数据库优化策略和注意事项

为了达到更好的Mysql数据库性能，我们采用的数据库优化。

0. 认识MySQL的结构

0.1 逻辑架构

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0.2 物理结构-索引

MySQL官方对索引的定义为：索引（Index）是帮助MySQL高效获取数据的数据结构。

**索引的本质：**索引是数据结构。你可以简单理解为“排好序的快速查找数据结构”，满足特定查找算法。这些数据结构以某种方式指向数据，这样就可以在这些数据结构的基础上实现高级查找算法。

InnoDB

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MyISAM

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0.3 索引的分类

按照物理实现方式，索引可以分为 2 种：聚簇索引和非聚簇索引。
从功能逻辑上说，索引主要有 4 种，分别是普通索引、唯一索引、主键索引、全文索引。
按照作用字段个数进行划分，分成单列索引和联合索引。

1. 聚簇索引 和 非聚簇索引

聚簇索引是仅以主键来创建的索引。（创建主键时MySQL自动创建索引）

非聚簇索引是除聚簇索引以为的所有索引。

聚簇索引的特点：

使用记录主键值的大小进行记录和页的排序，这包括三个方面的含义：
- 页内的记录是按照主键的大小顺序排成一个单向链表。
- 各个存放用户记录的页也是根据页中用户记录的主键大小顺序排成一个双向链表。
- 存放目录项记录的页分为不同的层次，在同一层次中的页也是根据页中目录项记录的主键大小顺序排成一个双向链表。
B+树的叶子节点存储的是完整的用户记录。
所谓完整的用户记录，就是指这个记录中存储了所有列的值（包括隐藏列）。

2. 唯一索引

UNIQUE关键字修饰的字段MySQL会制动创建唯一索引。

3. 联合索引

同时以多个列的大小作为排序规则，也就是同时为多个列建立索引，比方说我们想让B+树按照c2和c3列的大小进行排序，这个包含两层含义：

先把各个记录和页按照c2列进行排序。
在记录的c2列相同的情况下，采用c3列进行排序

4. 全文索引

CREATE TABLE `papers` ( 
    id` int(10) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT, 
    `title` varchar(200) DEFAULT NULL, 
    `content` text, PRIMARY KEY (`id`), 
    FULLTEXT KEY `title` (`title`,`content`) 
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8;

替代LIKE 以%开头的模糊查询

SELECT * FROM papers WHERE MATCH(title,content) AGAINST (‘查询字符串’);

0.4 索引的优缺点

优点

（1）类似大学图书馆建书目索引，提高数据检索的效率，降低数据库的IO成本，这也是创建索引最主要的原因。

（2）通过创建唯一索引，可以保证数据库表中每一行数据的唯一性。

（3）在实现数据的参考完整性方面，可以加速表和表之间的连接。换句话说，对于有依赖关系的子表和父表联合查询时，可以提高查询速度。

（4）在使用分组和排序子句进行数据查询时，可以显著减少查询中分组和排序的时间，降低了CPU的消耗。

缺点

（1）创建索引和维护索引要耗费时间，并且随着数据量的增加，所耗费的时间也会增加。

（2）索引需要占磁盘空间，除了数据表占数据空间之外，每一个索引还要占一定的物理空间存储在磁盘上，如果有大量的索引，索引文件就可能比数据文件更快达到最大文件尺寸。

（3）虽然索引大大提高了查询速度，同时却会降低更新表的速度。当对表中的数据进行增加、删除和修改的时候，索引也要动态地维护，这样就降低了数据的维护速度。

1. 优化目标

节省系统资源，提高吞吐量
合理的结构设计和参数调整，提高用户响应速度。
减小系统的瓶颈，提高MySQL数据库的整体性能。

2. 定位调优问题

用户反馈
日志分析
服务器资源使用监控
数据库内部状况监控

3. 调优步骤和维度

3.1 选择合适的DBMS

选择合适的数据库管理系统，提升数据库整体性能。

从时间和资源暂用量来平衡分析

顶级数据库管理系统的性能比较研究(论文翻译)

