MySQL排序原理与案例分析

前言
      排序是数据库中的一个基本功能，MySQL也不例外。用户通过Order by语句即能达到将指定的结果集排序的目的，其实不仅仅是Order by语句，Group by语句，Distinct语句都会隐含使用排序。本文首先会简单介绍SQL如何利用索引避免排序代价，然后会介绍MySQL实现排序的内部原理，并介绍与排序相关的参数，最后会给出几个“奇怪”排序例子，来谈谈排序一致性问题，并说明产生现象的本质原因。

一、排序优化与索引使用     

为了优化SQL语句的排序性能，最好的情况是避免排序，合理利用索引是一个不错的方法。因为索引本身也是有序的，如果在需要排序的字段上面建立了合适的索引，那么就可以跳过排序的过程，提高SQL的查询速度。下面我通过一些典型的SQL来说明哪些SQL可以利用索引减少排序，哪些SQL不能。假设t1表存在索引key1(key_part1,key_part2),key2(key2)

a.可以利用索引避免排序的SQL

SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1,key_part2;
SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 = constant ORDER BY key_part2;
SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 > constant ORDER BY key_part1 ASC;
SELECT * FROM t1 WHERE key_part1 = constant1 AND key_part2 > constant2 ORDER BY key_part2；

b.不能利用索引避免排序的SQL

//排序字段在多个索引中，无法使用索引排序
SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1,key_part2, key2;
 
//排序键顺序与索引中列顺序不一致，无法使用索引排序
SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part2, key_part1;
 
//升降序不一致，无法使用索引排序
SELECT * FROM t1 ORDER BY key_part1 DESC, key_part2 ASC;
 
//key_part1是范围查询，key_part2无法使用索引排序
SELECT * FROM t1 WHERE key_part1> constant ORDER BY key_part2；

二、排序模式

对于不能利用索引避免排序的SQL，数据库不得不自己实现排序功能以满足用户需求，此时SQL的执行计划中会出现“Using filesort”，这里需要注意的是filesort并不意味着就是文件排序，其实也有可能是内存排序，这个主要由sort_buffer_size参数与结果集大小确定。

MySQL内部实现排序主要有四种模式。

摘录5.7.13中sql/filesort.cc源码如下：

  Opt_trace_object(trace, "filesort_summary")
    .add("rows", num_rows)
    .add("examined_rows", param.examined_rows)
    .add("number_of_tmp_files", num_chunks)
    .add("sort_buffer_size", table_sort.sort_buffer_size())
    .add_alnum("sort_mode",
               param.using_packed_addons() ?
               "<sort_key, packed_additional_fields>" :
               param.using_addon_fields() ?
               "<sort_key, additional_fields>" : "<sort_key, rowid>");

< sort_key, rowid >”和“< sort_key, additional_fields >看过其他介绍介绍MySQL排序文章的同学应该比较清楚，< sort_key, packed_additional_fields >相对较新。

• < sort_key, rowid >对应的是MySQL 4.1之前的“常规排序模式”
• < sort_key, additional_fields >对应的是MySQL 4.1以后引入的“优化排序模式”
• < sort_key, packed_additional_fields >是MySQL 5.7.3以后引入的进一步优化的”打包数据排序模式”
• 除上述三种之外，再介绍一个“优先队列排序”：
  • 相对于优化排序模式，是否还有优化空间呢？5.6版本针对Order by limit M，N语句，在空间层面做了优化，加入了一种新的排序方式--优先队列，这种方式采用堆排序实现。堆排序算法特征正好可以解limit M，N 这类排序的问题，虽然仍然需要所有元素参与排序，但是只需要M+N个元组的sort buffer空间即可，对于M，N很小的场景，基本不会因为sort buffer不够而导致需要临时文件进行归并排序的问题。对于升序，采用大顶堆，最终堆中的元素组成了最小的N个元素，对于降序，采用小顶堆，最终堆中的元素组成了最大的N的元素。

假设表结构和SQL语句如下：

CREATE TABLE t1(id int, col1 varchar(64), col2 varchar(64), col3 varchar(64), PRIMARY KEY(id),key(col1,col2));
SELECT col1,col2,col3 FROM t1 WHERE col1>100 ORDER BY col2;

2.1.常规排序模式
(1).从表t1中获取满足WHERE条件的记录
(2).对于每条记录，将记录的主键+排序键(id,col2)取出放入sort buffer
(3).如果sort buffer可以存放所有满足条件的(id,col2)对，则进行排序；否则sort buffer满后，进行排序并固化到临时文件中。(排序算法采用的是快速排序算法)
(4).若排序中产生了临时文件，需要利用磁盘外部排序，将row id写入到结果文件中；
(5).循环执行上述过程，直到所有满足条件的记录全部参与排序
(6).根据结果文件中的row id按序读取用户需要返回的数据，扫描排好序的(id,col2)对，并利用id去捞取SELECT需要返回的列(col1,col2,col3)

