MySQL 二级索引分析

前言

在 MySQL 中，创建一张表时会默认为主键创建聚簇索引，B+ 树将表中所有的数据组织起来，即数据就是索引主键所以在 InnoDB 里，主键索引也被称为聚簇索引，索引的叶子节点存的是整行数据。而除了聚簇索引以外的所有索引都称为二级索引，二级索引的叶子节点内容是主键的值。

二级索引

创建二级索引

1	CREATE INDEX [index name] ON [table name]([column name]);

或者

1	ALTER TABLE [table name] ADD INDEX [index name]([column name]);

在 MySQL 中, CREATE INDEX操作被映射为ALTER TABLE ADD_INDEX。

二级索引格式

例如创建如下一张表:

CREATE TABLE users(
    id INT NOT NULL,
    name VARCHAR(20) NOT NULL,
    age INT NOT NULL,
    PRIMARY KEY(id)
);

新建一个以age字段的二级索引:

1	ALTER TABLE users ADD INDEX index_age(age);

MySQL 会分别创建主键id的聚簇索引和age的二级索引:

secondary_index

在 MySQL 中主键索引的叶子节点存的是整行数据，而二级索引叶子节点内容是主键的值.

二级索引的创建流程

在 MySQL 8.0 中，二级索引的创建具体流程如下图:

create_secondary_index

二级索引所属的 Onine DDL 可以分为三个阶段: DDL prepare 阶段, DDL 执行阶段和 DDL commit 阶段.

DDL prepare 阶段

升级至 X 锁, 禁止读写.
ha_prepare_inplace_alter_table() 根据 ALTER TABLE 语句传入的参数进行检查，构建被创建的索引信息，创建索引的B+树.

DDL 执行阶段

在 MySQL 8.0 实现中，基本上所有的ALTER TABLE操作都实现在mysql_alter_table()函数，而 Online DDL 支持使用Inplace方式创建二级索引:

row_merge_build_indexes()用来构建二级索引的索引内容，在 MySQL 中，二级索引的组织关系是 <Key, Primay key> 即指定的索引 column 与主键组成的映射关系. 所以需要读取聚簇索引来构建二级索引内容:
- 申请内存用来排序，大小为3 * srv_sort_buf_size，申请临时文件merge_file_t用来合并排序.
- 读取扫描表中的整个聚簇索引 B+ 树构建二级索引，假如merge buffer的空间不满足 Index 的排序，则需要利用临时文件进行合并排序.
- 根据prepare阶段构建的索引信息，遍历聚簇索引，构造对应的索引字段. 假如建表时没有指定主键，InnoDB 会默认创建一个名为DB_ROW_ID的自增字段，所以二级索引的映射关系就是<Key, DB_ROW_ID>.
- 将合并排序后的二级索引内容通过 Bulk Load 的方式写入Page，使用flush_observer落盘对应的数据脏页.
- 关闭删除临时文件，释放排序内存merge_buf.

MySQL 8.0 要求 DDL 具有原子性，所以在上述的合并排序后插入 Page 的过程中，可以使用flush_observer直接落盘数据页或者记录 Redo. 这样来保证整个DDL操作是原子的.

DDL commit 阶段

为 Table 加上 X 锁, 禁止读写.
更新 InnoDB 的数据字典 DD.
提交 DDL 事务.
清理操作 Clean Up.

在一些需要 rebuild table 的 Online DDL 操作中，例如Dropping a column, 为了不阻塞 DML 操作，需要引入row_log来暂存在 DDL 过程中用户的数据修改操作，而在二级索引的创建过程中并不需要 rebuild table, 所以不需要row_log_table, 用户对于其他字段的数据的修改可以直接基于聚簇索引进行修改, 而对于创建二级索引的字段，需要通过row_log来处理二级索引创建过程中的 DML 操作.

假如二级索引创建的过程中发生 Crash, 重启后打开临时文件的 Tablespace 会清理上次意外 Crash 遗留的临时文件.

索引定义

/** Definition of an index being created */
struct index_def_t {
  const char *name;          /*!< index name */
  bool rebuild;              /*!< whether the table is rebuilt */
  ulint ind_type;            /*!< 0, DICT_UNIQUE,
                             or DICT_CLUSTERED */
  ulint key_number;          /*!< MySQL key number,
                             or ULINT_UNDEFINED if none */
  ulint n_fields;            /*!< number of fields in index */
  index_field_t *fields;     /*!< field definitions */
  /* ... */
};

name即索引名.
rebuild表示是否需要重建表.
ind_type表示索引类型.
key_number表示表中索引数量.
n_fields表示索引字段的数量.
fields表示索引字段的定义.

二级索引的检索过程

在 MySQL 的查询过程中，SQL 优化器会选择合适的索引进行检索，在使用二级索引的过程中，因为二级索引没有存储全部的数据，假如二级索引满足查询需求，则直接返回，即为覆盖索引，反之则需要回表 (Row_sel_get_clust_rec_for_mysql) 去主键索引(聚簇索引)查询。

例如执行SELECT * FROM users WHERE age=35;则需要进行回表:

search_secondary_index

使用EXPLAIN查看执行计划可以看到使用的索引是我们之前创建的index_age:

MySQL [sbtest]> EXPLAIN SELECT * FROM users WHERE age=35;
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-----------+---------+-------+------+----------+-------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key       | key_len | ref   | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-----------+---------+-------+------+----------+-------+
|  1 | SIMPLE      | users | NULL       | ref  | index_age     | index_age | 4       | const |    1 |   100.00 | NULL  |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-----------+---------+-------+------+----------+-------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

总结

二级索引是指定字段与主键的映射，主键长度越小，普通索引的叶子节点就越小，二级索引占用的空间也就越小，所以要避免使用过长的字段作为主键。