學習MYSQL之ICP、MRR、BKA

2024-07-24 12:31:25

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Index Condition Pushdown(ICP)
Index Condition Pushdown (ICP)是mysql使用索引從表中檢索行數據的一種優化方式。

ICP原理
禁用ICP，存儲引擎會通過遍歷索引定位基表中的行，然后返回給MySQL Server層，再去為這些數據行進行WHERE后的條件的過濾。

開啟ICP，如果部分WHERE條件能使用索引中的字段，MySQL Server 會把這部分下推到存儲引擎層，存儲引擎通過索引過濾，把滿足的行從表中讀取出。ICP能減少引擎層訪問基表的次數和MySQL Server 訪問存儲引擎的次數。

ICP的目標是減少從基表中全紀錄讀取操作的數量，從而降低IO操作

對于InnoDB表，ICP只適用于輔助索引。

ICP標識
當使用ICP優化時，執行計劃的Extra列顯示Using indexcondition提示

相關參數
optimizer_switch="index_condition_pushdown=on”;
適用場景
#輔助索引INDEX (zipcode, lastname, firstname).

SELECT * FROM peopleWHERE zipcode='95054'AND lastname LIKE '%etrunia%'AND address LIKE '%Main Street%';

People表有個二級索引INDEX (zipcode, lastname, firstname),用戶只知道某用戶的zipcode,和大概的lastname、address,此時想查詢相關信息。

若不使用ICP：則是通過二級索引中zipcode的值去基表取出所有zipcode='95054'的數據，然后server層再對lastname LIKE '%etrunia%'AND address LIKE '%Main Street%';進行過濾

若使用ICP：則lastname LIKE '%etrunia%'AND address LIKE '%Main Street%'的過濾操作在二級索引中完成，然后再去基表取相關數據

使用限制
l 只支持 select 語句

l 5.6 中只支持 MyISAM與InnoDB引擎

l 5.6中不支持分區表的ICP;從MySQL 5.7.3開始支持分區表的ICP

l ICP的優化策略可用于range、ref、eq_ref、ref_or_null 類型的訪問數據方法；

l 不支持主建索引的ICP（對于Innodb的聚集索引，完整的記錄已經被讀取到Innodb Buffer，此時使用ICP并不能降低IO操作）

l 當 SQL 使用覆蓋索引時但只檢索部分數據時，ICP 無法使用

l ICP的加速效果取決于在存儲引擎內通過ICP篩選掉的數據的比例。

Multi-Range Read (MRR)
MRR 的全稱是 Multi-Range Read Optimization，是優化器將隨機 IO 轉化為順序 IO 以降低查詢過程中 IO 開銷的一種手段。

MRR原理
select non_key_column from tb where ey_column=x;

在沒有使用MRR特性時，MySQL執行查詢的偽代碼
第一步先根據where條件中的輔助索引獲取輔助索引與主鍵的集合，結果集為rest。

select key_column, pk_column from tb where key_column=x order by key_column

第二步通過第一步獲取的主鍵來獲取對應的值。

for each pk_column value in rest do:

select non_key_column from tb where pk_column=val

使用MRR特性時，MySQL執行查詢的偽代碼
第一步先根據where條件中的輔助索引獲取輔助索引與主鍵的集合，結果集為rest

select key_column, pk_column from tb where key_column = x order by key_column

第二步將結果集rest放在buffer里面(read_rnd_buffer_size 大小直到buffer滿了)，然后對結果集rest按照pk_column排序，得到結果集是rest_sort

第三步利用已經排序過的結果集，訪問表中的數據，此時是順序IO.

       select non_key_column fromtb where pk_column in (rest_sort)

