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group by优化原理

良月柒 • 2024年9月30日 pm7:08 • 后端 • 阅读 66 
  group by优化原理

============

首先看一个生产上group by优化的案例：

-- 优化前SQL ，使用紧凑索引扫描 ：执行3s
SELECT taskUniqueId,
         max(reportTime) AS reportTime
FROM task_log_info
WHERE reportTime > '2024-04-07'
GROUP BY  taskUniqueId



-- 优化后，使用松散索引扫描：执行30ms左右
SELECT a.taskUniqueId,
        reportTime
FROM task_log_info a
JOIN
    (SELECT taskUniqueId,
        max(id) AS id
    FROM task_log_info
    GROUP BY  taskUniqueId ) tmp
    ON a.id=tmp.id
        AND reportTime>='2024-04-07'

-- 需要注意的是：id和reporttime字段值具有相关性的情况才可以这样修改

两个group by使用的同样一个索引，但是效率却相差很多，可能你一眼就知道其内部的原理

anyway，有兴趣的可以往后看看，欢迎指出文章不足之处~

在本文的参考链接中也都详细说明了group by的优化原理，本文只是加以总结和结合实际加入自己的理解进行整理

准备

对于group by，可以使用索引进行优化，主要包含两个方面：

1、避免使用临时表

  • 没有index的情况下需要扫描所有的数据，并使用临时表来保存分组值，且默认情况下，会对分组后的结果进行排序
  • 有index的情况下，由于索引的有序性，每个组的数据在一起，可以更快速地进行分组，且避免了排序

2、使用Loose index scan，避免扫描所有的索引记录（有一定的使用条件）

测试数据

CREATE TABLE t2 (
  id INT AUTO_INCREMENT,
  c1 CHAR(64) NOT NULL,
  c2 CHAR(64) NOT NULL,
  c3 CHAR(64) NOT NULL,
  c4 CHAR(64) NOT NULL,
  PRIMARY KEY(id),
  KEY c1_c2_c3_idx (c1, c2,c3)
) ENGINE=INNODB;


INSERT INTO t2 VALUES (null,'a','b','a','a'), (null,'a','b','a','a'),
                      (null,'a','c','a','a'), (null,'a','c','a','a'),
                      (null,'a','d','b','b'), (null,'a','b','b','b'),
                      (null,'d','b','c','c'), (null,'e','b','c','c'),
                      (null,'f','c','d','d'), (null,'k','c','d','d'),
                      (null,'y','d','y','y'), (null,'f','b','f','y'),
                      (null,'a','b','a','a'), (null,'a','b','a','a'),
                      (null,'a','c','a','a'), (null,'a','c','a','a'),
                      (null,'a','d','b','b'), (null,'a','b','b','b'),
                      (null,'d','b','c','c'), (null,'e','b','c','c'),
                      (null,'f','c','d','d'), (null,'k','c','d','d'),
                      (null,'y','d','y','y'), (null,'f','b','f','y');    

-- 收集统计信息，否则可能影响测试
ANALYZE TABLE t2;

无索引的情况

  • 不使用索引的group by
mysql> explain select c4,count(*) from t2 group by c4 order by null;
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-----------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra           |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-----------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL |   24 |   100.00 | Using temporary |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-----------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

mysql> explain select c4,count(*) from t2 group by c4;
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+---------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                           |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+---------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL |   24 |   100.00 | Using temporary; Using filesort |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+---------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

从执行计划Extra: Using temporary可以看到这里使用到了临时表

  • 使用索引的group by，没有使用到临时表
mysql> explain select c1,count(*) from t2 group by c1;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | index | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 768     | NULL |   24 |   100.00 | Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

Extra：Using index，且type为index，表示全索引扫描

这种情况下，如果表数据量很大，还是会比较耗时

有索引的情况

对于使用索引的情况，对于索引的访问有两种算法

  • Loose Index Scan：松散索引扫描

    • 不需要扫描所有的索引key，根据分组前缀（group by字段）跳跃扫描部分
    • 执行计划Extra有：Using index for group-by

    • Tight Index Scan：紧凑索引扫描

    • 需要扫描范围或全部的索引key

    • 执行计划Extra有：Using index

另外还有一种两种算法结合使用的方式：

  • 在松散索引扫描的成本大于紧凑索引扫描时可能用到，后文说明

下面是两条SQL分别使用Loose Index Scan和Tight Index Scan：

mysql> explain SELECT c1,MIN(c2) FROM t2 GROUP BY c1;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                    |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | range | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 256     | NULL |    7 |   100.00 | Using index for group-by |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)


mysql> explain SELECT c1,COUNT(*) FROM t2 GROUP BY c1;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | index | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 768     | NULL |   24 |   100.00 | Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)


mysql> SELECT c1,MIN(c2),COUNT(*) FROM t2 GROUP BY c1;
+----+---------+----------+
| c1 | MIN(c2) | COUNT(*) |
+----+---------+----------+
| a  | b       |       12 |
| d  | b       |        2 |
| e  | b       |        2 |
| f  | b       |        4 |
| k  | c       |        2 |
| y  | d       |        2 |
+----+---------+----------+
6 rows in set (0.00 sec)

