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MySQL 8.4 Reference Manual
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10.2.1.2 Range 优化

range 访问方法使用单个索引来检索包含在一个或多个索引值区间内的表行的子集。它可以用于单列或多列索引。以下部分描述了优化器使用范围访问的条件。

单列索引的范围访问方法

对于单列索引,索引值区间可以用WHERE子句中的相应条件方便地表示,这些条件被称为范围条件,而不是区间”。

单列索引的范围条件定义如下:

  • 对于BTREEHASH索引,当使用=<=>IN()IS NULLIS NOT NULL操作符将键的一部分与常量值进行比较时,这是一个范围条件。

  • 此外,对于BTREE索引,使用><>=<=BETWEEN!=<>操作符,或LIKE比较,如果比较的参数是常量字符串且不以通配符字符开头,也是范围条件。

  • 对于所有索引类型,使用ORAND组合的多个范围条件也是范围条件。

常量值在前面的描述中指的是以下之一:

  • 查询字符串中的常量

  • 同一连接中的constsystem表的列

  • 未相关子查询的结果

  • 由前述类型的子表达式组成的任何表达式

以下是一些使用范围条件的查询示例:

SELECT * FROM t1
  WHERE key_col > 1
  AND key_col < 10;

SELECT * FROM t1
  WHERE key_col = 1
  OR key_col IN (15,18,20);

SELECT * FROM t1
  WHERE key_col LIKE 'ab%'
  OR key_col BETWEEN 'bar' AND 'foo';

一些非常量值可能在优化器常量传播阶段被转换为常量。

MySQL 尝试从 WHERE 子句中提取可能的索引。提取过程中,不能用于构建范围条件的条件将被丢弃,重叠的条件将被组合,空范围的条件将被删除。

考虑以下语句,其中key1是索引列,nonkey不是索引:

SELECT * FROM t1 WHERE
  (key1 < 'abc' AND (key1 LIKE 'abcde%' OR key1 LIKE '%b')) OR
  (key1 < 'bar' AND nonkey = 4) OR
  (key1 < 'uux' AND key1 > 'z');

对于key1索引的提取过程如下:

  1. 从原始 WHERE 子句开始:

    (key1 < 'abc' AND (key1 LIKE 'abcde%' OR key1 LIKE '%b')) OR
    (key1 < 'bar' AND nonkey = 4) OR
    (key1 < 'uux' AND key1 > 'z')
  2. 删除nonkey = 4key1 LIKE '%b',因为它们不能用于范围扫描。正确的删除方法是将它们替换为TRUE,以避免在范围扫描时遗漏匹配行。将它们替换为TRUE后,结果是:

    (key1 < 'abc' AND (key1 LIKE 'abcde%' OR TRUE)) OR
    (key1 < 'bar' AND TRUE) OR
    (key1 < 'uux' AND key1 > 'z')
  3. 将总是真的或假的条件折叠:

    • (key1 LIKE 'abcde%' OR TRUE)总是真的

    • (key1 < 'uux' AND key1 > 'z')总是假的

    将这些条件替换为常量后:

    (key1 < 'abc' AND TRUE) OR (key1 < 'bar' AND TRUE) OR (FALSE)

    删除不必要的TRUEFALSE常量后:

    (key1 < 'abc') OR (key1 < 'bar')
  4. 将重叠的时间区间合并到一个中,用于最终的范围扫描:

    (key1 < 'bar')

一般来说(如前面的示例所示),用于范围扫描的条件比WHERE子句更不严格。MySQL 还将执行额外的检查,以过滤出满足范围条件但不满足完整WHERE子句的行。

范围条件提取算法可以处理任意深度的嵌套AND/OR构造,并且输出不依赖于WHERE子句中的条件顺序。

MySQL 不支持将多个范围合并到range访问方法中用于空间索引。要绕过这个限制,可以使用UNION与相同的SELECT语句,只是将每个空间谓词放在不同的SELECT语句中。

Range Access Method for Multiple-Part 索引

多个部分索引上的范围条件是单个部分索引上的范围条件的扩展。多个部分索引上的范围条件将索引行限制在一个或多个键元组间。键元组间是使用索引中的键元组顺序定义的。

例如,考虑一个多个部分索引定义为 key1(key_part1, key_part2, key_part3),并且以下键元组列表按键顺序列出:

key_part1  key_part2  key_part3
  NULL       1          'abc'
  NULL       1          'xyz'
  NULL       2          'foo'
   1         1          'abc'
   1         1          'xyz'
   1         2          'abc'
   2         1          'aaa'

