MySQL中為什麼要使用索引合併(Index Merge)？

来源:https://www.cnblogs.com/huaweiyun/p/18297565
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本文介紹了索引合併（Index Merge）包含的三種類型，即交集(intersection)、並集(union)和排序並集(sort-union)，以及索引合併的實現原理、場景約束與通過案例驗證的優缺點。 ...


本文分享自華為雲社區《【華為雲MySQL技術專欄】MySQL中為什麼要使用索引合併(Index Merge)？》，作者：GaussDB 資料庫。

在生產環境中，MySQL語句的where查詢通常會包含多個條件判斷，以AND或OR操作進行連接。然而，對一個表進行查詢最多只能利用該表上的一個索引，其他條件需要在回表查詢時進行判斷（不考慮覆蓋索引的情況）。當回表的記錄數很多時，需要進行大量的隨機IO，這可能導致查詢性能下降。因此，MySQL 5.x 版本推出索引合併(Index Merge)來解決該問題。

本文將基於MySQL 8.0.22版本對MySQL的索引合併功能、實現原理及場景約束進行詳細介紹，同時也會結合原理對其優缺點進行淺析，並通過例子進行驗證。

什麼是索引合併(Index Merge)？

索引合併是通過對一個表同時使用多個索引進行條件掃描，並將滿足條件的多個主鍵集合取交集或並集後再進行回表，可以提升查詢效率。

索引合併主要包含交集(intersection)，並集(union)和排序並集(sort-union)三種類型：

  • intersection：將基於多個索引掃描的結果集取交集後返回給用戶；
  • union：將基於多個索引掃描的結果集取並集後返回給用戶；
  • sort-union：與union類似，不同的是sort-union會對結果集進行排序，隨後再返回給用戶；

MySQL中有四個開關（index_merge、index_merge_intersection、index_merge_union以及index_merge_sort_union）對上述三種索引合併類型提供支持，可以通過修改optimizer_switch系統參數中的四個開關標識來控制索引合併特性的使用。

假設創建表T，並插入如下數據：

CREATE TABLE T(  `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`a` int NOT NULL,
`b` char(1) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `idx_a` (`a`) USING BTREE,
KEY `idx_b` (`b`) USING BTREE
)ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1;

INSERT INTO T (a, b) VALUES (1, 'A'), (2, 'B'),(3, 'C'),(4, 'B'),(1, 'C');

預設情況下，四個開關均為開啟狀態。如果需要單獨使用某個合併類型，需設置index_merge=off，並將相應待啟用的合併類型標識（例如，index_merge_sort_union）設置為on。

開關開啟後，可通過EXPLAIN執行計劃查看當前查詢語句是否使用了索引合併。

mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 
|+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

上面代碼顯示type類型為index_merge，表示使用了索引合併。key列顯示使用到的所有索引名稱，該語句中同時使用了idx_a和idx_b兩個索引完成查詢。Extra列顯示具體使用了哪種類型的索引合併，該語句顯示Using union(...)，表示索引合併類型為union。

此外，可以使用index_merge/no_index_merge給查詢語句添加hint，強制SQL語句使用/不使用索引合併。

• 如果查詢預設未使用索引合併，可以通過添加index_merge強制指定：

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    1 |    20.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
 

mysql> EXPLAIN SELECT /*+ INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用no_index_merge給查詢語句添加hint，可以忽略索引合併優化：

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    3 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    36.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

索引合併(Index Merge)原理

1. Index Merge Intersection

Index Merge Intersection會在使用到的多個索引上同時進行掃描，並取這些掃描結果的交集作為最終結果集。

以“SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C'; ”語句為例：

• 未使用索引合併時，MySQL利用索引idx_a獲取到滿足條件a=1的所有主鍵id，根據主鍵id進行回表查詢到相關記錄，隨後再使用條件b='C'對這些記錄進行判斷，獲取最終查詢結果。

mysql> explain SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    2 |    40.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用索引合併時，MySQL分別利用索引idx_a和idx_b獲取滿足條件a=1和b='C'的主鍵id集合setA和setB。隨後取setA和setB中主鍵id的交集setC，並使用setC中主鍵id進行回表，獲取最終查詢結果。

mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

執行流程如下：

222.PNG

圖1 SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';執行流程

2. Index Merge Union

Index Merge Union會在使用到的多個索引上同時進行掃描，並取這些掃描結果的並集作為最終結果集。

以“SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B'; ”語句為例：

• 未使用索引合併時，MySQL通過全表掃描獲取所有記錄信息，隨後再使用條件a=1和b='B'對這些記錄進行判斷，獲取最終查詢結果。

mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    50.00 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