綜上
在不使用 MRR 時，優化器需要根據二級索引返回的記錄來進行“回表”，這個過程一般會有較多的隨機IO, 使用MRR時，SQL語句的執行過程是這樣的：

1)   優化器將二級索引查詢到的記錄放到一塊緩沖區中

2)   如果二級索引掃描到文件的末尾或者緩沖區已滿，則使用快速排序對緩沖區中的內容按照主鍵進行排序

3)   用戶線程調用MRR接口取cluster index，然后根據cluster index 取行數據

4)   當根據緩沖區中的 cluster index取完數據，則繼續調用過程 2) 3)，直至掃描結束

通過上述過程，優化器將二級索引隨機的 IO 進行排序，轉化為主鍵的有序排列，從而實現了隨機 IO 到順序 IO 的轉化，提升性能

此外MRR還可以將某些范圍查詢，拆分為鍵值對，來進行批量的數據查詢，如下：
SELECT * FROM tWHERE key_part1 >= 1000 AND key_part1 < 2000AND key_part2 = 10000;

表t上有二級索引(key_part1, key_part2)，索引根據key_part1,key_part2的順序排序。

若不使用MRR：索引掃描會將key_part1在1000到2000的索引元組，而不管key_part2的值，這樣對key_part2不等于10000的索引元組也做了額外的掃描。此時掃描的范圍是：

[{1000, 10000}, {2000, MIN_INT}]此間隔可能包含key_part2不等于10000的部分

若使用MRR：掃描則分為多個范圍，對于每一個Key_part1(1000,1001…,1999)單個值的掃描只需要掃描索引中key_part2為10000的元組。如果索引中包含很多key_part2不為10000的元組，最終MRR的效果越好。MRR掃描的范圍是多個單點間隔[{1000, 10000}], ..., [{1999, 10000}] 此間隔只包含key_part2=10000的部分。

MRR標識
當使用ICP優化時，執行計劃的Extra列顯示Using MRR提示

相關參數
用optimizer_switch 的標記來控制是否使用MRR.設置mrr=on時，表示啟用MRR優化。

mrr_cost_based表示是否通過cost base的方式來啟用MRR.

當mrr=on,mrr_cost_based=on,則表示cost base的方式還選擇啟用MRR優化,當發現優化后的代價過高時就會不使用該項優化

當mrr=on,mrr_cost_based=off,則表示總是開啟MRR優化

SET @@optimizer_switch='mrr=on,mrr_cost_based=on';
參數read_rnd_buffer_size 用來控制鍵值緩沖區的大小。二級索引掃描到文件的末尾或者緩沖區已滿，則使用快速排序對緩沖區中的內容按照主鍵進行排序

適用場景
#輔助索引key_part1，查詢key_part1在1000到2000范圍內的數據

SELECT * FROM t WHERE key_part1 >= 1000 AND key_part1 < 2000

不使用MRR：先通過二級索引的key_part1字段取出滿足條件的key_part1,pk_col order by key_part1.然后通過pk_col去表中取出滿足條件的數據，此時，因為取出的pk_col是亂序的，而表又是pk_col存放數據的，當去表中取數據時，則會產生大量的隨機IO

使用MRR：先通過二級索引的key_part1字段取出滿足條件的key_part1,pk_col order by key_part1.放到緩存中（read_rnd_buffer_size），當對應的緩沖滿了以后，將這部分key值按照pk_col排序，最后再按照排序后的reset去取表中數據，此時pk_col1是順序的，將隨機IO轉化為順序IO，多頁數據記錄可一次性讀入或根據此次的主鍵范圍分次讀入，以減少IO操作，提高查詢效率

使用限制
MRR 適用于range、ref、eq_ref的查詢

Batched Key Access (BKA)和Block Nested-Loop(BNL)
Batched Key Access (BKA)-- 提高表join性能的算法。

當被join的表能夠使用索引時，就先排好順序，然后再去檢索被join的表，聽起來和MRR類似，實際上MRR也可以想象成二級索引和primary key的join

如果被Join的表上沒有索引，則使用老版本的BNL策略(BLOCK Nested-loop)

BKA原理
對于多表join語句，當MySQL使用索引訪問第二個join表的時候，使用一個join buffer來收集第一個操作對象生成的相關列值。BKA構建好key后，批量傳給引擎層做索引查找。key是通過MRR接口提交給引擎的（mrr目的是較為順序）.這樣，MRR使得查詢更有效率。

大致的過程如下:

