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記一次基于倒序索引的SQL優(yōu)化

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2025年2月17日 15:50 本文熱度 1312

本文測(cè)試環(huán)境為SQLserver2019

背景

某業(yè)務(wù)流水表，會(huì)基于固定范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)編號(hào)做寫入以及查詢操作，熱數(shù)據(jù)的量級(jí)在億級(jí)別，一個(gè)典型的查詢是基于業(yè)務(wù)編碼查詢最新（時(shí)間戳）某種狀態(tài)的前N條數(shù)據(jù)

簡(jiǎn)化后的表結(jié)構(gòu)如下

create table TestTable01
(
    id                    bigint identity,   --主鍵Id，自增
    business_code        char(7),            --業(yè)務(wù)編碼，一定范圍內(nèi)(測(cè)試代碼從BC00001~BC00200)
    business_timestamp   datetime2,          --業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)間戳
    business_value       decimal(15,3),      --業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)涉及的數(shù)值
    business_status      tinyint,            --業(yè)務(wù)狀態(tài)編碼(測(cè)試數(shù)據(jù)范圍為1~5)
    other_col            varchar(100),
    constraint pk_TestTable01 primary key(id)
);

基于上述表結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)量，基于時(shí)間順序生成1千萬條數(shù)據(jù)

declare @i int = 0
begin tran
    while @i<10000000
    begin
        insert into TestTable01 values (concat('BC',FORMAT(cast(rand()*200 as int), '00000')),dateadd(ss,@i,'2024-01-01'),rand()*10000,rand()*5,newid())
        set @i = @i+1
    end
commit

典型的數(shù)據(jù)如下

select top 100 * from TestTable01

反向索引掃描的執(zhí)行計(jì)劃

除了主鍵索引，開發(fā)人員創(chuàng)建的索引如下

create index idx_bcode_statue on TestTable01 (business_code,business_status)

一個(gè)典型的查詢?nèi)缦拢?span data-wiz-span="data-wiz-span">咋一看確實(shí)沒啥問題

select top 30 * from TestTable01 where business_code = 'BC00146' and business_status in (3, 5) order by id desc

所以一開始基于business_code+business_status建立的索引，表面上看沒有什么不妥當(dāng)?shù)?span data-wiz-span="data-wiz-span">，仔細(xì)觀察一下，還是會(huì)發(fā)現(xiàn)一些潛在問題的端倪

首先看執(zhí)行計(jì)劃，改查執(zhí)行的時(shí)候，并沒有用到idx_bcode_statue這個(gè)索引，盡管這個(gè)索引包含了where條件中的兩個(gè)字段，實(shí)際上執(zhí)行計(jì)劃是一個(gè)cluster index scan，也就是全表掃描，但是該查詢瞬間就返回了，“體感上”很快。

上述查詢IO以及CPU消耗信息，342次IO以及幾乎為0的CPU消耗，，總耗時(shí)6毫秒，這個(gè)代價(jià)確實(shí)不大

可能有人會(huì)有疑問，這里測(cè)試數(shù)據(jù)1000W的數(shù)據(jù)量，全表掃描應(yīng)該是很慢的才對(duì)，事實(shí)上不要看到全量掃描就覺得有問題，繼續(xù)看一下該執(zhí)行計(jì)劃的細(xì)節(jié)。

這里的Scan Direction是BACKWARD，也就是“反向（聚集）索引掃描”，他確實(shí)是一個(gè)表掃描，但是掃描過程中提出來符合條件的數(shù)據(jù)之后，掃描中斷，并不會(huì)完整地掃描整個(gè)表的數(shù)據(jù)頁。

這里不難理解，對(duì)于“聚集索引”這個(gè)B+樹，因?yàn)槭遣樵兡硞€(gè)業(yè)務(wù)代碼的某兩種狀態(tài)最新的30條數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)的生成邏輯（主鍵值跟隨時(shí)間戳做遞增），所以倒序掃描，絕大多數(shù)情況下可以很快找到符合條件的數(shù)據(jù)。原理如下示意圖。所謂的反向索引掃描，就是從B+樹的右邊開始往左邊掃描數(shù)據(jù)頁，直至找到滿足查詢條件的數(shù)據(jù)。

