一、引言

在 MySQL 數(shù)據(jù)庫的查詢操作中，排序是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的任務(wù)。當(dāng)執(zhí)行查詢并要求結(jié)果集按照特定順序呈現(xiàn)時(shí)，MySQL 會(huì)依據(jù)多種因素來抉擇合適的排序策略。其中，索引排序和文件排序是最為常見的兩種方式，而文件排序又進(jìn)一步細(xì)分為單路排序、雙路排序以及歸并排序。透徹理解這些排序機(jī)制對(duì)于優(yōu)化數(shù)據(jù)庫查詢性能、提升系統(tǒng)響應(yīng)速度具有不可忽視的重要性。

二、索引排序

（一）原理

索引在 MySQL 中是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能夠加速數(shù)據(jù)的檢索與排序過程。當(dāng)查詢語句中的 ORDER BY 子句所涉及的字段與某個(gè)索引的列順序完全匹配，并且索引的排序方向（升序或降序）也與 ORDER BY 要求一致時(shí)，MySQL 便可巧妙地利用該索引來完成排序操作。由于索引本身就按照特定規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有序存儲(chǔ)，因此借助索引排序能夠避免對(duì)數(shù)據(jù)行進(jìn)行額外的讀取與復(fù)雜排序運(yùn)算，從而顯著提升查詢效率。

（二）示例

假設(shè)我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 employees 的表，其結(jié)構(gòu)如下：

CREATE TABLE employees (
  id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  first_name VARCHAR(50),
  last_name VARCHAR(50),
  hire_date DATE,
  salary DECIMAL(10, 2),
  INDEX idx_hire_date (hire_date)
);

我們向表中插入一些示例數(shù)據(jù)：

INSERT INTO employees (first_name, last_name, hire_date, salary) VALUES
('John', 'Doe', '2020-01-01', 5000.00),
('Jane', 'Smith', '2021-03-15', 6000.00),
('Bob', 'Johnson', '2019-11-20', 4500.00);

現(xiàn)在執(zhí)行一個(gè)查詢：

SELECT * FROM employees ORDER BY hire_date;

使用 EXPLAIN 關(guān)鍵字來查看該查詢的執(zhí)行計(jì)劃：

EXPLAIN SELECT * FROM employees ORDER BY hire_date;

在 EXPLAIN 的輸出結(jié)果中，我們可以看到 Extra 列顯示為 Using index，這就表明 MySQL 成功地運(yùn)用了索引排序。它直接從索引中獲取了按照 hire_date 有序的數(shù)據(jù)，無需進(jìn)行額外的文件排序操作，從而大大提高了查詢的執(zhí)行速度。

三、文件排序

當(dāng)查詢條件無法利用索引進(jìn)行排序時(shí)，MySQL 就不得不訴諸文件排序。文件排序意味著 MySQL 需要將數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中進(jìn)行排序處理，如果內(nèi)存空間不足以容納所有待排序的數(shù)據(jù)，還可能會(huì)借助磁盤臨時(shí)表來輔助完成排序任務(wù)。

（一）單路排序

原理

• 單路排序的核心思想是將查詢所需的全部列數(shù)據(jù)一次性地讀取到內(nèi)存中的排序緩沖區(qū)。在這個(gè)緩沖區(qū)中，MySQL 運(yùn)用高效的排序算法（如快速排序等）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序操作。這種方式在內(nèi)存資源較為充裕且待排序數(shù)據(jù)量相對(duì)不大的情況下，能夠展現(xiàn)出較高的效率。因?yàn)樗苊饬硕啻螖?shù)據(jù)讀取操作，減少了磁盤 I/O 開銷以及數(shù)據(jù)在內(nèi)存與磁盤之間的傳輸延遲。
• 單路排序的效率與 sort_buffer_size 系統(tǒng)變量密切相關(guān)。sort_buffer_size 用于指定排序緩沖區(qū)的大小。如果該值設(shè)置過小，可能導(dǎo)致排序過程中需要頻繁地將部分?jǐn)?shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)到磁盤上，從而降低排序性能；反之，若設(shè)置過大，可能會(huì)占用過多的內(nèi)存資源，影響系統(tǒng)中其他進(jìn)程的運(yùn)行。

示例考慮如下查詢：

SELECT first_name, last_name, salary FROM employees ORDER BY salary;

由于在 salary 字段上沒有合適的索引可供利用，MySQL 將會(huì)執(zhí)行文件排序。執(zhí)行 EXPLAIN 命令查看該查詢的執(zhí)行計(jì)劃：

EXPLAIN SELECT first_name, last_name, salary FROM employees ORDER BY salary;

在 EXPLAIN 結(jié)果中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn) Extra 列顯示 Using filesort，這表明 MySQL 正在進(jìn)行文件排序操作。此時(shí)，如果我們查看服務(wù)器的性能監(jiān)控指標(biāo)，會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用量在排序過程中會(huì)有所增加，并且主要集中在排序緩沖區(qū)的使用上。

