深入理解mysql底层索引原理
1. 索引
索引的作用是做数据的快速检索，而快速检索的实现的本质是数据结构。通过不同数据结构的选择，实现各种数据快速检索。在数据库中，高效的查找算法是非常重要的，因为数据库中存储了大量数据，一个高效的索引能节省巨大的时间。比如数据表，如果 Mysql 没有实现索引算法，那么查找 id=7 这个数据，那么只能采取暴力顺序遍历查找，找到 id=7 这个数据需要比较 7 次，如果这个表存储的是 1000W 个数据，查找 id=1000W 这个数据那就要比较 1000W 次，这种速度是不能接受的。
2. 数据结构选哈希表
哈希表是做数据快速检索的有效利器。
哈希算法：也叫散列算法，就是把任意值(key)通过哈希函数变换为固定长度的 key 地址，通过这个地址进行具体数据的数据结构。
继续检索id = 7的数据，哈希算法首先计算存储 id=7 的数据的物理地址 addr=hash(7)=4231，而 4231 映射的物理地址是 0x77，0x77 就是 id=7 存储的数据的物理地址，通过该独立地址可以找到对应 user_name='g'这个数据。这就是哈希算法快速检索数据的计算过程。
但是哈希算法有个数据碰撞的问题，也就是哈希函数可能对不同的 key 会计算出同一个结果，比如 hash(7)可能跟 hash(199)计算出来的结果一样，也就是不同的 key 映射到同一个结果了，这就是碰撞问题。解决碰撞问题的一个常见处理方式就是链地址法，即用链表把碰撞的数据接连起来。计算哈希值之后，还需要检查该哈希值是否存在碰撞数据链表，有则一直遍历到链表尾，直达找到真正的 key 对应的数据为止。
从算法时间复杂度分析来看，哈希算法时间复杂度为 O（1），检索速度非常快。比如查找 id=7 的数据，哈希索引只需要计算一次就可以获取到对应的数据，检索速度非常快。但是 Mysql 并没有采取哈希作为其底层算法，这是为什么呢？
因为考虑到数据检索有一个常用手段就是范围查找，一个简单的思路就是一次把所有数据找出来加载到内存，然后再在内存里筛选筛选目标范围内的数据。但是这个范围查找的方法也太笨重了，没有一点效率而言。
所以，使用哈希算法实现的索引虽然可以做到快速检索数据，但是没办法做数据高效范围查找，因此哈希索引是不适合作为 Mysql 的底层索引的数据结构。
3. 二叉查找树(BST)
二叉查找树的时间复杂度是 O(lgn)。此外二叉树的结构可以解决哈希索引不能提供的范围查找功能，二叉树的叶子节点都是按序排列的，从左到右依次升序排列，如果我们需要找 id>5 的数据，那我们取出节点为 6 的节点以及其右子树就可以了，范围查找也算是比较容易实现。
但是普通的二叉查找树有个致命缺点：极端情况下会退化为线性链表，二分查找也会退化为遍历查找，时间复杂退化为 O（N），检索性能急剧下降。比如以下这个情况，二叉树已经极度不平衡了，已经退化为链表了，检索速度大大降低。此时检索 id=4 的数据的所需要计算的次数已经变为 4 了。
1
2
3
4
4. AVL和红黑树
二叉查找树存在不平衡问题，因此学者提出通过树节点的自动旋转和调整，让二叉树始终保持基本平衡的状态，就能保持二叉查找树的最佳查找性能了。基于这种思路的自调整平衡状态的二叉树有 AVL 树和红黑树。
首先简单介绍红黑树，这是一颗会自动调整树形态的树结构，比如当二叉树处于一个不平衡状态时，红黑树就会自动左旋右旋节点以及节点变色，调整树的形态，使其保持基本的平衡状态（时间复杂度为 O（logn）），也就保证了查找效率不会明显减低。比如从 1 到 7 升序插入数据节点，如果是普通的二叉查找树则会退化成链表，但是红黑树则会不断调整树的形态，使其保持基本平衡状态。
红黑树拥有不错的平均查找效率，也不存在极端的 O(n)情况，那红黑树作为 Mysql 底层索引实现是否可以呢？其实红黑树也存在一些问题，观察下面这个例子。
红黑树顺序插入 1~7 个节点，查找 id=7 时需要计算的节点数为 4。
