聊聊order by rand()

总结写在前面:

1. 不建议直接使用order by rand(),原因是执行代价比较大

2. 介绍了内存临时表,对于内存临时表,由于回表不需要访问磁盘,所以往往是用rowid排序,可以减少参与排序字段

3. 介绍了磁盘临时表,当临时表大小超过了 tmp_table_size的时候,就会使用磁盘存储。

4. 介绍了优先队列排序算法,该算法内使用了最大堆的思想,当排序时需要维护的堆的大小比sort_buffer_size小的时候(维护的堆大小往往跟需要取出的行数和排序字段相关),会使用该算法,否则会使用归并排序算法,借助临时文件排序。

 

现有一个需求:从一个单词表中随机选出三个单词。

先创建一张单词表,并且插入10000条数据

mysql> CREATE TABLE `words` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `word` varchar(64) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=0;
  while i<10000 do
    insert into words(word) values(concat(char(97+(i div 1000)), char(97+(i % 1000 div 100)), char(97+(i % 100 div 10)), char(97+(i % 10))));
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;

call idata();

 

接下来,我们一起探讨下要随机选择 3 个单词,有什么方法实现,存在什么问题以及如何改进。

 

内存临时表

首先,我们用 order by rand() 来实现这个逻辑。

mysql> select word from words order by rand() limit 3;

意思很直白,随机排序取前 3 个。这个 SQL 语句写法很简单,但执行流程却有点复杂的。

 

用 explain 命令来看看这个语句的执行情况。

 

 

Extra 字段显示 Using temporary,表示的是需要使用临时表;Using filesort,表示的是需要执行排序操作。

意思就是,需要临时表,并且需要在临时表上排序。

 

那么对于临时内存表的排序来说,它会选择哪一种算法呢?

在 orderby工作机制 里说过对于 InnoDB 表来说,执行全字段排序会减少磁盘访问,因此会被优先选择。

 

这里强调“InnoDB 表”,但对于内存表,回表过程只是简单地根据数据行的位置,直接访问内存得到数据,根本不会导致多访问磁盘。

优化器没有了这一层顾虑,那么它会优先考虑的,就是用于排序的行越小越好了,所以,MySQL 这时就会选择 rowid 排序。

接着看看语句的执行流程,尝试分析一下语句的扫描行数:

1. 创建一个临时表。这个临时表使用的是 memory 引擎,表里有两个字段,第一个字段是 double 类型,为了后面描述方便,记为字段 R,第二个字段是 varchar(64) 类型,记为字段 W。并且,这个表没有建索引。

2. 从 words 表中,按主键顺序取出所有的 word 值。对于每一个 word 值,调用 rand() 函数生成一个大于 0 小于 1 的随机小数,并把这个随机小数和 word 分别存入临时表的 R 和 W 字段中,到此,扫描行数是 10000。

3. 现在临时表有 10000 行数据了,接下来要在这个没有索引的内存临时表上,按照字段 R 排序。

4. 初始化 sort_buffer。sort_buffer 中有两个字段,一个是 double 类型,另一个是整型。

5. 从内存临时表中一行一行地取出 R 值和位置信息(后面会解释这里为什么是“位置信息”),分别存入 sort_buffer 中的两个字段里。这个过程要对内存临时表做全表扫描,此时扫描行数增加 10000,变成了 20000。

6. 在 sort_buffer 中根据 R 的值进行排序。注意,这个过程没有涉及到表操作,所以不会增加扫描行数。

7. 排序完成后,取出前三个结果的位置信息,依次到内存临时表中取出 word 值,返回给客户端。这个过程中,访问了表的三行数据,总扫描行数变成了 20003。

 

通过慢查询日志(slow log)可以验证我们分析得到的扫描行数是否正确。

# Query_time: 0.900376  Lock_time: 0.000347 Rows_sent: 3 Rows_examined: 20003
SET timestamp=1541402277;
select word from words order by rand() limit 3;

其中,Rows_examined:20003 就表示这个语句执行过程中扫描了 20003 行,也就验证了我们分析得出的结论。

 

下面解释下“位置信息”。

先提个问题 : MySQL 的表是用什么方法来定位“一行数据”的? 主键?如果把主键删了呢?