条件 key_part1 = 1 定义了这个间隔:

(1,-inf,-inf) <= (key_part1,key_part2,key_part3) < (1,+inf,+inf)

这个间隔涵盖了前面的数据集中第4、5和6个元组,可以被范围访问方法使用。

相比之下,条件 key_part3 = 'abc' 不定义单个间隔且不能被范围访问方法使用。

以下描述将对多个部分索引上的范围条件进行更详细的描述。

  • 对于 HASH 索引,每个包含相同值的间隔可以被使用。这意味着间隔只能在以下形式的条件中被生产:

        key_part1 cmp const1
    AND key_part2 cmp const2
    AND ...
    AND key_partN cmp constN;

    其中 const1const2,… 是常数,cmp=<=>IS NULL比较操作符,且条件涵盖所有索引部分。 (即存在 N 个条件,每个索引部分一个。) 例如,以下是一个三部分 HASH 索引的范围条件:

    key_part1 = 1 AND key_part2 IS NULL AND key_part3 = 'foo'

    关于常量的定义,请参见Range Access Method for Single-Part Indexes

  • 对于一个BTREE索引,可能可以使用间隔来处理与AND组合的条件,其中每个条件将一个键部分与常量值进行比较使用=<=>IS NULL><>=<=!=<>BETWEENLIKE 'pattern'(其中'pattern'不以通配符开头)。可以使用间隔,只要可以确定一个包含所有匹配条件的键元组(或两个间隔如果使用<>!=)。

    优化器尝试使用额外的键部分来确定间隔,直到比较操作符是=<=>IS NULL。如果操作符是><>=<=!=<>BETWEENLIKE,优化器使用它,但不考虑更多的键部分。对于以下表达式,优化器使用=从第一个比较中。它还使用>=从第二个比较中,但不考虑更多的键部分,不使用第三个比较来构建间隔:

    key_part1 = 'foo' AND key_part2 >= 10 AND key_part3 > 10

    单个间隔是:

    ('foo',10,-inf) < (key_part1,key_part2,key_part3) < ('foo',+inf,+inf)

    可能创建的间隔包含的行数更多于初始条件。例如,前一个间隔包括值('foo', 11, 0),该值不满足原始条件。

  • 如果包含行集的条件与OR组合,形成的条件包含行集在它们的并集中的行集。如果条件与AND组合,形成的条件包含行集在它们的交集中的行集。例如,对于这个在两个部分索引上的条件:

    (key_part1 = 1 AND key_part2 < 2) OR (key_part1 > 5)

    间隔是:

    (1,-inf) < (key_part1,key_part2) < (1,2)
    (5,-inf) < (key_part1,key_part2)

    在这个示例中,第一个间隔使用一个键部分作为左边界和两个键部分作为右边界。第二个间隔只使用一个键部分。key_len列在EXPLAIN输出中表示键前缀的最大长度。

    在某些情况下,key_len可能表示键部分被使用,但这可能不是你期望的。假设key_part1key_part2可以是NULL。然后,key_len列显示两个键部分的长度,以便于以下条件:

    key_part1 >= 1 AND key_part2 < 2

    然而,实际上该条件被转换为:

    key_part1 >= 1 AND key_part2 IS NOT NULL

关于如何对单个索引的范围条件进行优化,以组合或消除区间,请见Range Access Method for Single-Part Indexes。类似步骤也用于多个索引的范围条件。

多值比较的等值范围优化

考虑以下表达式,其中col_name是一个索引列:

col_name IN(val1, ..., valN)
col_name = val1 OR ... OR col_name = valN

每个表达式都是如果col_name等于多个值之一时为真。这些比较是等值范围比较(其中的“range”是一个单个值)。优化器估算读取符合条件的行的成本,以等值范围比较为:

  • 如果对col_name有唯一索引,则每个区间的行估算为1,因为最多只有一个行可以具有给定的值。

  • 否则,对col_name的索引是非唯一的,优化器可以使用索引或索引统计来估算每个区间的行数。

使用索引dives,优化器在每个区间的开始和结束处进行一次探测,并使用区间中的行数作为估算。例如,表达式col_name IN (10, 20, 30)有三个等值范围,优化器对每个区间进行两次探测,以生成行估算。每对探测结果都可以生成对给定值的行估算。