第一条SQL使用Loose Index Scan，示意图为：：

group by优化原理

第二条SQL使用Tight Index Scan，示意图为：

group by优化原理

Loose Index Scan

跳跃扫描部分索引key，而不需要扫描全部

例如：

  • 执行计划Extra为：Using index for group-by，表示使用松散索引扫描
mysql> explain SELECT c1,MIN(c2) FROM t2 GROUP BY c1;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                    |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | range | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 256     | NULL |    7 |   100.00 | Using index for group-by |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

使用场景，可大致归为两类：

1、当需要获取每个分组的某条记录，而非对全部记录做聚合运算时可能会用到Loose Index Scan，比如：

  • min()、max()：获取每个分组的最小值或最大值
  • agg(distinct)：count(distinct)、sum(distinct)、avg(distinct)

注意：如果sql语句中既有min\max中的1-2个，也有count(distinct)\sum(distinct)\avg(distinct)中的1-3个时，无法用到Loose index，两组分别出现的时候才可能会用到

2、distinct 可以转换为group by进行处理

其他的必要条件：

  • 查询基于一个表
  • group by字段满足索引的最左匹配原则，例如，一个表有(c1,c2,c3)的索引，sql为group by (c1,c2)时可以用到索引，sql为(c1,c3)时无法用到索引
  • 聚合函数使用的列，必须包含在索引上；且使用多个聚合函数时，必须使用相同的字段，且group by 字段+聚合函数字段也必须满足最左匹配原则
  • 索引中字段必须是全字段索引，而不能是前缀索引，例如 INDEX(c1(10))

以上条件结合索引的结构就很好理解了

另外，在选择是否使用Loose Index Scan时，也会收到SQL、统计信息、成本等因素的影响

因此，针对当前表结构，列举几个常见的可以使用到Loose Index Scan的SQL： 

场景1
-- MIN()、MAX()
SELECT c1,MIN(c2),MAX(c2) FROM t2 GROUP BY c1;
SELECT c1,c2,MAX(c3),MIN(c3)  FROM t2 WHERE c2 > 'k' GROUP BY c1, c2;
SELECT c1,c2,MAX(c3),MIN(c3)  FROM t2 WHERE c3 > 'k' GROUP BY c1, c2;
SELECT c1,c2,c3,MAX(id) FROM t2  GROUP BY c1,c2,c3;  
SELECT c1, c2 FROM t2 WHERE c3 = 'd' GROUP BY c1, c2;
-- 以下几种情况在当前数据量和数据分布下没有用到，和成本计算有关，结合后文成本对比的章节改变数据量和数据分布测试出来
SELECT c1,c2,MAX(c3),MIN(c3)  FROM t2 WHERE c1>='k' and c2 > 'f' GROUP BY c1, c2;  
SELECT DISTINCT c1, c2 FROM t2 where c1>'k';  
SELECT c1,c2,count(distinct c3) FROM t2 where c1>='k' and c2>'k' GROUP BY c1,c2;  



-- count(distinct)、sum(distinct)、avg(distinct)
SELECT c1,count(distinct c2,c3) FROM t2 GROUP BY c1;
SELECT c1,c2,sum(distinct c3) FROM t2 GROUP BY c1,c2;
SELECT c1,c2,sum(distinct c3) FROM t2 where c2>'k' GROUP BY c1,c2;



场景2
SELECT DISTINCT c1, c2 FROM t2;




-- 无法使用到Loose Index Scan
SELECT c1,count(distinct c2,c3),sum(distinct c2) FROM t2 GROUP BY c1;

Tight Index Scan

对于无法使用到Loose Index Scan的一些group by，在满足索引最左匹配原则情况下可能会用到Tight Index Scan

该种方式实际上是范围索引扫描或全部索引扫描，数据量大的情况下性能仍然可能会比较差，但是相比无索引还是可以避免使用临时表和全表扫描，在某些情况下有一定的优化作用

两种算法的结合

对于AGG(DISTINCT)，即SUM|COUNT|AVG(distinct)，可能会出现使用松散索引扫描成本大于紧凑��引扫描的情况

两种方式在引擎层主要包含的成本:

