MYSQL——join使用与优化原理_mysql join查询算法和优化原理-优快云博客

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摘要

本博文主要介绍的join关键字，在数据库中常用与SQL的优化与处理。但是如果使用不当，会导致数据的查询更慢。

一、join查询的原理

在实际生产中，关于 join 语句使用的问题，一般会集中在以下两类：

我们 DBA 不让使用 join，使用 join 有什么问题呢？
如果有两个大小不同的表做 join，应该用哪个表做驱动表呢？

为了便于量化分析，我还是创建两个表 t1 和 t2 来和你说明。可以看到，这两个表都有一个主键索引 id 和一个索引 a，字段 b 上无索引。存储过程 idata() 往表 t2 里插入了 1000 行数据，在表 t1 里插入的是 100 行数据。

CREATE TABLE `t2` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `a` int(11) DEFAULT NULL,
  `b` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `a` (`a`)
) ENGINE=InnoDB;

drop procedure idata;
delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=1;
  while(i<=1000)do
    insert into t2 values(i, i, i);
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;
call idata();

create table t1 like t2;
insert into t1 (select * from t2 where id<=100)

1.1 Index Nested-Loop Join

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.a);

如果直接使用 join 语句，MySQL 优化器可能会选择表 t1 或 t2 作为驱动表，这样会影响我们分析 SQL 语句的执行过程。所以，为了便于分析执行过程中的性能问题，我改用 straight_join 让 MySQL 使用固定的连接方式执行查询，这样优化器只会按照我们指定的方式去 join。在这个语句里，t1 是驱动表，t2 是被驱动表。

可以看到，在这条语句里，被驱动表 t2 的字段 a 上有索引，join 过程用上了这个索引，因此这个语句的执行流程是这样的：

从表 t1 中读入一行数据 R；
从数据行 R 中，取出 a 字段到表 t2 里去查找；
取出表 t2 中满足条件的行，跟 R 组成一行，作为结果集的一部分；
重复执行步骤 1 到 3，直到表 t1 的末尾循环结束。

这个过程是先遍历表 t1，然后根据从表 t1 中取出的每行数据中的 a 值，去表 t2 中查找满足条件的记录。在形式上，这个过程就跟我们写程序时的嵌套查询类似，并且可以用上被驱动表的索引，所以我们称之为“Index Nested-Loop Join”，简称 NLJ。

在这个流程里：

对驱动表 t1 做了全表扫描，这个过程需要扫描 100 行；
而对于每一行 R，根据 a 字段去表 t2 查找，走的是树搜索过程。由于我们构造的数据都是一一对应的，因此每次的搜索过程都只扫描一行，也是总共扫描 100 行；
所以，整个执行流程，总扫描行数是 200。

1.1.1 能不能使用 join

假设不使用 join，那我们就只能用单表查询。我们看看上面这条语句的需求，用单表查询怎么实现。

执行select * from t1，查出表 t1 的所有数据，这里有 100 行；
循环遍历这 100 行数据：
- 从每一行 R 取出字段 a 的值 $R.a；
- 执行select * from t2 where a=$R.a；
- 把返回的结果和 R 构成结果集的一行。

可以看到，在这个查询过程，也是扫描了 200 行，但是总共执行了 101 条语句，比直接 join 多了 100 次交互。除此之外，客户端还要自己拼接 SQL 语句和结果。

1.1.2 怎么选择驱动表

在这个 join 语句执行过程中，驱动表是走全表扫描，而被驱动表是走树搜索。

假设被驱动表的行数是 M。每次在被驱动表查一行数据，要先搜索索引 a，再搜索主键索引。每次搜索一棵树近似复杂度是以 2 为底的 M 的对数，记为 log2M，所以在被驱动表上查一行的时间复杂度是 2*log2M。

假设驱动表的行数是 N，执行过程就要扫描驱动表 N 行，然后对于每一行，到被驱动表上匹配一次。因此整个执行过程，近似复杂度是 N + N2log2M。显然，N 对扫描行数的影响更大，因此应该让小表来做驱动表。如果你没觉得这个影响有那么“显然”，可以这么理解：N 扩大 1000 倍的话，扫描行数就会扩大 1000 倍；而 M 扩大 1000 倍，扫描行数扩大不到 10 倍。

1.2 Simple Nested-Loop Join

驱动表用不上索引的情况：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

由于表 t2 的字段 b 上没有索引，因此再用图 2 的执行流程时，每次到 t2 去匹配的时候，就要做一次全表扫描。

这个 SQL 请求就要扫描表 t2 多达 100 次，总共扫描 100*1000=10 万行。这还只是两个小表，如果 t1 和 t2 都是 10 万行的表（当然了，这也还是属于小表的范围），就要扫描 100 亿行，这个算法看上去太“笨重”了。