红黑树顺序插入 1~16 个节点，查找 id=16 需要比较的节点数为 6 次。观察一下这个树的形态，是不是当数据是顺序插入时，树的形态一直处于“右倾”的趋势呢？从根本上上看，红黑树并没有完全解决二叉查找树虽然这个“右倾”趋势远没有二叉查找树退化为线性链表那么夸张，但是数据库中的基本主键自增操作，主键一般都是数百万数千万的，如果红黑树存在这种问题，对于查找性能而言也是巨大的消耗，我们数据库不可能忍受这种无意义的等待的。
现在考虑另一种更为严格的自平衡二叉树 AVL 树。因为 AVL 树是个绝对平衡的二叉树，因此他在调整二叉树的形态上消耗的性能会更多。
AVL 树顺序插入 1~7 个节点，查找 id=7 所要比较节点的次数为 3。
AVL 树顺序插入 1~16 个节点，查找 id=16 需要比较的节点数为 4。从查找效率而言，AVL 树查找的速度要高于红黑树的查找效率（AVL 树是 4 次比较，红黑树是 6 次比较）。从树的形态看来，AVL 树不存在红黑树的“右倾”问题。也就是说，大量的顺序插入不会导致查询性能的降低，这从根本上解决了红黑树的问题。
总结一下 AVL 树的优点：
- 不错的查找性能（O（logn）），不存在极端的低效查找的情况。
- 可以实现范围查找、数据排序。
看起来 AVL 树作为数据查找的数据结构确实很不错，但是 AVL 树并不适合做 Mysql 数据库的索引数据结构，因为考虑一下这个问题：
数据库查询数据的瓶颈在于磁盘 IO，如果使用的是 AVL 树，我们每一个树节点只存储了一个数据，我们一次磁盘 IO 只能取出来一个节点上的数据加载到内存里，那比如查询 id=7 这个数据我们就要进行磁盘 IO 三次，这是多么消耗时间的。所以我们设计数据库索引时需要首先考虑怎么尽可能减少磁盘 IO 的次数。
磁盘 IO 有个特点，就是从磁盘读取 1B 数据和 1KB 数据所消耗的时间是基本一样的，我们就可以根据这个思路，我们可以在一个树节点上尽可能多地存储数据，一次磁盘 IO 就多加载点数据到内存，这就是B 树，B+树的的设计原理了。
5. B树
下面这个 B 树，每个节点限制最多存储两个 key，一个节点如果超过两个 key 就会自动分裂。比如下面这个存储了 7 个数据 B 树，只需要查询两个节点就可以知道 id=7 这数据的具体位置，也就是两次磁盘 IO 就可以查询到指定数据，优于 AVL 树。
考虑到磁盘 IO 读一个数据和读 100 个数据消耗的时间基本一致，那我们的优化思路就可以改为：
尽可能在一次磁盘 IO 中多读一点数据到内存。这个直接反映到树的结构就是，每个节点能存储的 key 可以适当增加。
当我们把单个节点限制的 key 个数设置为 6 之后，一个存储了 7 个数据的 B 树，查询 id=7 这个数据所要进行的磁盘 IO 为 2 次。
数据库索引数据结构的选型而言，B 树是一个很不错的选择。总结来说，B 树用作数据库索引有以下优点：
- 优秀检索速度，时间复杂度：B 树的查找性能等于 O（h*logn），其中 h 为树高，n 为每个节点关键词的个数；
- 尽可能少的磁盘 IO，加快了检索速度；
- 可以支持范围查找。
6. B+树
B树和B+树的区别：
第一，B 树一个节点里存的是数据，而 B+树存储的是索引（地址），所以 B 树里一个节点存不了很多个数据，但是 B+树一个节点能存很多索引，B+树叶子节点存所有的数据。
第二，B+树的叶子节点是数据阶段用了一个链表串联起来，便于范围查找。
通过 B 树和 B+树的对比我们看出，B+树节点存储的是索引，在单个节点存储容量有限的情况下，单节点也能存储大量索引，使得整个 B+树高度降低，减少了磁盘 IO。其次，B+树的叶子节点是真正数据存储的地方，叶子节点用了链表连接起来，这个链表本身就是有序的，在数据范围查找时，更具备效率。因此 Mysql 的索引用的就是 B+树，B+树在查找效率、范围查找中都有着非常不错的性能。