• 使用索引合併演算法時，MySQL分別利用索引idx_a和idx_b獲取滿足條件a=1和b='B'的主鍵id集合setA和setB。隨後，取setA和setB中主鍵id的並集setC，並使用setC中主鍵id進行回表，獲取最終查詢結果。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

執行流程如下：

333.PNG

圖2 SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';執行流程

3. Index Merge Sort-Union

Sort-Union索引合併與Union索引合併原理相似，只是比單純的Union索引合併多了一步對二級索引記錄的主鍵id排序的過程。由OR連接的多個範圍查詢條件組成的WHERE子句不滿足Union演算法時，優化器會考慮使用Sort-Union演算法。例如：

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a<3 OR b<'B';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                      |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using sort_union(idx_a,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

應用場景約束

1. 總體約束

• Index Merge不能應用於全文索引（Fulltext Index）。 • Index Merge只能合併同一個表的索引掃描結果，不能跨表合併。

以上約束適用於Intersection，Union和Sort-Union三種合併類型。此外，Intersection和Union存在特殊的場景約束。

2. Index Merge Intersection

使用Intersection要求AND連接的每個條件必須是如下形式之一：

(1) 當索引包含多個列時，每個列都必須被如下等值條件覆蓋，不允許出現範圍查詢。若使用索引為聯合索引時，每個列都必須等值匹配，不能出現只匹配部分列的情況。

key_par1 = const1 AND key_par2 = const2 ... AND key_partN = constN

(2) 若過濾條件中存在主鍵列，主鍵列可以進行範圍匹配。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE id<3 AND b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key           | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                       |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | PRIMARY,idx_b | idx_b,PRIMARY | 9,4     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_b,PRIMARY); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

上述的要求，本質上是為了確保索引取出的記錄是按照主鍵id有序排列的，因為Index Merge Intersection對兩個有序集合取交集更簡單。同時，主鍵有序的情況下，回表將不再是單純的隨機IO，回表的效率也會更高。

3. Index Merge Union

使用Union要求OR連接的每個條件，必須是如下形式之一：

(1) 當索引包含多個列時，則每個列都必須被如下等值條件覆蓋，不允許出現範圍查詢。若使用索引為聯合索引時，在聯合索引中的每個列都必須等值匹配，不能出現只匹配部分列的情況。

key_par1 = const1 OR key_par2 = const2 ... OR key_partN = constN

(2) 若過濾條件中存在主鍵列，主鍵列可以進行範圍匹配。

mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE id>3 OR b='A';
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key           | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                   |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | PRIMARY,idx_b | PRIMARY,idx_b | 4,5     | NULL |    3 |   100.00 | Using union(PRIMARY,idx_b); Using where |
+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

Index Merge的優缺點

• Index Merge Intersection在使用到的多個索引上同時進行掃描，並取這些掃描結果的並集作為最終結果集。

當優化器根據搜索條件從某個索引中獲取的記錄數極多時，適合使用Intersection對取交集後的主鍵id以順序I/O進行回表，其開銷遠小於使用隨機IO進行回表。反之，當根據搜索條件掃描出的記錄極少時，因為需要多一步合併操作，Intersection反而不占優勢。在8.0.22版本，對於AND連接的點查場景，通過建立聯合索引可以更好的減少回表。

• Index Merge Union在使用到的多個索引上同時進行掃描，並取這些掃描結果的並集作為最終結果集。

當優化器根據搜索條件從某個索引中獲取的記錄數比較少，通過Union索引合併後進行訪問的代價比全表掃描更小時，使用Union的效果才會更優。

• Index Merge Sort-Union比單純的Union索引合併多了一步對索引記錄的主鍵id排序的過程。

當優化器根據搜索條件從某個索引中獲取的記錄數比較少的時，對這些索引記錄的主鍵id進行排序的成本不高，此時可以加速查詢。反之，當需要排序的記錄過多時，該演算法的查詢效率不一定更優。