1.3 Block Nested-Loop Join

这时候，被驱动表上没有可用的索引，算法的流程是这样的：

把表 t1 的数据读入线程内存 join_buffer 中，由于我们这个语句中写的是 select *，因此是把整个表 t1 放入了内存；
扫描表 t2，把表 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回。

对应地，这条 SQL 语句的 explain 结果如下所示：

可以看到，在这个过程中，对表 t1 和 t2 都做了一次全表扫描，因此总的扫描行数是 1100。由于 join_buffer 是以无序数组的方式组织的，因此对表 t2 中的每一行，都要做 100 次判断，总共需要在内存中做的判断次数是：100*1000=10 万次。前面我们说过，如果使用 Simple Nested-Loop Join 算法进行查询，扫描行数也是 10 万行。因此，从时间复杂度上来说，这两个算法是一样的。但是，Block Nested-Loop Join 算法的这 10 万次判断是内存操作，速度上会快很多，性能也更好。

1.3.1 怎么选择驱动表

假设小表的行数是 N，大表的行数是 M，那么在这个算法里：

两个表都做一次全表扫描，所以总的扫描行数是 M+N；
内存中的判断次数是 M*N。

可以看到，调换这两个算式中的 M 和 N 没差别，因此这时候选择大表还是小表做驱动表，执行耗时是一样的。然后，你可能马上就会问了，这个例子里表 t1 才 100 行，要是表 t1 是一个大表，join_buffer 放不下怎么办呢？join_buffer 的大小是由参数 join_buffer_size 设定的，默认值是 256k。**如果放不下表 t1 的所有数据话，策略很简单，就是分段放。**我把 join_buffer_size 改成 1200，再执行：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

执行过程就变成了：

扫描表 t1，顺序读取数据行放入 join_buffer 中，放完第 88 行 join_buffer 满了，继续第 2 步；
扫描表 t2，把 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回；
清空 join_buffer；
继续扫描表 t1，顺序读取最后的 12 行数据放入 join_buffer 中，继续执行第 2 步。

执行流程图也就变成这样：

表示清空 join_buffer 再复用。这个流程才体现出了这个算法名字中“Block”的由来，表示“分块去 join”。可以看到，这时候由于表 t1 被分成了两次放入 join_buffer 中，导致表 t2 会被扫描两次。虽然分成两次放入 join_buffer，但是判断等值条件的次数还是不变的，依然是 (88+12)*1000=10 万次。

1.3.2 怎么选择驱动表

假设，驱动表的数据行数是 N，需要分 K 段才能完成算法流程，被驱动表的数据行数是 M。

注意，这里的 K 不是常数，N 越大 K 就会越大，因此把 K 表示为λ*N，显然λ的取值范围是 (0,1)。

所以，在这个算法的执行过程中：

扫描行数是 N+λNM；
内存判断 N*M 次。

显然，内存判断次数是不受选择哪个表作为驱动表影响的。而考虑到扫描行数，在 M 和 N 大小确定的情况下，N 小一些，整个算式的结果会更小。

所以结论是，应该让小表当驱动表。

当然，你会发现，在 N+λNM 这个式子里，λ才是影响扫描行数的关键因素，这个值越小越好。

刚刚我们说了 N 越大，分段数 K 越大。那么，N 固定的时候，什么参数会影响 K 的大小呢？（也就是λ的大小）答案是 join_buffer_size。join_buffer_size 越大，一次可以放入的行越多，分成的段数也就越少，对被驱动表的全表扫描次数就越少。这就是为什么，你可能会看到一些建议告诉你，如果你的 join 语句很慢，就把 join_buffer_size 改大。

1.4 MySQ join执行总结

1.4.1 能不能使用 join 语句

如果可以使用 Index Nested-Loop Join 算法，也就是说可以用上被驱动表上的索引，其实是没问题的；
如果使用 Block Nested-Loop Join 算法，扫描行数就会过多。尤其是在大表上的 join 操作，这样可能要扫描被驱动表很多次，会占用大量的系统资源。所以这种 join 尽量不要用。

所以你在判断要不要使用 join 语句时，就是看 explain 结果里面，Extra 字段里面有没有出现“Block Nested Loop”字样。如果有就做好不要使用join进行查询。