3.2 数据库参数设置

innodb_buffer_pool_size：这个参数是Mysql数据库最重要的参数之一，表示InnoDB类型的表和索引的最大缓存。它不仅仅缓存索引数据，还会缓存表的数据。这个值越大，查询的速度就会越快。但是这个值太大会影响操作系统的性能。
key_buffer_size：表示索引缓冲区的大小。索引缓冲区是所有的线程共享。增加索引缓冲区可以得到更好处理的索引（对所有读和多重写）。当然，这个值不是越大越好，它的大小取决于内存的大小。如果这个值太大，就会导致操作系统频繁换页，也会降低系统性能。对于内存在4GB左右的服务器该参数可设置为256M或384M。
table_cache：表示同时打开的表的个数。这个值越大，能够同时打开的表的个数越多。物理内存越大，设置就越大。默认为2402，调到512-1024最佳。这个值不是越大越好，因为同时打开的表太多会影响操作系统的性能。
query_cache_size：表示查询缓冲区的大小。可以通过在MySQL控制台观察，如果Qcache_lowmem_prunes的值非常大，则表明经常出现缓冲不够的情况，就要增加Query_cache_size的值；如果Qcache_hits的值非常大，则表明查询缓冲使用非常频繁，如果该值较小反而会影响效率，那么可以考虑不用查询缓存；Qcache_free_blocks，如果该值非常大，则表明缓冲区中碎片很多。MySQL8.0之后失效。该参数需要和query_cache_type配合使用。
query_cache_type，查询缓存的方式
- 当query_cache_type=0时，所有的查询都不使用查询缓存区。但是query_cache_type=0并不会导致MySQL释放query_cache_size所配置的缓存区内存。
- 当query_cache_type=1时，所有的查询都将使用查询缓存区，除非在查询语句中指定SQL_NO_CACHE，如SELECT SQL_NO_CACHE * FROM tbl_name。
- 当query_cache_type=2时，只有在查询语句中使用SQL_CACHE关键字，查询才会使用查询缓存区。使用查询缓存区可以提高查询的速度，这种方式只适用于修改操作少且经常执行相同的查询操作的情况。
sort_buffer_size：表示每个需要进行排序的线程分配的缓冲区的大小。增加这个参数的值可以提高ORDER BY或GROUP BY操作的速度。默认数值是2 097 144字节（约2MB）。对于内存在4GB左右的服务器推荐设置为6-8M，如果有100个连接，那么实际分配的总共排序缓冲区大小为100 × 6 ＝ 600MB。
join_buffer_size = 8M：表示联合查询操作所能使用的缓冲区大小，和sort_buffer_size一样，该参数对应的分配内存也是每个连接独享。
read_buffer_size：表示每个线程连续扫描时为扫描的每个表分配的缓冲区的大小（字节）。当线程从表中连续读取记录时需要用到这个缓冲区。SET SESSION read_buffer_size=n可以临时设置该参数的值。默认为64K，可以设置为4M。
innodb_flush_log_at_trx_commit：表示何时将缓冲区的数据写入日志文件，并且将日志文件写入磁盘中。该参数对于innoDB引擎非常重要。该参数有3个值，分别为0、1和2。该参数的默认值为1。
- 值为0时，表示每秒1次的频率将数据写入日志文件并将日志文件写入磁盘。每个事务的commit并不会触发前面的任何操作。该模式速度最快，但不太安全，mysqld进程的崩溃会导致上一秒钟所有事务数据的丢失。
- 值为1时，表示每次提交事务时将数据写入日志文件并将日志文件写入磁盘进行同步。该模式是最安全的，但也是最慢的一种方式。因为每次事务提交或事务外的指令都需要把日志写入（flush）硬盘。
- 值为2时，表示每次提交事务时将数据写入日志文件，每隔1秒将日志文件写入磁盘。该模式速度较快，也比0安全，只有在操作系统崩溃或者系统断电的情况下，上一秒钟所有事务数据才可能丢失。
innodb_log_buffer_size：这是 InnoDB 存储引擎的事务日志所使用的缓冲区。为了提高性能，也是先将信息写入 Innodb Log Buffer 中，当满足 innodb_flush_log_trx_commit 参数所设置的相应条件（或者日志缓冲区写满）之后，才会将日志写到文件（或者同步到磁盘）中。
max_connections：表示 允许连接到MySQL数据库的最大数量 ，默认值是 151 。如果状态变量connection_errors_max_connections 不为零，并且一直增长，则说明不断有连接请求因数据库连接数已达到允许最大值而失败，这是可以考虑增大max_connections 的值。在Linux 平台下，性能好的服务器，支持 500-1000 个连接不是难事，需要根据服务器性能进行评估设定。这个连接数不是越大越好，因为这些连接会浪费内存的资源。过多的连接可能会导致MySQL服务器僵死。
back_log：用于控制MySQL监听TCP端口时设置的积压请求栈大小。如果MySql的连接数达到max_connections时，新来的请求将会被存在堆栈中，以等待某一连接释放资源，该堆栈的数量即back_log，如果等待连接的数量超过back_log，将不被授予连接资源，将会报错。5.6.6 版本之前默认值为 50 ，之后的版本默认为 50 + （max_connections / 5），对于Linux系统推荐设置为小于512的整数，但最大不超过900。如果需要数据库在较短的时间内处理大量连接请求，可以考虑适当增大back_log 的值。
thread_cache_size：线程池缓存线程数量的大小，当客户端断开连接后将当前线程缓存起来，当在接到新的连接请求时快速响应无需创建新的线程。这尤其对那些使用短连接的应用程序来说可以极大的提高创建连接的效率。那么为了提高性能可以增大该参数的值。默认为60，可以设置为120。
wait_timeout：指定一个请求的最大连接时间，对于4GB左右内存的服务器可以设置为5-10。
interactive_timeout：表示服务器在关闭连接前等待行动的秒数。

