MySQL中创建及优化索引组织结构的思路

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原文链接：http://www.mysqlops.com/2011/05/23/mysql%E4%B8%AD%E5%88%9B%E5%BB%BA%E5%8F%8A%E4%BC%98%E5%8C%96%E7%B4%A2%E5%BC%95%E7%BB%84%E7%BB%87%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E6%80%9D%E8%B7%AF.html

【导读】
通过一个实际生产环境中的数据存取需求，分析如何设计此存储结构，如何操纵存储的数据，以及如何使操作的成本或代价更低，系统开销最小。同时，让更多初学者明白数据存储的表上索引是如何一个思路组织起来的，希望起到一个参考模板的价值作用。

测试用例描述
测试用例为B2C领域，一张用于存储用户选购物品而生成的产品订单信息表，不过去掉一些其他字段，以便用于测试，其表中的数据项也不特别描述，字段意思见表

<span style="color: #993333; font-weight: bold;">USE</span> <span style="color: #ff0000;">`test`</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">DROP</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">TABLE</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">IF</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">EXISTS</span> <span style="color: #ff0000;">`test`</span><span style="color: #66cc66;">.</span><span style="color: #ff0000;">`goods_order`</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">CREATE</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">TABLE</span> <span style="color: #ff0000;">`goods_order`</span><span style="color: #66cc66;">&#40;</span>
<span style="color: #ff0000;">`order_id`</span>        INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>      <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span>             COMMENT ‘订单单号’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`goods_id`</span>        INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>      <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘商品款号’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`order_type`</span>      TINYINT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘订单类型’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`order_status`</span>    TINYINT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘订单状态’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`color_id`</span>        SMALLINT  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘颜色id’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`size_id`</span>         SMALLINT  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘尺寸id’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`goods_number`</span>    MEDIUMINT  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘数量’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`depot_id`</span>        INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘仓库id’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`packet_id`</span>       INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span>  <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’<span style="color: #cc66cc;">0</span>′ COMMENT ‘储位code’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`gmt_create`</span>      TIMESTAMP     <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’0000<span style="color: #66cc66;">-</span>00<span style="color: #66cc66;">-</span>00 00:00:00′ COMMENT ‘添加时间’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #ff0000;">`gmt_modify`</span>      TIMESTAMP     <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NOT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">NULL</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> ’0000<span style="color: #66cc66;">-</span>00<span style="color: #66cc66;">-</span>00 00:00:00′ COMMENT ‘更新时间’<span style="color: #66cc66;">,</span>
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">PRIMARY</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">KEY</span><span style="color: #66cc66;">&#40;</span>order_id<span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #ff0000;">`goods_id`</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span>
<span style="color: #66cc66;">&#41;</span>ENGINE<span style="color: #66cc66;">=</span>InnoDB <span style="color: #993333; font-weight: bold;">AUTO_INCREMENT</span><span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">1</span> CHARACTER <span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> ‘utf8′ COLLATE ‘utf8_general_ci’;

其中，主键信息：PRIMARY KEY(order_id,`goods_id`)，为何主键索引索引字段的顺序为：order_id,`goods_id`，而不是： `goods_id`, order_id呢？原因很简单，goods_id在订单信息表中的重复率会比order_id高，也即order_id的筛选率更高，可以减少扫描索引记录个数，从而达到更高的效率，同时，下面即将会列出的SQL也告诉我们，有部分SQL语句的WHERE字句中只出现order_id字段，为此更加坚定我们必须把字段：order_id作为联合主键索引的头部，`goods_id`为联合主键索引的尾部。

数据存储表设计的小结：
设计用于存储数据的表结构，首先要知道有哪些数据项，也即行内常说的数据流，以及各个数据项的属性，比如存储的数据类型、值域范围及长度、数据完整性等要求，从而确定数据项的属性定义。存储的数据项信息确定之后，至少进行如下三步分析：
l 首先，确定哪些数据项或组合，可以作为记录的唯一性标志；
l 其次，要确定对数据记录有哪些操作，每个操作的频率如何，对网站等类型应用，还需要区分前台操作和后台操作，也即分外部用户的操作，还是内部用户的操作；
l 最后，对作为数据记录操作的条件部分的数据项，分析其数据项的筛选率如何，也即数据项不同值占总数据记录数的比例关心，比例越接近1则是筛选率越好，以及各个值得分布率；
综上所述，再让数据修改性操作优先级别高于只读性操作，就可以创建一个满足要求且性能较好的索引组织结构。
数据的存取设计,就涉及一块非常重要的知识: 关系数据库的基础知识和关系数据理论的范式。对于范式的知识点，特别解释下，建议学到BCNF范式为止，1NF、2NF、3NF和BCNF之间的差别，各自规避的问题、存在的缺陷都要一清二楚，但是在真实的工作环境中，不要任何存取设计都想向范式靠，用一句佛语准确点表达：空即是色，色即是空。