1.4.2 join中选择驱动表

如果是 Index Nested-Loop Join 算法，应该选择小表做驱动表；
如果是 Block Nested-Loop Join 算法：
- 在 join_buffer_size 足够大的时候，是一样的；
- 在 join_buffer_size 不够大的时候（这种情况更常见），应该选择小表做驱动表。

所以，这个问题的结论就是，总是应该使用小表做驱动表。当然了，这里我需要说明下，什么叫作“小表”。我们前面的例子是没有加条件的。如果我在语句的 where 条件加上 t2.id<=50 这个限定条件，再来看下这两条语句：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=50;
select * from t2 straight_join t1 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=50;

注意，为了让两条语句的被驱动表都用不上索引，所以 join 字段都使用了没有索引的字段 b。但如果是用第二个语句的话，join_buffer 只需要放入 t2 的前 50 行，显然是更好的。所以这里，“t2 的前 50 行”是那个相对小的表，也就是“小表”。我们再来看另外一组例子：

select t1.b,t2.* from  t1  straight_join t2 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=100;
select t1.b,t2.* from  t2  straight_join t1 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=100;

这个例子里，表 t1 和 t2 都是只有 100 行参加 join。但是，这两条语句每次查询放入 join_buffer 中的数据是不一样的：

表 t1 只查字段 b，因此如果把 t1 放到 join_buffer 中，则 join_buffer 中只需要放入 b 的值；
表 t2 需要查所有的字段，因此如果把表 t2 放到 join_buffer 中的话，就需要放入三个字段 id、a 和 b。

这里，我们应该选择表 t1 作为驱动表。也就是说在这个例子里，“只需要一列参与 join 的表 t1”是那个相对小的表。所以，更准确地说，在决定哪个表做驱动表的时候，应该是两个表按照各自的条件过滤，过滤完成之后，计算参与 join 的各个字段的总数据量，数据量小的那个表，就是“小表”，应该作为驱动表。

二、join NLJ算法的优化

join 语句的两种算法，分别是 Index Nested-Loop Join(NLJ) 和 Block Nested-Loop Join(BNL)。

我们发现在使用 NLJ 算法的时候，其实效果还是不错的，比通过应用层拆分成多个语句然后再拼接查询结果更方便，而且性能也不会差。但是，BNL 算法在大表 join 的时候性能就差多了，比较次数等于两个表参与 join 的行数的乘积，很消耗 CPU 资源。

创建两个表 t1、t2 来为了便于后面量化说明，我在表 t1 里，插入了 1000 行数据，每一行的 a=1001-id 的值。也就是说，表 t1 中字段 a 是逆序的。同时，我在表 t2 中插入了 100 万行数据。

create table t1(id int primary key, a int, b int, index(a));
create table t2 like t1;
drop procedure idata;
delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=1;
  while(i<=1000)do
    insert into t1 values(i, 1001-i, i);
    set i=i+1;
  end while;
  
  set i=1;
  while(i<=1000000)do
    insert into t2 values(i, i, i);
    set i=i+1;
  end while;
 
end;;
delimiter ;
call idata();

2.1 Multi-Range Read 优化

Multi-Range Read 优化 (MRR)。这个优化的主要目的是尽量使用顺序读盘。介绍 InnoDB 的索引结构时回表：InnoDB 在普通索引 a 上查到主键 id 的值后，再根据一个个主键 id 的值到主键索引上去查整行数据的过程。回表过程是一行行地查数据，还是批量地查数据？

select * from t1 where a>=1 and a<=100;

主键索引是一棵 B+ 树，在这棵树上，每次只能根据一个主键 id 查到一行数据。因此，回表肯定是一行行搜索主键索引的，基本流程如图 1 所示。

如果随着 a 的值递增顺序查询的话，id 的值就变成随机的，那么就会出现随机访问，性能相对较差。虽然“按行查”这个机制不能改，但是调整查询的顺序，还是能够加速的。

因为大多数的数据都是按照主键递增顺序插入得到的，所以我们可以认为，如果按照主键的递增顺序查询的话，对磁盘的读比较接近顺序读，能够提升读性能。

这，就是 MRR 优化的设计思路。此时，语句的执行流程变成了这样：

根据索引 a，定位到满足条件的记录，将 id 值放入 read_rnd_buffer 中 ;
将 read_rnd_buffer 中的 id 进行递增排序；
排序后的 id 数组，依次到主键 id 索引中查记录，并作为结果返回。