3.3 优化表结构

设计原则

拆分表：冷热数据分离
将冷数据放在另一个表，减小索引内存开销
增加中间表
适当添加冗余字段
适当添加冗余字段有利于查询的效率，减少回表的时间开销。牺牲内存换时间
优化数据类型
情况1：对整数类型数据进行优化。
遇到整数类型的字段可以用INT 型。这样做的理由是，INT 型数据有足够大的取值范围，不用担心数据超出取值范围的问题。刚开始做项目的时候，首先要保证系统的稳定性，这样设计字段类型是可以的。但在数据量很大的时候，数据类型的定义，在很大程度上会影响到系统整体的执行效率。
非负型的数据（如自增ID、整型IP），要优先使用无符号整型UNSIGNED来存储。因为无符号，同样的字节数，存储的数值范围更大。
情况2：既可以使用文本类型也可以使用整数类型的字段，要选择使用整数类型。
跟文本类型数据相比，大整数往往占用更少的存储空间，因此，在存取和比对的时候，可以占用更少的内存空间。所以，在二者皆可用的情况下，尽量使用整数类型，这样可以提高查询的效率。如：将IP地址转换成整型数据。
情况3：避免使用TEXT、BLOB数据类型
情况4：避免使用ENUM类型
情况5：使用TIMESTAMP存储时间
- DATETIME 使用8字节，不能自动根据时区转换
- TIMESTAMP 使用4字节，值与时区有关，会自动转换
通常情况下应尽量使用TIMESTAMP，因为它的空间效率更高
情况6：用DECIMAL代替FLOAT和DOUBLE存储精确浮点数
情况7：VARCHAR和CHAR
VARCHAR需要适用1或2两个额外字节记录字符串长度，适用于:
字符串列最大长度比平均长度大很多
列更新少，所以不用担心碎片问题
使用了UTF-8等复杂字符集，每个字符用不同字节数存储
CHAR适用的场景
经常变更的数据，因为定长的CHAR不易产生碎片
非常短的列，CHAR不需要额外的字节，因此存储空间更有效率
**总之，**遇到数据量大的项目时，一定要在充分了解业务需求的前提下，合理优化数据类型，这样才能充分发挥资源的效率，使系统达到最优。
优化插入记录的速度
- 禁用索引
- 禁用唯一性索引
- 禁用外键检查
- 使用批量插入
- 禁止自动提交
使用非空约束
分析表、检测表与优化表

3.4 查询优化

1. 经常用于where条件的字段 添加索引

**2. 用于order by 和 group by的字段 **添加索引

3. 子查询优化

子查询可以完成一些复杂的查询，但是效率不高。子查询过程中会在内层查询结果建立临时表并且不会为临时表建立索引，查询完毕后会撤销这些临时表，这个过程会消耗过多的CPU和IO资源，产生大量的慢查询。

**在MySQL中，可以使用连接（JOIN）查询来替代子查询。**连接查询不需要建立临时表，其速度比子查询要快，如果查询中使用索引的话，性能就会更好。

结论：尽量不要使用NOT IN 或者 NOT EXISTS，用LEFT JOIN xxx ON xx WHERE xx IS NULL替代

4. 分页优化

优化思路一

在索引上完成排序分页操作，最后根据主键关联回原表查询所需要的其他列内容。

EXPLAIN SELECT * FROM student t,(SELECT id FROM student ORDER BY id LIMIT 2000000,10) a
WHERE t.id = a.id;

优化思路二

该方案适用于主键自增的表，可以把Limit 查询转换成某个位置的查询。

EXPLAIN SELECT * FROM student WHERE id > 2000000 LIMIT 10;