  • Loose Index Scan

    • 读取分组的第一条记录，得到分组前缀
    • 根据分组前缀读取分组的第一条或最后一条记录返回给server层

    • Tight Index Scan

    • 从引擎层读取数据，返回给server层

    • server层判断是否符合where条件的记录，并根据聚合函数进行处理

可以看到，对于引擎层的访问，Loose Index Scan的成本有可能会高于Tight Index Scan的，且在MySQL中，引擎层读取数据页的成本常数是1，Server层判断一条记录的成本常数是0.2，在某些情况下，Loose Index Scan的成本会高于Tight Index Scan

至于MIN/MAX为什么不会出现Loose Index Scan成本>Tight Index Scan成本，我理解只有到组内值都是唯一的情况下才会出现吧，那这样也没有必要去分组求最值了

比如：

  • 当分组较多，但组内的记录数并不多或唯一值较高的情况，对于每一个分组，都需要扫描两次，能跳过的记录数很少的情况。即Loose Index Scan在分组字段的选择性相对不太高，组内的数据量相对较多的情况更适用

例如，如下SQL：

select count(distinct c1,c2) from t2;

在当前的测试数据中，松散扫描的成本还是要低于紧凑扫描，执行计划如下：

mysql> explain select count(distinct c1,c2) from t2;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                    |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | range | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 512     | NULL |   10 |   100.00 | Using index for group-by |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+--------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

新建一个相同表结构的表，插入下面的测试数据：

INSERT INTO t2 VALUES (null,'a','b','a','a'), (null,'a','b','a','a'),
                      (null,'k','c','a','a'), (null,'k','g','a','a'),
                      (null,'a','d','b','b'), (null,'a','b','b','b'),
                      (null,'d','b','c','c'), (null,'e','b','c','c'),
                      (null,'f','c','d','d'), (null,'k','c','d','d'),
                      (null,'y','d','y','y'), (null,'f','b','f','y'),
                      (null,'j','b','a','a'), (null,'m','b','a','a'),
                      (null,'z','c','a','a'), (null,'t','c','a','a'),
                      (null,'x','d','b','b'), (null,'x','b','b','b'),
                      (null,'d','b','c','c'), (null,'e','b','c','c'),
                      (null,'f','c','d','d'), (null,'k','c','d','d'),
                      (null,'y','d','y','y'), (null,'f','b','f','y'); 

-- 其数据分布
mysql> select c1,c2,count(*) from t2 group by c1,c2;
+----+----+----------+
| c1 | c2 | count(*) |
+----+----+----------+
| a  | b  |        3 |
| a  | d  |        1 |
| d  | b  |        2 |
| e  | b  |        2 |
| f  | b  |        2 |
| f  | c  |        2 |
| j  | b  |        1 |
| k  | c  |        3 |
| k  | g  |        1 |
| m  | b  |        1 |
| t  | c  |        1 |
| x  | b  |        1 |
| x  | d  |        1 |
| y  | d  |        2 |
| z  | c  |        1 |
+----+----+----------+
15 rows in set (0.00 sec)

执行计划Extra：Using index for group-by (scanning)

mysql> explain select count(distinct c1,c2) from t2;
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type  | possible_keys | key          | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                               |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t2    | NULL       | range | c1_c2_c3_idx  | c1_c2_c3_idx | 512     | NULL |   16 |   100.00 | Using index for group-by (scanning) |
+----+-------------+-------+------------+-------+---------------+--------------+---------+------+------+----------+-------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

该方式可以理解为Loose Index Scan的扩展或两种方式的结合：

  • 索引顺序扫描的同时进行去重

其执行的示意图如下：

group by优化原理

最后，再回到文章开头的案例，其执行计划如下：其核心就是将紧凑索引扫描转化为了松散索引扫描

  • 优化前执行计划：

group by优化原理

  • 优化后执行计划：

group by优化原理

小结

对于group by可以使用索引进行优化，Loose Index Scan相对于Tight Index Scan在一些情况下可以大大减少扫描的行数，使用Loose Index Scan时，执行计划Extra有：Using index for group-by

在Loose Index Scan的成本大于Tight Index 一些情况Loose Index Scan的一些情况下，可能可以用到两者的结合的方式，执行计划中Extra有：Using index for group-by (scanning)

Loose Index Scan更适用于分组内重复值相对较多，分组个数相对较少的情况

可根据实际情况进行优化

参考链接

dev.mysql.com/doc/refman/…

dev.mysql.com/blog-archiv…

MySQL 怎么用索引实现 group by？-鸿蒙开发者社区-51CTO.COM

www.oreilly.com/library/vie…

原文链接: https://juejin.cn/post/7369534106604355621

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良月柒
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