简单解答如下:

如果创建的表没有主键,或者把一个表的主键删掉了,那么 InnoDB 会自己生成一个长度为 6 字节的 rowid 来作为主键。

这也是排序模式里面,rowid 名字的来历。实际上它表示的是:每个引擎用来唯一标识数据行的信息。

  • 对于有主键的 InnoDB 表来说,这个 rowid 就是主键 ID;
  • 对于没有主键的 InnoDB 表来说,这个 rowid 就是由系统生成的;
  • MEMORY 引擎不是索引组织表。在这个例子里面,你可以认为它就是一个数组。因此,这个 rowid 其实就是数组的下标。

有主键,位置信息就是主键;没主键,位置信息就是rowid

 

磁盘临时表

不是所有的临时表都是内存表。tmp_table_size 这个配置限制了内存临时表的大小,默认值是 16M。

如果临时表大小超过了 tmp_table_size,那么内存临时表就会转成磁盘临时表。

 

磁盘临时表使用的引擎默认是 InnoDB,是由参数 internal_tmp_disk_storage_engine 控制的。

当使用磁盘临时表的时候,对应的就是一个没有显式索引的 InnoDB 表的排序过程。

为了复现这个过程,把 tmp_table_size 设置成 1024,把 sort_buffer_size 设置成 32768, 把 max_length_for_sort_data 设置成 16。

set tmp_table_size=1024;
set sort_buffer_size=32768;
set max_length_for_sort_data=16;
/* 打开 optimizer_trace,只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on'; 

/* 执行语句 */
select word from words order by rand() limit 3;

/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G

 

然后,我们来看一下这次 OPTIMIZER_TRACE 的结果。

 

sort_mode 里面显示的是 rowid 排序,这个是符合预期的,因为将 max_length_for_sort_data 设置成 16,小于 word 字段的长度定义,参与排序的是随机值 R 字段和 rowid 字段组成的行。

 

但是number_of_tmp_files 的值居然是 0,难道不需要用临时文件吗?R 字段存放的随机值就 8 个字节,rowid 是 6 个字节(至于为什么是 6 字节,就留给你课后思考吧),数据总行数是 10000,这样算出来就有 140000 字节,超过了 sort_buffer_size 定义的 32768 字节了。感觉不太对。

 

但实际上这个 SQL 语句的排序确实没有用到临时文件,采用是 MySQL 5.6 版本引入的一个新的排序算法,即:优先队列排序算法。接下来,我们就看看为什么没有使用临时文件的算法,也就是归并排序算法,而是采用了优先队列排序算法。

 

我们现在的 SQL 语句,其实只需要取 R 值最小的 3 个 rowid。使用归并排序算法的话,虽然最终也能得到前 3 个值,但其实已经将 10000 行数据都排好序了。浪费了非常多的计算量。

而优先队列算法,就可以精确地只得到三个最小值,执行流程如下:

 

1. 对于这 10000 个准备排序的 (R,rowid),先取前三行,构造成一个堆;(对数据结构印象模糊的同学,可以先设想成这是一个由三个元素组成的数组)

2. 取下一个行 (R’,rowid’),跟当前堆里面最大的 R 比较,如果 R’小于 R,把这个 (R,rowid) 从堆中去掉,换成 (R’,rowid’);

3. 重复第 2 步,直到第 10000 个 (R’,rowid’) 完成比较。

 

整个排序过程中,为了最快地拿到当前堆的最大值,总是保持最大值在堆顶,因此这是一个最大堆【这也保证了新加入的(R’,rowid’)会跟堆里另外两个排序,最终选出最小的三个】。

OPTIMIZER_TRACE 结果中,filesort_priority_queue_optimization 这个部分的 chosen=true,就表示使用了优先队列排序算法,这个过程不需要临时文件,因此对应的 number_of_tmp_files 是 0。

 

这个流程结束后,我们构造的堆里面,就是这个 10000 行里面 R 值最小的三行。然后,依次把它们的 rowid 取出来,去临时表里面拿到 word 字段。

我们再看一下 orderby工作机制 文章的 SQL 查询语句:

select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000  ;

这里也用到了 limit,为什么没用优先队列排序算法呢?

原因是,这条 SQL 语句是 limit 1000,如果使用优先队列算法的话,需要维护的堆的大小就是 1000 行的 (name,rowid),超过了设置的 sort_buffer_size 大小,所以只能使用归并排序算法。

 

可以看到,不论是使用哪种类型的临时表,order by rand() 这种写法都会让计算过程非常复杂,需要大量的扫描行数,因此排序过程的资源消耗也会很大。

posted @ 2020-03-18 11:59  钺览IT  阅读(216)  评论(0编辑  收藏