5. 优先考虑覆盖索引

使用非聚簇索引中查询时，我们不需要读取整行数据，可以将这个联合索引的字段多一些冗余。这样就无需回表操作。毕竟索引叶子节点存储了它们索引的数据；当能通过读取索引就可以得到想要的数据，那就不需要读取行了。一个索引包含了满足查询结果的数据就叫做覆盖索引。

好处：避免回表。随机IO->顺序IO

弊端：索引字段的维护需要消耗性能。

6. 索引条件下推 ICP

在不使用ICP索引扫描的过程：

storage层：只将满足index key条件的索引记录对应的整行记录取出，返回给server层

server 层：对返回的数据，使用后面的where条件过滤，直至返回最后一行。

使用ICP扫描的过程：

storage层：首先将index key条件满足的索引记录区间确定，然后在索引上使用index filter进行过滤。将满足的index filter条件的索引记录才去回表取出整行记录返回server层。不满足index filter条件的索引记录丢弃，不回表、也不会返回server层。

server 层：对返回的数据，使用table filter条件做最后的过滤。

7. 减少使用SELECT(*)

①MySQL 在解析的过程中，会通过查询数据字典将"*"按序转换成所有列名，这会大大的耗费资源和时间。

② 无法使用覆盖索引

8. LIMIT 1

加上LIMIT 1的时候，当找到一条结果的时候就不会继续扫描了，这样会加快查询速度。

如果数据表已经对字段建立了唯一索引，那么可以通过索引进行查询，不会全表扫描的话，就不需要加上LIMIT 1了。

9. 多使用COMMIT

只要有可能，在程序中尽量多使用 COMMIT，这样程序的性能得到提高，需求也会因为 COMMIT 所释放的资源而减少。

COMMIT 所释放的资源：

回滚段上用于恢复数据的信息
被程序语句获得的锁
redo / undo log buffer 中的空间
管理上述 3 种资源中的内部花费

3.5 使用其他缓存

使用Redis或Memcached作为缓存

ridis和memcached的区别

比较点	Memcached	Redis
线程模型	多线程	单线程
数据结构	仅支持string、value最大1M、过期时间不能超过30天	string、list、hash、set、zset
淘汰策略	LRU	LRU、LFU、随机等多种策略
管道与事务	不支持	支持
持久化	不支持	支持
高可用	不支持	主从复制+哨兵
集群化	客户端一致性哈希算法	主从复制+哨兵+固定哈希槽位

3.6 库级优化

1. 读写分离

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2. 数据分片

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4. 索引失效案例

MySQL中提高性能的一个最有效的方式是对数据表设计合理的索引。索引提供了访问高效数据的方法，并且加快查询的速度，因此索引对查询的速度有着至关重要的影响。

使用索引可以快速地定位表中的某条记录，从而提高数据库查询的速度，提高数据库的性能。
如果查询时没有使用索引，查询语句就会扫描表中的所有记录。在数据量大的情况下，这样查询的速度会很慢。

大多数情况下都（默认）采用B+树来构建索引。只是空间列类型的索引使用R-树，并且MEMORY表还支持hash索引。

其实，用不用索引，最终都是优化器说了算。优化器是基于什么的优化器？基于cost开销(CostBaseOptimizer)，它不是基于规则(Rule-BasedOptimizer)，也不是基于语义。怎么样开销小就怎么来。另外，SQL语句是否使用索引，跟数据库版本、数据量、数据选择度都有关系。

4.1 全值匹配

4.2 最左前缀法则

在MySQL建立联合索引时会遵守最佳左前缀匹配原则，即最左优先，在检索数据时从联合索引的最左边开始匹配。

结论：MySQL可以为多个字段创建索引，一个索引可以包括16个字段。对于多列索引，**过滤条件要使用索引必须按照索引建立时的顺序，依次满足，一旦跳过某个字段，索引后面的字段都无法被使用。**如果查询条件中没有使用这些字段中第1个字段时，多列（或联合）索引不会被使用。

4.3 主键插入顺序

对于一个使用InnoDB存储引擎的表来说，在我们没有显示的创建索引时，表中的数据实际上都是存储在聚簇索引的叶子节点的。而记录又存储在数据页中的，数据页和记录又是按照记录主键值从小到大的顺序进行排序，所以如果我们插入的记录的主键值是依次增大的话，那我们每插满一个数据页就换到下一个数据页继续插，而如果我们插入的主键值忽小忽大的话，则可能会造成页面分裂和记录移位。

