技术分享 | MySQL:查询字段数量多少对查询效率的影响

作者: 高鹏

文章末尾有他著作的《深入理解 MySQL 主从原理 32 讲》,深入透彻理解 MySQL 主从,GTID 相关技术知识。

这个问题是最近一个朋友问我的。 刚好就好好看了一下,留下这样的记录。

本文给出一些函数接口,末尾给出一些调用堆栈,为感兴趣的朋友做一个参考,也为自己做一个笔记。

一、问题由来

我们知道执行计划的不同肯定会带来效率的不同,但是在本例中执行计划完全一致,都是全表扫描,不同的只有字段个数而已。其次,测试中都使用了where 条件进行过滤(Using where),过滤后没有数据返回,我们常说的 where 过滤实际上是在 MySQL 层,当然某些情况下使用 ICP 会提前在 Innodb 层过滤数据,这里我们先不考虑 ICP,我会在后面的文章中详细描述 ICP 的流程,本文也会给出 where 过滤的接口,供大家参考。

下面的截图来自两个朋友,感谢他们的测试和问题提出。 另外对于大数据量访问来讲可能涉及到物理 IO,首次访问和随后的访问因为 Innodb buffer 的关系,效率不同是正常,需要多测试几次。

测试1:

测试2:

我们通过这两个测试,可以发现随着字段的不断减少,效率越来越高,并且主要的区别都在 sending data 下面,这个状态我曾经大概描述过参考文章:

https://www.jianshu.com/p/46ad0aaf7ed7

https://www.jianshu.com/p/4cdec711adef

简单的说 Innodb 数据的获取和 Innodb 数据到 MySQL 层数据的传递都包含在其中。

二、简单的流程介绍

下面我主要结合字段多少和全表扫描2个方面做一个简单的流程介绍。实际上其中有一个核心接口就是 row_search_mvcc,它大概包含了如下功能:

  • 通过预取缓存获取数据

  • 打开事务

  • 定位索引位置(包含使用 AHI 快速定位)

  • 是否开启 readview

  • 通过持久化游标不断访问下一条数据

  • 加 Innodb 表锁、加 Innodb 行锁

  • 可见性判断

  • 根据主键回表(可能回表需要加行锁)

  • ICP 优化

  • SEMI update 优化

并且作为访问数据的必须经历的接口,这个函数也是很值得大家细细研读的。

1. 通过 select 字段构建 readset(MySQL 层)

首先需要构建一个叫做 read_set 的位图,来表示访问的字段位置及数量。 它和 write set 一起,在记录 binlog 的 Event 的时候也会起着重要作用,可以参考我的《深入理解 MySQL 主从原理》中关于 binlog_row_image 参数一节。 这里构建的主要接口为 TABLE::mark_column_used 函数,每个需要访问的字段都会调用它来设置自己的位图。 下面是其中的一段如下:

从栈帧来看这个构建 read_set 的过程位于状态‘init’下面。 栈帧见结尾栈帧 1。

2. 初次访问定位的时候还会构建一个模板(mysql_row_templ_t)(Innodb 层)

本模板主要用于当 Innodb 层数据到 MySQL 层做转换的时候使用,其中记录了使用的字段数量、字段的字符集、字段的类型等等。 接口 build_template_field 用于构建这个模板。 栈帧见结尾栈帧 2。 但是需要注意的是,这里构建模板就会通过我们上面说的 read_set 去判断到底有多少字段需要构建到模板中,然后才会调用 build_template_field 函数。 如下是最重要的代码,它位于 build_template_needs_field 接口中。

可以看到这里正在测试本字段是否出现在了 read_set 中,如果不在则跳过这个字段。 下面是函数 build_template_needs_field 的注释:

到这里我们需要访问的字段已经确立下来了

3. 初次定位数据,定位游标到主键索引的第一行记录,为全表扫描做好准备(Innodb 层)

对于这种全表扫描的执行方式,定位数据就变得简单了,我们只需要找到主键索引的第一条数据就好了,它和平时我们使用(ref/range)定位方式不同,不需要二分法的支持。 因此对于全表扫描的初次定位调用函数为 btr_cur_open_at_index_side_func,而不是通常我们说的 btr_pcur_open_with_no_init_func。

如果大概看一下函数 btr_cur_open_at_index_side_func 的功能,我们很容易看到,它就是通过 B+ 树结构,定位到叶子结点的开头第一个块,然后调用函数 page_cur_set_before_first,将游标放到了所有记录的开头,目的只有一个为全表扫描做好准备。 栈帧见结尾栈帧 3。 注意这里正是通过我们 row_search_mvcc 调用下去的。  