關(guān)于“正向索引掃描”和反向索引掃描，參考這里：https://www.cnblogs.com/wy123/p/5552719.html

所以，即便是開發(fā)人員基于where查詢條件建立的create index idx_bcode_statue on TestTable01 (business_code,business_status)索引沒有用上，但是這個(gè)查詢?cè)诖蠖鄶?shù)情況下都沒有問題。

上述采用（反向）索引掃描的執(zhí)行計(jì)劃，終究是掃描（scan）而不是查找（seek），如果不想采用默認(rèn)的索引掃描策略，強(qiáng)制使用上述idx_bcode_statue這個(gè)索引呢，代價(jià)會(huì)變高，變低，還是差不多？
可以看到使用了idx_bcode_statue 索引的情況下，執(zhí)行計(jì)劃看起來確實(shí)是索引查找（index seek），但是相比默認(rèn)的聚集索引反向掃描，這里的IO代價(jià)也翻了數(shù)十倍。

這就是為什么優(yōu)化器在默認(rèn)情況下不選擇非聚集索引（idx_bcode_statue）查找的原因，如果明白了這個(gè)道理，其實(shí)就不用往下看了。

因此默認(rèn)情況下，優(yōu)化器選擇執(zhí)行聚集索引（反向）掃描是沒有問題的，不出問題的話，問題就出來了。。。

反向索引掃描造成的IO消耗

某天業(yè)務(wù)反饋某生產(chǎn)系統(tǒng)偶發(fā)出現(xiàn)卡頓，嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)，同時(shí)服務(wù)器上部署的擴(kuò)展事件（Extended Event）也確實(shí)捕獲到了一些關(guān)于該SQL的慢日志，結(jié)合業(yè)務(wù)反饋問題出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和擴(kuò)展事件捕獲的慢查詢，確定就是該語句引起的性能問題。

通過分析慢查詢?nèi)罩景l(fā)現(xiàn)：這個(gè)SQL在某些參數(shù)下執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)超預(yù)期，同時(shí)其IO消耗非常大，有超過10W次甚至更多的IO。

但從擴(kuò)展事件里解析出來的SQL語句，包括了參數(shù)，當(dāng)嘗試再次去服務(wù)器上執(zhí)行的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其執(zhí)行非?？?，執(zhí)行計(jì)劃也是預(yù)期的反向聚集索引掃描，IO消耗非常低，那么在當(dāng)時(shí)的情況下，為什么會(huì)出現(xiàn)性能如此的低下，需要消耗如此多的IO？

這里（刪除一部分?jǐn)?shù)據(jù)）模擬某個(gè)設(shè)備很久沒有業(yè)務(wù)流水?dāng)?shù)據(jù)生成然后對(duì)這個(gè)Id做類似上述做同樣的查詢，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？

對(duì)比上述的測(cè)試案例，大約在6毫秒返回結(jié)果，這次的案例就出現(xiàn)在1秒多，IO在80000多次。這明顯跟一開始的case（8毫秒返回結(jié)果）有天壤之別。

由上可見：

1，基于主鍵（聚集索引）的反向索引掃描，對(duì)于多數(shù)case沒有問題，但是對(duì)于特殊case會(huì)造成巨大的IO消耗，并不是一個(gè)最優(yōu)解。