1 BKA使用join buffer保存由join的第一個操作產生的符合條件的數據

2 然后BKA算法構建key來訪問被連接的表，并批量使用MRR接口提交keys到數據庫存儲引擎去查找查找。

3 提交keys之后，MRR使用最佳的方式來獲取行并反饋給BKA

BNL和BKA都是批量的提交一部分行給被join的表，從而減少訪問的次數，那么它們有什么區別呢？

BKA和BNL標識
Using join buffer (Batched Key Access)和Using join buffer (Block Nested Loop)

相關參數
BAK使用了MRR，要想使用BAK必須打開MRR功能，而MRR基于mrr_cost_based的成本估算并不能保證總是使用MRR，官方推薦設置mrr_cost_based=off來總是開啟MRR功能。打開BAK功能(BAK默認OFF)：

SET optimizer_switch='mrr=on,mrr_cost_based=off,batched_key_access=on';
BKA使用join buffer size來確定buffer的大小，buffer越大，訪問被join的表/內部表就越順序。

BNL默認是開啟的，設置BNL相關參數：

SET optimizer_switch=’block_nested_loop’
適用場景
支持inner join, outer join, semi-join operations,including nested outer joins

BKA主要適用于join的表上有索引可利用，無索引只能使用BNL了

ICP優化（Index Condition Pushdown）

Index Condition Pushdown (ICP)是MySQL用索引去表里取數據的一種優化。禁用ICP(MySQL5.6之前)，引擎層會利用索引在基表中尋找數據行，然后返回給MySQL Server層，再去為這些數據行進行WHERE后的條件的過濾（回表）。啟用ICP(MySQL5.6之后)，如果部分WHERE條件能使用索引中的字段，MySQL會把這部分下推到引擎層。存儲引擎通過使用索引把滿足的行從表中讀取出。ICP減少了引擎層訪問基表的次數和MySQL Server 訪問存儲引擎的次數。總之是 ICP的優化在引擎層就能夠過濾掉大量的數據，減少io次數，提高查詢語句性能

MRR優化（Multi-Range Read）

Multi-Range Read 多范圍讀(MRR) 它的作用是基于輔助/第二索引的查詢，減少隨機IO，并且將隨機IO轉化為順序IO，提高查詢效率。在沒有MRR之前(MySQL5.6之前)，先根據where條件中的輔助索引獲取輔助索引與主鍵的集合，再通過主鍵來獲取對應的值。輔助索引獲取的主鍵來訪問表中的數據會導致隨機的IO(輔助索引的存儲順序并非與主鍵的順序一致)，不同主鍵不在同一個page里面時必然導致多次IO 和隨機讀。使用MRR優化(MySQL5.6之后)，先根據where條件中的輔助索引獲取輔助索引與主鍵的集合，再將結果集放在buffer里面(read_rnd_buffer_size 大小直到buffer滿了)，然后對結果集按照pk_column排序，得到有序的結果集rest_sort。最后利用已經排序過的結果集，訪問表中的數據，此時是順序IO。即MySQL 將根據輔助索引獲取的結果集根據主鍵進行排序，將無序化為有序，可以用主鍵順序訪問基表，將隨機讀轉化為順序讀，多頁數據記錄可一次性讀入或根據此次的主鍵范圍分次讀入，以減少IO操作，提高查詢效率。

Nested Loop Join算法：

將驅動表/外部表的結果集作為循環基礎數據，然后循環該結果集，每次獲取一條數據作為下一個表的過濾條件查詢數據，然后合并結果，獲取結果集返回給客戶端。Nested-Loop一次只將一行傳入內層循環, 所以外層循環(的結果集)有多少行, 內存循環便要執行多少次，效率非常差。

Block Nested-Loop Join算法：

將外層循環的行/結果集存入join buffer, 內層循環的每一行與整個buffer中的記錄做比較，從而減少內層循環的次數。主要用于當被join的表上無索引。

Batched Key Access算法：

當被join的表能夠使用索引時，就先排好順序，然后再去檢索被join的表。對這些行按照索引字段進行排序，因此減少了隨機IO。如果被Join的表上沒有索引，則使用老版本的BNL策略(BLOCK Nested-loop)。

（編輯：武林網）

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