我們以Index Merge Union為例，對上述分析進行驗證。

1. 場景構造

# 創建表CREATE TABLE T(  `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`a` int NOT NULL,`
b` char(1) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `idx_a` (`a`) USING BTREE,
KEY `idx_b` (`b`) USING BTREE
)ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1;

# 插入數據
DELIMITER $$
CREATE PROCEDURE insertT()
BEGIN
DECLARE i INT DEFAULT 0;
START TRANSACTION;
WHILE i<=100000 do
if (i%100 = 0) then
INSERT INTO T (a, b) VALUES (10,CHAR(rand()*(90-65)+65));
else
INSERT INTO T (a, b) VALUES (i,CHAR(rand()*(90-65)+65));
end if;
SET i=i+1;
END WHILE;
COMMIT;
END$$
DELIMITER ;
call insertT();

# 執行測試語句
SQL1: SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
SQL2: SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
SQL3: SELECT * FROM T WHERE a=10 OR b='A';
SQL4: SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=10 OR b='A';

2. 執行結果及分析

每條語句查詢5次，去掉最大值和最小值，取剩餘三次結果平均值。4條語句查詢結果如下：

測試語句

第一次查詢/ms

第二次查詢/ms

第三次查詢/ms

第四次查詢/ms

第五次查詢/ms

平均值/ms

SQL1

5.481

5.422

5.117

4.892

5.426

5.322

SQL2

31.129

32.645

30.943

31.142

32.625

31.632

SQL3

7.872

7.200

7.824

7.955

7.949

7.882

SQL4

31.139

33.318

31.476

31.645

31.27

31.464

對比使用索引合併的SQL1和未使用索引合併的SQL2的查詢結果可知，使用索引合併的SQL1具有更高的查詢效率，這點從語句的explain analyze分析中也可以看出：

使用索引合併的SQL1代碼示例：

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.064..5.481 rows=2056 loops=1)
-> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.062..5.120 rows=2056 loops=1)

未使用索引合併的SQL2代碼示例：

EXPLAIN ANALYZE SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=10098.75 rows=10043) (actual time=0.038..31.129 rows=2056 loops=1)
-> Table scan on T  (cost=10098.75 rows=100425) (actual time=0.031..22.967 rows=100001 loops=1)

未使用索引合併時，SQL2語句需要花費約23ms來掃描全表100001行數據，隨後再進行條件判斷。而使用索引合併時，通過合併兩個索引篩選出的主鍵id集合，篩選出2056個符合條件的主鍵id, 隨後回表獲取最終的數據。這個環節中，索引合併大大減少了需要訪問的記錄數量。

此外，從SQL1和SQL3的查詢結果也可以看出，數據分佈也會影響索引合併的效果。相同的SQL模板類型，根據匹配數值的不同，查詢時間存在差異。如需要合併的主鍵id集合越小，需要回表的主鍵id越少，查詢時間越短。

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=101 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 101) or (t.b = 'A'))  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.064..5.481 rows=2056 loops=1)
   -> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=717.14 rows=2056) (actual time=0.062..5.120 rows=2056 loops=1)
 

EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM T WHERE a=10 OR b='A';
-> Filter: ((t.a = 10) or (t.b = 'A'))  (cost=983.00 rows=3057) (actual time=0.070..7.872 rows=3035 loops=1)
   -> Index range scan on T using union(idx_a,idx_b)  (cost=983.00 rows=3057) (actual time=0.068..7.496 rows=3035 loops=1)

總結

本文介紹了索引合併（Index Merge）包含的三種類型，即交集(intersection)、並集(union)和排序並集(sort-union)，以及索引合併的實現原理、場景約束與通過案例驗證的優缺點。在實際使用中，當查詢條件列較多且無法使用聯合索引時，就可以考慮使用索引合併，利用多個索引加速查詢。但要註意，索引合併並非在任何場景下均具有較好的效果，需要結合具體的數據分佈進行演算法的選擇。

 

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