4. 获取 Innodb 层的第一条数据(Innodb 层)

拿到了游标过后 就可以获 取数据了,这里 也很简单代码就是一句如下:

但是需要注意的是这里获取的数据只是一个指针,言外之意可以理解为整行数据,其格式也是原始的 Innodb 数据,其中还包含了一些伪列比如(rollback ptr和trx id)。 这里实际上和访问的字段个数无关。

5. 将第一行记录转换为 MySQL 格式(Innodb 层)

这一步完成后我们可以认为记录已经返回给了 MySQL 层,这里就是实际的数据拷贝了,并不是指针,整个过程放到了函数 row_sel_store_mysql_rec 中。

我们前面的模板(mysql_row_templ_t)也会在这里发挥它的作用,这是一个字段过滤的过程,我们先来看一个循环。

其中 prebuilt->n_template 就是字段模板的个数,我们前面已经说过了,通过 read_set 的过滤,对于我们不需要的字段是不会建立模板的。 因此这里的模板数量是和我们访问的字段个数一样的。

然后在这个循环下面会调用 row_sel_store_mysql_field_func 然后调用 row_sel_field_store_in_mysql_format_func 将字段一个一个转换为 MySQL 的格式。 我们来看一下其中一种类型的转换如下:

我们可以发现这是一种实际的转换,也就是需要花费内存空间的。 栈帧见结尾栈帧 4。 到这里我们大概知道了,查询的字段越多那么这里转换的过程越长,并且这里都是实际的内存拷贝, 而非指针指向。

最终这行数据会存储到 row_search_mvcc 的形参 buffer 中返回给 MySQL 层,这个形参的注释如下:

6. 对第一条数据进行 where 过滤(MySQL 层)

拿到数据后当然还不能作为最终的结果返回给用户,我们需要在 MySQL 层做一个过滤操作,这个条件比较位于函数 evaluate_join_record 的开头,其中比较就是下面一句话

如果和条件不匹配将会返回 False。 这里比较会最终调用 Item_func 的各种方法,如果等于则是 Item_func_eq,栈帧见结尾栈帧 5。

7. 访问下一条数据

上面我已经展示了访问第一条数据的大体流程,接下面需要做的就是继续访问下去,如下:

  • 移动游标到下一行

  • 访问数据

  • 根据模板转换数据返回给 MySQL 层

  • 根据 where 条件过滤

整个过程会持续到全部主键索引数据访问完成。 但是需要注意的是上层接口有些变化,由 ha_innobase::index_first 会变为 ha_innobase::rnd_next,统计数据由 Handler_read_first 变为 Handler_read_rnd_next,这点可以参考我的文章:

https://www.jianshu.com/p/25fed8f1f05e

并且 row_search_mvcc 的流程肯定也会有变化。 这里不再赘述。 但是实际的获取数据转换过程和过滤过程并没有改变。

注意了这些步骤除了步骤1,基本都处于 sending data 下面。

三、回到问题本身

好了到这里我们大概 知道全 表扫描的访问数据的流程了,我们就来看看一下在全表扫描流程中字段的多少到底有哪些异同点  

不同点:

  • 构建的 read_set 不同,字段越多 read_set 中为 '1' 的位数越多

  • 建立的模板不同,字段越多模板数量越多

  • 每行数据转换为 MySQL 格式的时候不同,字段越多模板越多,那么循环转换每个字段的循环次数也就越多,并且这是每行都要处理的。

相同点:

  • 访问的行数一致

  • 访问的流程一致

  • where 过滤的方式一致

在整个不同点中,我认为最耗时的部分应该是每行数据转换为 MySQL 格式的消耗最大,因为每行每个字段都需要做这样的转换,这也刚好是除以 sending data 状态下面。 我们线上大于 10 个字段的表比比皆是,如果我们只需要访问其中的少量字段,我们最好还是写实际的字段而不是 '*',来规避这个问题。

四、写在最后

虽然本文中以全表扫描为列进行了解释,但是实际上任何情况下我们都应该缩减访问字段的数量,应该只访问需要的字段。

五、备用栈帧 (下列 片需要点击 查看

栈帧1 read_set 构建

栈帧2 构建模板

栈帧3 全表扫描初次定位栈帧

栈帧4 MySQL 格式的转换

栈帧5 String 的等值比较

最后推荐高鹏的专栏《深入理解 MySQL 主从原理 32 讲》,想要透彻了解学习 MySQL 主从原理的朋友不容错过。

作者微信: gp_22389860

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