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索引的选择

从存储层读取数据是 SQL 计算过程中最为耗时的部分之一，TiDB 目前支持从不同的存储和不同的索引中读取数据，索引选择得是否合理将很大程度上决定一个查询的运行速度。

本章节将介绍 TiDB 如何选择索引去读入数据，以及相关的一些控制索引选择的方式。

读表

在介绍索引的选择之前，首先要了解 TiDB 有哪些读表的方式，这些方式的触发条件是什么，不同方式有什么区别，各有什么优劣。

读表算子

读表算子触发条件适用场景说明
PointGet/BatchPointGet读表的范围是一个或多个单点范围任何场景如果能被触发，通常被认为是最快的算子，因为其直接调用 kvget 的接口进行计算，不走 coprocessor
TableReader无任何场景从 TiKV 端直接扫描表数据，一般被认为是效率最低的算子，除非在 _tidb_rowid 这一列上存在范围查询，或者无其他可以选择的读表算子时，才会选择这个算子
TableReader表在 TiFlash 节点上存在副本需要读取的列比较少，但是需要计算的行很多TiFlash 是列式存储，如果需要对少量的列和大量的行进行计算，一般会选择这个算子
IndexReader表有一个或多个索引，且计算所需的列被包含在索引里存在较小的索引上的范围查询，或者对索引列有顺序需求的时候当存在多个索引的时候，会根据估算代价选择合理的索引
IndexLookupReader表有一个或多个索引，且计算所需的列不完全被包含在索引里同 IndexReader因为计算列不完全被包含在索引里，所以读完索引后需要回表，这里会比 IndexReader 多一些开销

索引的选择

TiDB 基于规则或基于代价来选择索引。基于的规则包括前置规则和 Skyline-Pruning。在选择索引时，TiDB 会先尝试前置规则。如果存在索引满足某一条前置规则，则直接选择该索引。否则，TiDB 会采用 Skyline-Pruning 来排除不合适的索引，然后基于每个读表算子的代价估算，选择代价最小的索引。

基于规则选择

前置规则

TiDB 采用如下的启发式前置规则来选择索引：

  • 规则 1：如果存在索引满足“唯一性索引全匹配 + 不需要回表（即该索引生成的计划是 IndexReader）”时，直接选择该索引。

  • 规则 2：如果存在索引满足“唯一性索引全匹配 + 需要回表（即该索引生成的计划是 IndexLookupReader）”时，选择满足该条件且回表行数最小的索引作为候选索引。

  • 规则 3：如果存在索引满足“普通索引不需要回表 + 读取行数小于一定阈值”时，选择满足该条件且读取行数最小的索引作为候选索引。

  • 规则 4：如果规则 2 和 3 之中仅选出一条候选索引，则选择该候选索引。如果规则 2 和 3 均选出候选索引，则选择读取行数（读索引行数 + 回表行数）较小的索引。

上述规则中的“索引全匹配”指每个索引列上均存在等值条件。在执行 EXPLAIN FORMAT = 'verbose' ... 语句时，如果前置规则匹配了某一索引，TiDB 会输出一条 NOTE 级别的 warning 提示该索引匹配了前置规则。

在以下示例中，因为索引 idx_b 满足规则 2 中“唯一性索引全匹配 + 需要回表”的条件，TiDB 选择索引 idx_b 作为访问路径，SHOW WARNING 返回了索引 idx_b 命中前置规则的提示。

mysql> CREATE TABLE t(a INT PRIMARY KEY, b INT, c INT, UNIQUE INDEX idx_b(b));
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> EXPLAIN FORMAT = 'verbose' SELECT b, c FROM t WHERE b = 3 OR b = 6;
+-------------------+---------+---------+------+-------------------------+------------------------------+
| id                | estRows | estCost | task | access object           | operator info                |
+-------------------+---------+---------+------+-------------------------+------------------------------+
| Batch_Point_Get_5 | 2.00    | 8.80    | root | table:t, index:idx_b(b) | keep order:false, desc:false |
+-------------------+---------+---------+------+-------------------------+------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

mysql> SHOW WARNINGS;
+-------+------+-------------------------------------------------------------------------------------------+
| Level | Code | Message                                                                                   |
+-------+------+-------------------------------------------------------------------------------------------+
| Note  | 1105 | unique index idx_b of t is selected since the path only has point ranges with double scan |
+-------+------+-------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

Skyline-Pruning

Skyline-Pruning 是一个针对索引的启发式过滤规则，能降低错误估算导致选错索引的概率。Skyline-Pruning 从以下三个维度衡量一个索引的优劣：