4.4 计算、函数、

计算、函数导致索引失效

4.5 类型转换

4.6 范围条件

范围条件右边的列索引失效

应用开发中范围查询，例如：金额查询，日期查询往往都是范围查询。应将查询条件放置where语句最后。（创建的联合索引中，务必把范围涉及到的字段写在最后）

4.7 != 或者<>

4.8 is not null

is null可以使用索引，is not null无法使用索引

结论：最好在设计数据表的时候就将字段设置为 NOT NULL 约束，比如你可以将INT类型的字段，默认值设置为0。将字符类型的默认值设置为空字符串(‘’)
拓展：同理，在查询中使用not like也无法使用索引，导致全表扫描

4.9 like以通配符%开头

like以通配符%开头索引失效

拓展：Alibaba《Java开发手册》
【强制】页面搜索严禁左模糊或者全模糊，如果需要请走搜索引擎来解决。

4.10 OR

在WHERE子句中，如果在OR前的条件列进行了索引，而在OR后的条件列没有进行索引，那么索引会失效。也就是说，OR前后的两个条件中的列都是索引时，查询中才使用索引。

4.11 数据库和表的字符集统一使用utf8mb4

统一使用utf8mb4( 5.5.3版本以上支持)兼容性更好，统一字符集可以避免由于字符集转换产生的乱码。不同的字符集进行比较前需要进行转换会造成索引失效。

5. 索引的设计原则

5.1 哪些适合创建索引

1. 字段的数值有唯一性的限制

索引本身可以起到约束的作用，比如唯一索引、主键索引都可以起到唯一性约束的，因此在我们的数据表中，如果某个字段是唯一的，就可以直接创建唯一性索引，或者主键索引。这样可以更快速地通过该索引来确定某条记录。

业务上具有唯一特性的字段，即使是组合字段，也必须建成唯一索引。（来源：Alibaba）
说明：不要以为唯一索引影响了insert速度，这个速度损耗可以忽略，但提高查找速度是明显的。

2. 频繁作为 WHERE 查询条件的字段

要符合最左前缀法制

3. 经常 GROUP BY 和 ORDER BY 的列

4.DISTINCT 字段需要创建索引

有时候我们需要对某个字段进行去重，使用 DISTINCT，那么对这个字段创建索引，也会提升查询效率。

5. 多表 JOIN 连接操作时，创建索引注意事项

首先，连接表的数量尽量不要超过 3 张，因为每增加一张表就相当于增加了一次嵌套的循环，数量级增长会非常快，严重影响查询的效率。

其次，对 WHERE 条件创建索引，因为 WHERE 才是对数据条件的过滤。如果在数据量非常大的情况下，没有 WHERE 条件过滤是非常可怕的。

最后，对用于连接的字段创建索引，并且该字段在多张表中的类型必须一致。

6. 使用列的类型小的创建索引

我们这里所说的类型大小指的就是该类型表示的数据范围的大小。

数据类型越小，在查询时进行的比较操作越快
数据类型越小，索引占用的存储空间就越少，在一个数据页内就可以放下更多的记录，从而减少磁盘I/O带来的性能损耗，也就意味着可以把更多的数据页缓存在内存中，从而加快读写效率。

这个建议对于表的主键来说更加适用，因为不仅是聚簇索引中会存储主键值，其他所有的二级索引的节点处都会存储一份记录的主键值，如果主键使用更小的数据类型，也就意味着节省更多的存储空间和更高效的I/O。

7. 使用字符串前缀创建索引

区分度计算公式：

count(distinct left(列名, 索引长度))/count(*)

8. 在多个字段都要创建索引的情况下，联合索引优于单值索引

5.2 哪些不适合创建索引

1. 在where中使用不到的字段，不要设置索引

2. 数据量小的表最好不要使用索引

3. 有大量重复数据的列上不要建立索引

4. 避免对经常更新的表创建过多的索引

5. 不建议用无序的值作为索引

例如身份证、UUID(在索引比较时需要转为ASCII，并且插入时可能造成页分裂)、MD5、HASH、无序长字符串等。

6. 删除不再使用或者很少使用的索引

7. 不要定义冗余或重复的索引

5.3 限制索引的数目

在实际工作中，我们也需要注意平衡，索引的数目不是越多越好。我们需要限制每张表上的索引数量，建议单张表索引数量不超过6个。原因：

每个索引都需要占用磁盘空间，索引越多，需要的磁盘空间就越大。
索引会影响INSERT、DELETE、UPDATE等语句的性能，因为表中的数据更改的同时，索引也会进行调整和更新，会造成负担。
优化器在选择如何优化查询时，会根据统一信息，对每一个可以用到的索引来进行评估，以生成出一个最好的执行计划，如果同时有很多个索引都可以用于查询，会增加MySQL优化器生成执行计划时间，降低查询性能。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_49425091/article/details/125719962

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