2，對(duì)于常規(guī)的基于where條件的索引，優(yōu)化器壓根就不會(huì)選擇它。

如何建立索引

上文一開始就提到了，對(duì)于常規(guī)的case，優(yōu)化器默認(rèn)的反向聚集索引掃描已經(jīng)是一個(gè)最優(yōu)解了，基于where條件建立的索引（create index idx_bcode_statue on TestTable01 (business_code,business_status)），默認(rèn)情況下也用不上。但是對(duì)于非常規(guī)的case，比如上述BC147這種，某些業(yè)務(wù)代碼最近一段時(shí)間內(nèi)并沒有產(chǎn)生業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，再用默認(rèn)的反向聚集索引掃描就不合理了，因?yàn)檫@個(gè)掃描會(huì)掃描出來一大批數(shù)據(jù)頁面，才能找到滿足條件的數(shù)據(jù)，因此這是一個(gè)不合理的執(zhí)行計(jì)劃。但同時(shí)，代碼層面無法判斷某個(gè)業(yè)務(wù)代碼在近期否產(chǎn)生了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也就無從得知那個(gè)參數(shù)使用默認(rèn)的聚集索引掃描更高效。因此需要一種對(duì)于兩種case都適用的優(yōu)化方式，既然按照id做倒序排序查詢某個(gè)業(yè)務(wù)代碼的數(shù)據(jù)，那可以直接基于業(yè)務(wù)代碼和“倒序”Id的聯(lián)合索引

直接上代碼

create index idx_bcode_id_status on TestTable01(business_code, id desc, business_status)

基于上面idx_bcode_id_status 創(chuàng)建之后的執(zhí)行計(jì)劃如下：

對(duì)于數(shù)據(jù)分布均勻的case

對(duì)于基于時(shí)間戳最近沒有生成數(shù)據(jù)的case，一樣都會(huì)基于idx_bcode_id_status 這個(gè)索引做index seek

該索引的思路就是，基于business_code，然后加上自增Id的倒序方式，讓business_code的數(shù)據(jù)按照Id倒序的方式組織索引，其查詢的過程中會(huì)先掃描出來最新的數(shù)據(jù)頁。

反向索引優(yōu)化是否適合于MySQL

同時(shí)，該場(chǎng)景問題的優(yōu)化，不但可以應(yīng)用在SQLServer上，索引的原理是一樣的，在MySQL上頁同樣適用，MySQL早期版本不支持倒序索引，但是語法不報(bào)錯(cuò)，MySQL 8.0之后是支持反向索引的，下面是在MySQL 8.0.36上測(cè)試的，效果類似于SQLserver中。

MySQL下測(cè)試代碼

create table TestTable01
(
    id                            bigint AUTO_INCREMENT NOT NULL PRIMARY key,    
    business_code            char(7),                
    business_timestamp    datetime,        
    business_value            decimal(15,3),    
    business_status        tinyint,    
    other_col                varchar(100)
);
 
SET GLOBAL innodb_flush_log_at_trx_commit = 0;
SET GLOBAL sync_binlog = 0;
-- 生成測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程
CREATE DEFINER=`root`@`%` PROCEDURE `create_test_data`()
LANGUAGE SQL
NOT DETERMINISTIC
CONTAINS SQL
SQL SECURITY DEFINER
COMMENT ''
BEGIN
    -- start TRANSACTION;
    set loop_count = 0;
    while loop_count<10000000 do
        INSERT INTO TestTable01(business_code,business_timestamp,business_value,business_status,other_col)
        VALUES (CONCAT('SC',LPAD(cast(CAST(RAND()*200 AS UNSIGNED int) AS CHAR), 5, '0')),DATE_ADD('2024-01-01', INTERVAL loop_count second),RAND()*10000,CAST(RAND()*5 AS UNSIGNED INT),UUID()); 
        SET loop_count = loop_count + 1;
    END while;
    -- COMMIT;
END
call create_test_data(1000000);

總結(jié)

針對(duì)查詢創(chuàng)建索引的時(shí)候，不但要看where條件中字段的選擇性，同時(shí)要關(guān)注排序條件，因?yàn)楹雎粤伺判驐l件的情況下，僅關(guān)注查詢where的篩選字段，如果直接用索引過濾出來數(shù)據(jù)，再排序后返回?cái)?shù)據(jù)，可能是一個(gè)非常消耗資源的操作，因此優(yōu)化器不選擇這些索引也很正常，如果能夠通過索引建立與查詢語句排序一致的索引，才能適應(yīng)于此類查詢。

轉(zhuǎn)自https://www.cnblogs.com/wy123/p/18229506

該文章在 2025/2/17 16:38:06 編輯過

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SQL

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索引

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