索引dives提供了准确的行估算,但随着比较值在表达式中的增加,优化器生成行估算的时间也增加。使用索引统计信息的准确性低于索引dives,但可以快速生成行估算สำหร大值列表。

系统变量eq_range_index_dive_limit允许您配置优化器在从一个行估算策略切换到另一个策略的阈值。要允许使用索引dives对等值范围比较的比较值数目N,请将eq_range_index_dive_limit设置为N+1。要禁用使用统计信息并总是使用索引dives,无论N,请将eq_range_index_dive_limit设置为0。

要更新表索引统计信息以获取最佳估算,请使用ANALYZE TABLE

在MySQL 8.4之前,没有方法可以跳过索引dives来估算索引有用性,除了使用eq_range_index_dive_limit系统变量。在MySQL 8.4中,可以跳过索引dives的查询,以满足以下所有条件:

  • 查询是对单个表的查询,不是多个表的连接。

  • 单索引FORCE INDEX索引提示存在。想法是,如果索引使用被强制执行,那么没有必要再执行索引的深入搜索。

  • 索引不是唯一的,也不是FULLTEXT索引。

  • 没有子查询。

  • 没有DISTINCTGROUP BYORDER BY子句。

对于EXPLAIN FOR CONNECTION,输出将根据索引深入搜索是否被跳过而变化:

  • 对于传统输出,rowsfiltered值为NULL

  • 对于JSON输出,rows_examined_per_scanrows_produced_per_join不出现,skip_index_dive_due_to_forcetrue,成本计算不准确。

没有FOR CONNECTIONEXPLAIN输出不变当索引深入搜索被跳过。

执行完查询后,相应的行在信息_schemaOPTIMIZER_TRACE表中包含一个index_dives_for_range_access值为skipped_due_to_force_index

考虑以下场景:

CREATE TABLE t1 (f1 INT NOT NULL, f2 INT NOT NULL, PRIMARY KEY(f1, f2));
INSERT INTO t1 VALUES
  (1,1), (1,2), (1,3), (1,4), (1,5),
  (2,1), (2,2), (2,3), (2,4), (2,5);
INSERT INTO t1 SELECT f1, f2 + 5 FROM t1;
INSERT INTO t1 SELECT f1, f2 + 10 FROM t1;
INSERT INTO t1 SELECT f1, f2 + 20 FROM t1;
INSERT INTO t1 SELECT f1, f2 + 40 FROM t1;
ANALYZE TABLE t1;

EXPLAIN SELECT f1, f2 FROM t1 WHERE f2 > 40;

要执行这个查询,MySQL可以选择索引扫描来获取所有行(索引包含要选择的所有列),然后应用f2 > 40条件从WHERE子句中来生产最终结果集。

范围扫描更有效,但是不能在这个场景中使用,因为没有对f1的条件。优化器可以执行多个范围扫描,每个值对f1使用一个方法称为Skip Scan,类似于Loose Index Scan(见第10.2.1.17节,“GROUP BY 优化”):

  1. 跳过第一个索引部分的distinct值f1(索引前缀)之间。

  2. 对每个distinct前缀值执行 subrange扫描。

对于之前显示的数据集,算法操作如下:

  1. 获取第一个distinct值的第一个键部分f1 = 1

  2. 构建基于第一个和第二个键部分的范围f1 = 1 AND f2 > 40

  3. 执行范围扫描。

  4. 获取下一个distinct值的第一个键部分f1 = 2

  5. 构建基于第一个和第二个键部分的范围f1 = 2 AND f2 > 40

  6. 执行范围扫描。

使用这个策略可以减少访问行的数量,因为MySQL跳过不符合每个构建的范围的行。这 Skip Scan访问方法适用于以下条件下:

  • 表T至少有一个复合索引,其中键部分的形式为([A_1,...,A_k,] B_1,...,B_m, C [, D_1,...,D_n)。键部分A和D可能为空,但B和C必须非空。

  • 查询只引用一个表。

  • 查询不使用GROUP BYDISTINCT

  • 查询只引用索引中的列。

  • 对A_1,...,A_k的约束必须是等值约束,并且必须是常量。这包括IN()操作符。

  • 查询必须是一个conjunctive查询,即一个ANDOR条件:(cond1(key_part1) OR cond2(key_part1)) AND (cond1(key_part2) OR ...) AND ...