用于生成测试数据的存储过程代码
创建索引，就离不开表存储的真实数据，为此编写一个存储过程近可能模拟真实生产环境中的数据，同时也方便大家使用此存储过程，在自己的测试环境中，真实感受验证，
存储过程代码：

DELIMITER $$
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">DROP</span> PROCEDURE <span style="color: #993333; font-weight: bold;">IF</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">EXISTS</span> <span style="color: #ff0000;">`usp_make_data`</span> $$
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">CREATE</span> PROCEDURE <span style="color: #ff0000;">`usp_make_data`</span><span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span>
BEGIN
DECLARE iv_goods_id INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> <span style="color: #cc66cc;">0</span>;
DECLARE iv_depot_id INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> <span style="color: #cc66cc;">0</span>;
DECLARE iv_packet_id INT <span style="color: #993333; font-weight: bold;">UNSIGNED</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">DEFAULT</span> <span style="color: #cc66cc;">0</span>;
 
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_goods_id<span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">5000</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_depot_id<span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">10</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_packet_id<span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">20</span>;
 
WHILE iv_goods_id><span style="color: #cc66cc;">0</span>
DO
START  TRANSACTION;
WHILE iv_depot_id><span style="color: #cc66cc;">0</span>
DO
WHILE iv_packet_id><span style="color: #cc66cc;">0</span>
DO
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">INSERT</span> <span style="color: #993333; font-weight: bold;">INTO</span> goods_order<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>order_id<span style="color: #66cc66;">,</span>goods_id<span style="color: #66cc66;">,</span>order_type<span style="color: #66cc66;">,</span>order_status<span style="color: #66cc66;">,</span>color_id<span style="color: #66cc66;">,</span>size_id<span style="color: #66cc66;">,</span>goods_number<span style="color: #66cc66;">,</span>depot_id<span style="color: #66cc66;">,</span>packet_id<span style="color: #66cc66;">,</span>gmt_create<span style="color: #66cc66;">,</span>gmt_modify<span style="color: #66cc66;">&#41;</span>
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">VALUES</span><span style="color: #66cc66;">&#40;</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">8</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>iv_goods_id<span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">1</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">5</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">1</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span>%2<span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">4</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">5</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">2</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>
iv_depot_id<span style="color: #66cc66;">,</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">4</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">2</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">*</span>iv_packet_id<span style="color: #66cc66;">,</span>DATE_ADD<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>NOW<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>INTERVAL <span style="color: #66cc66;">-</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">2</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span> DAY<span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>DATE_ADD<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>NOW<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span>INTERVAL <span style="color: #66cc66;">-</span>SUBSTRING<span style="color: #66cc66;">&#40;</span>RAND<span style="color: #66cc66;">&#40;</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">3</span><span style="color: #66cc66;">,</span><span style="color: #cc66cc;">2</span><span style="color: #66cc66;">&#41;</span> DAY<span style="color: #66cc66;">&#41;</span>
<span style="color: #66cc66;">&#41;</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_packet_id<span style="color: #66cc66;">=</span>iv_packet_id<span style="color: #66cc66;">-</span><span style="color: #cc66cc;">1</span>;
END WHILE;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_packet_id<span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">20</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_depot_id<span style="color: #66cc66;">=</span>iv_depot_id<span style="color: #66cc66;">-</span><span style="color: #cc66cc;">1</span>;
END WHILE ;
 
COMMIT;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_depot_id<span style="color: #66cc66;">=</span><span style="color: #cc66cc;">10</span>;
<span style="color: #993333; font-weight: bold;">SET</span> iv_goods_id<span style="color: #66cc66;">=</span>iv_goods_id<span style="color: #66cc66;">-</span><span style="color: #cc66cc;">1</span>;
END WHILE ;
END $$
DELIMITER ;

业务逻辑描述
l 非注册用户，或网站的注册用户不登陆，都能可选购买物品，生成订单号对应的用户UID为系统默认的；
l 订单与用户UID关联、描述等信息，存储其它的表中，通过订单号的模式关联；
l 用户的订单信息，在未付款之前都可以再修改，付款之后则无法修改；
l 已经付费的订单信息，自动发送到物流部门，进行后续工序的操作。处理完毕之后，会更新订单中涉及物品的存储位置信息；
l 定期读取部分数据到数据仓库分析系统，用于统计分析；
l 个人订单查询，前后台都有；
l 购物记录查询显示；

