对于第一条语句，若想采用优化排序，我们将max_length_for_sort_data设置调大即可，比如2048。

4.参考文档

http://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/en/order-by-optimization.html

http://mysql.taobao.org/monthly/2015/06/04/

http://ifxoxo.com/mysql_order_by.html