（二）雙路排序

原理

• 雙路排序采用了一種更為巧妙的策略，尤其是在內(nèi)存資源有限但索引列數(shù)據(jù)量相對(duì)較小的場(chǎng)景下表現(xiàn)出色。它首先僅讀取查詢所需列的索引數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的主鍵值到排序緩沖區(qū)進(jìn)行排序。在完成初步排序后，再根據(jù)主鍵值回表讀取剩余的列數(shù)據(jù)。這樣做的好處在于，在內(nèi)存有限的情況下，可以有效減少排序緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的占用量，因?yàn)橹蛔x取了索引列和主鍵值，而不是全部列數(shù)據(jù)。然而，這種方式也存在一定的代價(jià)，那就是需要額外的回表操作來獲取完整的列數(shù)據(jù)，這可能會(huì)增加一定的磁盤 I/O 開銷。
• 雙路排序的決策過程也與 max_length_for_sort_data 系統(tǒng)變量有關(guān)。該變量用于限制排序數(shù)據(jù)行的最大長(zhǎng)度。當(dāng)查詢結(jié)果集中的列數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過 max_length_for_sort_data 所設(shè)定的值時(shí)，MySQL 更傾向于選擇雙路排序，以避免一次性將大量數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中。

示例

假設(shè)我們執(zhí)行以下查詢：

SELECT * FROM employees ORDER BY last_name;

如果 last_name 字段有索引，但并非覆蓋索引（即查詢所需的所有列并非都包含在該索引中），MySQL 可能會(huì)采用雙路排序策略。通過 EXPLAIN 查看查詢計(jì)劃：

EXPLAIN SELECT * FROM employees ORDER BY last_name;

在 EXPLAIN 的輸出中，Extra 列顯示 Using filesort，并且在進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行日志或者性能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，可以觀察到在排序過程中存在回表操作的跡象，如磁盤讀取操作的增加以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化。

（三）歸并排序

原理

• 當(dāng)需要排序的數(shù)據(jù)量極為龐大，以至于無法在內(nèi)存中一次性完成整個(gè)排序過程時(shí)，MySQL 會(huì)啟用歸并排序算法。歸并排序采用了分治的思想，它首先將大規(guī)模的數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)較小的子數(shù)據(jù)集，然后在內(nèi)存中分別對(duì)這些子數(shù)據(jù)集進(jìn)行排序。排序完成后，再逐步將這些有序的子數(shù)據(jù)集合并成最終的有序結(jié)果集。在這個(gè)過程中，如果內(nèi)存不足以容納所有的子數(shù)據(jù)集，MySQL 會(huì)借助磁盤臨時(shí)表來存儲(chǔ)中間結(jié)果，這就不可避免地會(huì)帶來磁盤 I/O 開銷。不過，歸并排序具有良好的穩(wěn)定性和時(shí)間復(fù)雜度特性，能夠在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)排序時(shí)保持相對(duì)高效的性能表現(xiàn)。

示例

• 考慮如下查詢：

SELECT * FROM employees ORDER BY RAND();

由于 ORDER BY RAND() 要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)排序，幾乎不可能利用索引來實(shí)現(xiàn)，并且當(dāng) employees 表的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，MySQL 就會(huì)采用歸并排序進(jìn)行文件排序。執(zhí)行 EXPLAIN 命令查看該查詢的執(zhí)行計(jì)劃：

EXPLAIN SELECT * FROM employees ORDER BY RAND();

在 EXPLAIN 結(jié)果中，Extra 列會(huì)顯示 Using filesort。同時(shí)，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的資源監(jiān)控中，我們可以明顯觀察到磁盤 I/O 活動(dòng)的顯著增加，這是因?yàn)闅w并排序過程中需要頻繁地在磁盤臨時(shí)表中寫入和讀取中間排序結(jié)果。

四、優(yōu)化建議

• 合理創(chuàng)建索引：仔細(xì)分析查詢語句中的 ORDER BY 子句以及其他過濾條件，創(chuàng)建合適的索引，盡量使 ORDER BY 字段能夠與索引匹配，從而優(yōu)先利用索引排序，減少文件排序的發(fā)生頻率。
• 優(yōu)化 sort_buffer_size 和 max_length_for_sort_data：根據(jù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的內(nèi)存配置以及實(shí)際業(yè)務(wù)需求，合理調(diào)整 sort_buffer_size 和 max_length_for_sort_data 系統(tǒng)變量的值。對(duì)于內(nèi)存較為充裕且經(jīng)常進(jìn)行大規(guī)模排序操作的場(chǎng)景，可以適當(dāng)增大 sort_buffer_size；而對(duì)于內(nèi)存有限且查詢結(jié)果集列數(shù)據(jù)長(zhǎng)度差異較大的情況，需要謹(jǐn)慎設(shè)置 max_length_for_sort_data，以平衡單路排序和雙路排序的選擇。
• 精簡(jiǎn)查詢語句：在編寫查詢語句時(shí)，盡量減少不必要的列選擇，只獲取實(shí)際業(yè)務(wù)所需的數(shù)據(jù)列。這樣可以降低數(shù)據(jù)量，不僅有助于文件排序的效率提升，還能減少網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷和內(nèi)存占用。
• 避免隨機(jī)排序：盡量減少使用 ORDER BY RAND() 這類導(dǎo)致隨機(jī)排序的操作，因?yàn)樗鼛缀蹩偸菚?huì)引發(fā)大規(guī)模的文件排序，尤其是在數(shù)據(jù)量較大時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響查詢性能。如果確實(shí)需要隨機(jī)獲取數(shù)據(jù)，可以考慮采用其他替代方案，如在應(yīng)用層進(jìn)行隨機(jī)處理或者利用數(shù)據(jù)庫的特定功能（如 MySQL 8.0 中的窗口函數(shù)等）來實(shí)現(xiàn)類似效果。

通過深入理解 MySQL 中的索引排序和文件排序機(jī)制，并依據(jù)上述優(yōu)化建議對(duì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和查詢語句進(jìn)行合理優(yōu)化，能夠有效地提升數(shù)據(jù)庫查詢的性能，為應(yīng)用系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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