根据业务规则描述需要使用操纵数据的SQL语句
(1). EXPLAIN SELECT * FROM goods_order WHERE `order_id`=40918986;
(2). SELECT * FROM goods_order WHERE `order_id` IN (40918986,40717328,30923040…) ORDER BY gmt_modify DESC;
(3). UPDATE goods_order SET gmt_modify=NOW(),…. WHERE `order_id`=40717328 AND goods_id=4248;
(4). SELECT COUNT(*) FROM goods_order WHERE depot_id=0 ORDER BY gmt_modify DESC LIMIT 0,50;
(5). SELECT * FROM goods_order WHERE depot_id=6 AND packet_id=0 ORDER BY gmt_modify DESC LIMIT 0,50;
(6). SELECT COUNT(*) FROM goods_order WHERE goods_id=4248 AND order_status=0 AND order_type=1
(7). SELECT * FROM goods_order WHERE goods_id=4248 AND order_status=0 AND order_type=1 ORDER BY gmt_modify DESC LIMIT 0,50;
(8). SELECT * FROM goods_order WHERE gmt_modify>=’ 2011-04-06’;
8条SQL语句按触发其执行的用户分类：
l 前台用户点击触发的操作而会执行的SQL语句为：(1)、(2)、(3)；
l 后台内部用户点击触发的操作而会执行的SQL语句为：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)；
l 后台系统自动定期执行：(4)、(5)、(6)、(7)，工作时间正常情况每隔15分钟执行一次，以检查是否有已付款而没有准备货物的订单、是否有收款而未发货的订单等;
l 统计分析系统定期导出数据而执行的SQL语句为：(8)，频率为每24小时一次；
我们再分析上述列出来的SQL，分为2类，一类是读操作的SQL（备注：SELECT操作），另外一类为修改性操作（备注：UPDATE、DELETE操作），分别如下：
SELECT 的WHERE子句、GROUP BY子、ORDER BY 子句和HAVING 子句中，出现的字段：
(1). order_id
(2). order_id+gmt_modify
(3). depot_id+gmt_modify
(4). depot_id+packet_id+gmt_modify
(5). goods_id+order_status+order_type
(6). goods_id+order_status+order_type+gmt_modify
(7). gmt_modify
修改性操作的WHERE子句中出现的条件字段：
(8). order_id+ goods_id

我们已经存在主键索引：PRIMARY KEY(order_id,`goods_id`)，另外考虑到此表数据的操作以SELECT和INSERT为主，UPDATE的SQL量其次，再根据上述SQL语句，为此我们可以初步确定需要创建的索引：
ALTER TABLE goods_order
ADD INDEX idx_goodsID_orderType_orderStatus_gmtmodify(goods_id,order_type,order_status,gmt_modify),
ADD INDEX idx_depotID_packetID_gmtmodify(depot_id,packet_id,gmt_modify);

总结：
文章中也分析了为何联合主键索引的顺序为：order_id,`goods_id`，再补充下作为主键的联合索引的字段属性的其他特性：字段值写入之后不变化、字段值长度短且最好为数值类型；
对于编号SQL：(8)，每天按更新日期读取一次数据的操作，以采用全表扫描的方式实现，牺牲其数据读取的性能，以减少更新字段修改日期的值而带来的索引维护开销；
对于编号SQL：(4)、(5)，考虑到每次都是读取最新的５０条记录，以及读取的数据基本上可肯定为热数据，为此不得不牺牲其中一条SQL的数据读取性能，而少创建一个联合索引，从而减少维护索引字段的IO量；
对于编号SQL：(6)、(7)，创建的联合索引，需要特别注意联合索引：idx_goodsID_orderType_orderStatus_gmtmodify(goods_id,order_type,order_status,gmt_modify)中的字段顺序，其中：
l goods_id字段的筛选率高于order_type,order_status，另外gmt_modify字段只出现在ORDER BY子句中，为此只有让goods_id字段作为联合索引的头部，以提高索引的筛选率，从而提高索引的效率，减少逻辑或物理的读。
l order_status字段只有0或1两种值，而order_type有多种，以及根据SQL语句，必须order_type出现在联合中的位置要比order_status靠近头部；
l gmt_modify字段出现在ORDER BY子句中，为此必须放到联合索引字段的最后；

最后，再梳理一下从需求到设计存储结构，再到编写SQL和创建索引结构，我们应该做的步骤：
l 整理业务产生的数据流，读取数据的方式；
l 整理清楚数据流中的每个数据项属性信息；
l 分析业务指标，推测需要存储数据的规模（备注：一定要以多少GB作为容量单位）；
l 选择可能用于支持业务的硬件设备和数据库架构；
l 把所有可能操纵数据的条件和操作类型，都整理清楚；
l 分析操纵数据条件字段各自的数据筛选率；
l 权衡各个SQL的性能和IO量，也即类似于哪个操作权重高一些，那些操作权重适当低一些；
l 创建索引组织结构；
l 收集测试和生产环境的反馈信息，优化索引组织结构；

备注：
本想再用测试环境结合业务的方式，跑一套模拟测试脚本程序，让大家更加直观地看到不同索引组织情况下，相同的SQL操作及频率，数据库服务器的处理能力和负载变化及对比信息，可惜唯一的服务器无法使用了，只好放弃。对于分析相同的SQL，走不通索引，其需要的逻辑IO和物理IO量也是一个办法，此次就不分析了，有需要的朋友可以去玩玩，另外建议初学者一定要好好阅读下mysql 手册上的相关章节内容：7.2.6. Index Merge Optimization。