  • 索引的列涵盖了多少访问条件。“访问条件”指的是可以转化为某列范围的 where 条件，如果某个索引的列集合涵盖的访问条件越多，那么它在这个维度上更优。

  • 选择该索引读表时，是否需要回表（即该索引生成的计划是 IndexReader 还是 IndexLookupReader）。不用回表的索引在这个维度上优于需要回表的索引。如果均需要回表，则比较索引的列涵盖了多少过滤条件。过滤条件指的是可以根据索引判断的 where 条件。如果某个索引的列集合涵盖的访问条件越多，则回表数量越少，那么它在这个维度上越优。

  • 选择该索引是否能满足一定的顺序。因为索引的读取可以保证某些列集合的顺序，所以满足查询要求顺序的索引在这个维度上优于不满足的索引。

对于以上三种维度，如果索引 idx_a 在这三个维度上都不比 idx_b 差，且有一个维度比 idx_b 好，那么 TiDB 会优先选择 idx_a。在执行 EXPLAIN FORMAT = 'verbose' ... 语句时，如果 Skyline-Pruning 排除了某些索引，TiDB 会输出一条 NOTE 级别的 warning 提示哪些索引在 Skyline-Pruning 排除之后保留下来。

在以下示例中，索引 idx_b 和 idx_e 均劣于 idx_b_c，因而被 Skyline-Pruning 排除，SHOW WARNING 的返回结果显示了经过 Skyline-Pruning 后剩余的索引。

mysql> CREATE TABLE t(a INT PRIMARY KEY, b INT, c INT, d INT, e INT, INDEX idx_b(b), INDEX idx_b_c(b, c), INDEX idx_e(e));
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> EXPLAIN FORMAT = 'verbose' SELECT * FROM t WHERE b = 2 AND c > 4;
+-------------------------------+---------+---------+-----------+------------------------------+----------------------------------------------------+
| id                            | estRows | estCost | task      | access object                | operator info                                      |
+-------------------------------+---------+---------+-----------+------------------------------+----------------------------------------------------+
| IndexLookUp_10                | 33.33   | 738.29  | root      |                              |                                                    |
| ├─IndexRangeScan_8(Build)     | 33.33   | 2370.00 | cop[tikv] | table:t, index:idx_b_c(b, c) | range:(2 4,2 +inf], keep order:false, stats:pseudo |
| └─TableRowIDScan_9(Probe)     | 33.33   | 2370.00 | cop[tikv] | table:t                      | keep order:false, stats:pseudo                     |
+-------------------------------+---------+---------+-----------+------------------------------+----------------------------------------------------+
3 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

mysql> SHOW WARNINGS;
+-------+------+------------------------------------------------------------------------------------------+
| Level | Code | Message                                                                                  |
+-------+------+------------------------------------------------------------------------------------------+
| Note  | 1105 | [t,idx_b_c] remain after pruning paths for t given Prop{SortItems: [], TaskTp: rootTask} |
+-------+------+------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

基于代价选择

在使用 Skyline-Pruning 规则排除了不合适的索引之后，索引的选择完全基于代价估算，读表的代价估算需要考虑以下几个方面：

  • 索引的每行数据在存储层的平均长度。
  • 索引生成的查询范围的行数量。
  • 索引的回表代价。
  • 索引查询时的范围数量。

根据这些因子和代价模型，优化器会选择一个代价最低的索引进行读表。

代价选择调优的常见问题

  1. 估算的行数量不准确？

    一般是统计信息过期或者准确度不够造成的，可以重新执行 analyze table 或者修改 analyze table 的参数。

  2. 统计信息准确，为什么读 TiFlash 更快，而优化器选择了 TiKV？

    目前区别 TiFlash 和 TiKV 的代价模型还比较粗糙，可以调小 tidb_opt_seek_factor 的值，让优化器倾向于选择 TiFlash。

  3. 统计信息准确，某个索引要回表，但是它比另一个不用回表的索引实际执行更快，为什么选择了不用回表的索引？

    碰到这种情况，可能是代价估算时对于回表的代价计算得过大，可以调小 tidb_opt_network_factor，降低回表的代价。

控制索引的选择

通过 Optimizer Hints 可以实现单条查询对索引选择的控制。

  • USE_INDEX/IGNORE_INDEX 可以强制优化器使用/不使用某些索引。

  • READ_FROM_STORAGE 可以强制优化器对于某些表选择 TiKV/TiFlash 的存储引擎进行查询。

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