这里，read_rnd_buffer 的大小是由 read_rnd_buffer_size 参数控制的。如果步骤 1 中，read_rnd_buffer 放满了，就会先执行完步骤 2 和 3，然后清空 read_rnd_buffer。之后继续找索引 a 的下个记录，并继续循环。另外需要说明的是，如果你想要稳定地使用 MRR 优化的话，需要设置set optimizer_switch="mrr_cost_based=off"。（官方文档的说法，是现在的优化器策略，判断消耗的时候，会更倾向于不使用 MRR，把 mrr_cost_based 设置为 off，就是固定使用 MRR 了。）

从图 3 的 explain 结果中，我们可以看到 Extra 字段多了 Using MRR，表示的是用上了 MRR 优化。而且，由于我们在 read_rnd_buffer 中按照 id 做了排序，所以最后得到的结果集也是按照主键 id 递增顺序的，也就是与图 1 结果集中行的顺序相反。

MRR 能够提升性能的核心在于，这条查询语句在索引 a 上做的是一个范围查询（也就是说，这是一个多值查询），可以得到足够多的主键 id。这样通过排序以后，再去主键索引查数据，才能体现出“顺序性”的优势。

2.2 Batched Key Access

MySQL 在 5.6 版本后开始引入的 Batched Key Access(BKA) 算法了。这个 BKA 算法，其实就是对 NLJ 算法的优化。

NLJ 算法执行的逻辑是：从驱动表 t1，一行行地取出 a 的值，再到被驱动表 t2 去做 join。也就是说，对于表 t2 来说，每次都是匹配一个值。这时，MRR 的优势就用不上了。

那怎么才能一次性地多传些值给表 t2 呢？方法就是，从表 t1 里一次性地多拿些行出来，一起传给表 t2。既然如此，我们就把表 t1 的数据取出来一部分，先放到一个临时内存。这个临时内存不是别人，就是 join_buffer。通过上一篇文章，我们知道 join_buffer 在 BNL 算法里的作用，是暂存驱动表的数据。但是在 NLJ 算法里并没有用。那么，我们就可以复用 join_buffer 到 BKA 算法中。

图中，我在 join_buffer 中放入的数据是 P1~P100，表示的是只会取查询需要的字段。当然，如果 join buffer 放不下 P1~P100 的所有数据，就会把这 100 行数据分成多段执行上图的流程。那么，这个 BKA 算法到底要怎么启用呢？如果要使用 BKA 优化算法的话，你需要在执行 SQL 语句之前，先设置

set optimizer_switch='mrr=on,mrr_cost_based=off,batched_key_access=on';

其中，前两个参数的作用是要启用 MRR。这么做的原因是，BKA 算法的优化要依赖于 MRR。

三、join BNL算法的优化

使用 Block Nested-Loop Join(BNL) 算法时，可能会对被驱动表做多次扫描。如果这个被驱动表是一个大的冷数据表，除了会导致 IO 压力大以外，还会对系统有什么影响呢？

InnoDB 的 LRU 算法的时候提到，由于 InnoDB 对 Bufffer Pool 的 LRU 算法做了优化，即：第一次从磁盘读入内存的数据页，会先放在 old 区域。如果 1 秒之后这个数据页不再被访问了，就不会被移动到 LRU 链表头部，这样对 Buffer Pool 的命中率影响就不大。

但是，如果一个使用 BNL 算法的 join 语句，多次扫描一个冷表，而且这个语句执行时间超过 1 秒，就会在再次扫描冷表的时候，把冷表的数据页移到 LRU 链表头部。这种情况对应的，是冷表的数据量小于整个 Buffer Pool 的 3/8，能够完全放入 old 区域的情况。如果这个冷表很大，就会出现另外一种情况：业务正常访问的数据页，没有机会进入 young 区域。

由于优化机制的存在，一个正常访问的数据页，要进入 young 区域，需要隔 1 秒后再次被访问到。但是，由于我们的 join 语句在循环读磁盘和淘汰内存页，进入 old 区域的数据页，很可能在 1 秒之内就被淘汰了。这样，就会导致这个 MySQL 实例的 Buffer Pool 在这段时间内，young 区域的数据页没有被合理地淘汰。也就是说，这两种情况都会影响 Buffer Pool 的正常运作。

大表 join 操作虽然对 IO 有影响，但是在语句执行结束后，对 IO 的影响也就结束了。但是，对 Buffer Pool 的影响就是持续性的，需要依靠后续的查询请求慢慢恢复内存命中率。