  • 必须有C的范围约束。

  • D列的约束允许。D列的约束必须与C的范围约束结合。

使用Skip Scan的指示符出现在EXPLAIN输出中,如下所示:

  • Using index for skip scanExtra列中指示了 loose index Skip Scan访问方法的使用。

  • 如果索引可以用于Skip Scan,索引应该在possible_keys列中可见。

使用Skip Scan的指示符出现在优化器跟踪输出中,以以下形式出现:

"skip_scan_range": {
  "type": "skip_scan",
  "index": index_used_for_skip_scan,
  "key_parts_used_for_access": [key_parts_used_for_access],
  "range": [range]
}

您可能还会看到一个"best_skip_scan_summary"元素。如果Skip Scan被选择为最佳范围访问变体,一个"chosen_range_access_summary"将被写入。如果Skip Scan被选择为最佳访问方法,一个"best_access_path"元素将被写入。

使用Skip Scan的使用受skip_scan标志的值影响。见第10.9.2节,“可切换优化”。默认情况下,这个标志是on。要禁用它,请将skip_scan设置为off

除了使用optimizer_switch系统变量来控制优化器使用Skip Scan的会话级别外,MySQL还支持optimizer hint来影响优化器的使用。见第10.9.3节,“optimizer hint”

Row Constructor 表达式的范围优化

优化器可以将查询应用于以下形式的范围扫描访问方法:

SELECT ... FROM t1 WHERE ( col_1, col_2 ) IN (( 'a', 'b' ), ( 'c', 'd' ));

之前,为了使用范围扫描,需要将查询写成:

SELECT ... FROM t1 WHERE ( col_1 = 'a' AND col_2 = 'b' )
OR ( col_1 = 'c' AND col_2 = 'd' );

为了使优化器使用范围扫描,查询必须满足以下条件:

  • 只能使用IN()谓词,不使用NOT IN()

  • IN()谓词的左侧,行构造器只能包含列引用。

  • IN()谓词的右侧,行构造器只能包含运行时常量,这些常量是字面值或在执行时绑定的局部列引用。

  • IN()谓词的右侧,有多个行构造器。

关于优化器和行构造器的更多信息,请见第10.2.1.22节,“Row Constructor Expression Optimization”

限制范围优化的内存使用

要控制范围优化器的内存使用,可以使用range_optimizer_max_mem_size系统变量:

  • 值为0表示“无限制”。

  • 值大于0时,优化器将跟踪考虑范围访问方法时消耗的内存。如果指定的限制即将被超过,优化器将放弃范围访问方法,考虑其他方法,包括全表扫描。这可能会导致性能下降。如果发生这种情况,以下警告将出现(其中N是当前range_optimizer_max_mem_size值):

    Warning    3170    Memory capacity of N bytes for
                       'range_optimizer_max_mem_size' exceeded. Range
                       optimization was not done for this query.
  • 对于UPDATEDELETE语句,如果优化器退回到全表扫描,并且sql_safe_updates系统变量启用,则会出现错误,而不是警告,因为实际上没有使用键来确定要修改的行。更多信息,请见使用安全更新模式 (--safe-updates)

对于单个查询,如果优化器退回到不太优的计划,并且range_optimizer_max_mem_size值增加可能会改善性能。

要估算处理范围表达式所需的内存,可以使用以下指南:

  • 对于简单查询,如以下所示,其中有一个候选键用于范围访问方法,每个谓词组合使用OR约占用约230字节:

    SELECT COUNT(*) FROM t
    WHERE a=1 OR a=2 OR a=3 OR .. . a=N;
  • 类似于以下查询,每个与AND组合的谓词大致使用125个字节:

    SELECT COUNT(*) FROM t
    WHERE a=1 AND b=1 AND c=1 ... N;
  • 对于使用IN()谓词的查询:

    SELECT COUNT(*) FROM t
    WHERE a IN (1,2, ..., M) AND b IN (1,2, ..., N);

    每个IN()列表中的每个文字值都被视为与OR组合的谓词。如果有两个IN()列表,那么与OR组合的谓词数量是每个列表中的文字值数量的乘积。因此,在前一个情况下与OR组合的谓词数量是M × N