为了减少这种影响，你可以考虑增大 join_buffer_size 的值，减少对被驱动表的扫描次数。也就是说，BNL 算法对系统的影响主要包括三个方面：

可能会多次扫描被驱动表，占用磁盘 IO 资源；
判断 join 条件需要执行 M*N 次对比（M、N 分别是两张表的行数），如果是大表就会占用非常多的 CPU 资源；
可能会导致 Buffer Pool 的热数据被淘汰，影响内存命中率。

我们执行语句之前，需要通过理论分析和查看 explain 结果的方式，确认是否要使用 BNL 算法。如果确认优化器会使用 BNL 算法，就需要做优化。优化的常见做法是，给被驱动表的 join 字段加上索引，把 BNL 算法转成 BKA 算法。

3.1 BNL 转 BKA

一些情况下，我们可以直接在被驱动表上建索引，这时就可以直接转成 BKA 算法了。但是，有时候你确实会碰到一些不适合在被驱动表上建索引的情况。比如下面这个语句：

select * from t1 join t2 on (t1.b=t2.b) where t2.b>=1 and t2.b<=2000;

在表 t2 中插入了 100 万行数据，但是经过 where 条件过滤后，需要参与 join 的只有 2000 行数据。如果这条语句同时是一个低频的 SQL 语句，那么再为这个语句在表 t2 的字段 b 上创建一个索引就很浪费了。

但是，如果使用 BNL 算法来 join 的话，这个语句的执行流程是这样的：

把表 t1 的所有字段取出来，存入 join_buffer 中。这个表只有 1000 行，join_buffer_size 默认值是 256k，可以完全存入。
扫描表 t2，取出每一行数据跟 join_buffer 中的数据进行对比，
- 如果不满足 t1.b=t2.b，则跳过；
- 如果满足 t1.b=t2.b, 再判断其他条件，也就是是否满足 t2.b 处于 [1,2000] 的条件，如果是，就作为结果集的一部分返回，否则跳过。

对于表 t2 的每一行，判断 join 是否满足的时候，都需要遍历 join_buffer 中的所有行。因此判断等值条件的次数是 1000*100 万 =10 亿次，这个判断的工作量很大。

可以看到，explain 结果里 Extra 字段显示使用了 BNL 算法。在我的测试环境里，这条语句需要执行 1 分 11 秒。在表 t2 的字段 b 上创建索引会浪费资源，但是不创建索引的话这个语句的等值条件要判断 10 亿次，想想也是浪费。那么，有没有两全其美的办法呢？这时候，我们可以考虑使用临时表。使用临时表的大致思路是：

把表 t2 中满足条件的数据放在临时表 tmp_t 中；
为了让 join 使用 BKA 算法，给临时表 tmp_t 的字段 b 加上索引；
让表 t1 和 tmp_t 做 join 操作。

此时，对应的 SQL 语句的写法如下：

create temporary table temp_t(id int primary key, a int, b int, index(b))engine=innodb;
insert into temp_t select * from t2 where b>=1 and b<=2000;
select * from t1 join temp_t on (t1.b=temp_t.b);

可以看到，整个过程 3 个语句执行时间的总和还不到 1 秒，相比于前面的 1 分 11 秒，性能得到了大幅提升。接下来，我们一起看一下这个过程的消耗：

执行 insert 语句构造 temp_t 表并插入数据的过程中，对表 t2 做了全表扫描，这里扫描行数是 100 万。
之后的 join 语句，扫描表 t1，这里的扫描行数是 1000；join 比较过程中，做了 1000 次带索引的查询。相比于优化前的 join 语句需要做 10 亿次条件判断来说，这个优化效果还是很明显的。

3.2 扩展 -hash join

其实上面计算 10 亿次那个操作，看上去有点儿傻。如果 join_buffer 里面维护的不是一个无序数组，而是一个哈希表的话，那么就不是 10 亿次判断，而是 100 万次 hash 查找。这样的话，整条语句的执行速度就快多了吧？这，也正是 MySQL 的优化器和执行器一直被诟病的一个原因：不支持哈希 join。并且，MySQL 官方的 roadmap，也是迟迟没有把这个优化排上议程。实际上，这个优化思路，我们可以自己实现在业务端。实现流程大致如下：

select * from t1;取得表 t1 的全部 1000 行数据，在业务端存入一个 hash 结构，比如 C++ 里的 set、PHP 的数组这样的数据结构。
select * from t2 where b>=1 and b<=2000; 获取表 t2 中满足条件的 2000 行数据。
把这 2000 行数据，一行一行地取到业务端，到 hash 结构的数据表中寻找匹配的数据。满足匹配的条件的这行数据，就作为结果集的一行。