(7).将获取的结果集返回给用户。
      从上述流程来看，是否使用文件排序主要看sort buffer是否能容下需要排序的(id,col2)对，这个buffer的大小由sort_buffer_size参数控制。此外一次排序需要两次IO，一次是捞(id,col2),第二次是捞(col1,col2,col3)，由于返回的结果集是按col2排序，因此id是乱序的，通过乱序的id去捞(col1,col2,col3)时会产生大量的随机IO。对于第二次MySQL本身一个优化，即在捞之前首先将id排序，并放入缓冲区，这个缓存区大小由参数read_rnd_buffer_size控制，然后有序去捞记录，将随机IO转为顺序IO。

2.2.优化排序模式
　　常规排序方式除了排序本身，还需要额外两次IO。优化的排序方式相对于常规排序，减少了第二次IO。主要区别在于，放入sort buffer不是(id,col2),而是(col1,col2,col3)。由于sort buffer中包含了查询需要的所有字段，因此排序完成后可以直接返回，无需二次捞数据。这种方式的代价在于，同样大小的sort buffer，能存放的(col1,col2,col3)数目要小于(id,col2)，如果sort buffer不够大，可能导致需要写临时文件，造成额外的IO。当然MySQL提供了参数max_length_for_sort_data，只有当排序元组小于max_length_for_sort_data时，才能利用优化排序方式，否则只能用常规排序方式。

2.3.打包数据排序模式

　　打包数据排序模式的改进仅仅在于将char和varchar字段存到sort buffer中时，更加紧缩。

在之前的两种模式中，存储了“yes”3个字符的定义为VARCHAR(255)的列会在内存中申请255个字符内存空间，但是5.7.3改进后，只需要存储2个字节的字段长度和3个字符内存空间（用于保存”yes”这三个字符）就够了，内存空间整整压缩了50多倍,可以让更多的键值对保存在sort buffer中。

2.4.优先队列排序
　　为了得到最终的排序结果，无论怎样，我们都需要将所有满足条件的记录进行排序才能返回。那么相对于优化排序方式，是否还有优化空间呢？5.6版本针对Order by limit M，N语句，在空间层面做了优化，加入了一种新的排序方式--优先队列，这种方式采用堆排序实现。堆排序算法特征正好可以解limit M，N 这类排序的问题，虽然仍然需要所有元素参与排序，但是只需要M+N个元组的sort buffer空间即可，对于M，N很小的场景，基本不会因为sort buffer不够而导致需要临时文件进行归并排序的问题。对于升序，采用大顶堆，最终堆中的元素组成了最小的N个元素，对于降序，采用小顶堆，最终堆中的元素组成了最大的N的元素。

2.5.前三种模式比较

　　第二种模式是第一种模式的改进，避免了二次回表，采用的是用空间换时间的方法。但是由于sort_buffer就那么大，如果用户要查询的数据非常大的话，很多时间浪费在多次磁盘外部排序，导致更多的IO操作，效率可能还不如第一种方式。

所以，MySQL给用户提供了一个max_length_for_sort_data的参数。当“排序的键值对大小” > max_length_for_sort_data时，MySQL认为磁盘外部排序的IO效率不如回表的效率，会选择第一种排序模式；反之，会选择第二种不回表的模式。

第三种模式主要是解决变长字符数据存储空间浪费的问题，对于实际数据不多，字段定义较长的改进效果会更加明显。

很多文章写到这里可能就差不多了，但是大家忘记关注一个问题了：“如果排序的数据不能完全放在sort buffer内存里面，是怎么通过外部排序完成整个排序过程的呢？”

要解决这个问题，我们首先需要简单查看一下外部排序到底是怎么做的。

三、外部排序

3.1 普通外部排序

3.1.1 两路外部排序

我们先来看一下最简单，最普遍的两路外部排序算法。

假设内存只有100M，但是排序的数据有900M，那么对应的外部排序算法如下：

1. 从要排序的900M数据中读取100MB数据到内存中，并按照传统的内部排序算法（快速排序）进行排序；
2. 将排序好的数据写入磁盘；
3. 重复1，2两步，直到每个100MB chunk大小排序好的数据都被写入磁盘；
4. 每次读取排序好的chunk中前10MB（= 100MB / (9 chunks + 1)）数据，一共9个chunk需要90MB，剩下的10MB作为输出缓存；
5. 对这些数据进行一个“9路归并”，并将结果写入输出缓存。如果输出缓存满了，则直接写入最终排序结果文件并清空输出缓存；如果9个10MB的输入缓存空了，从对应的文件再读10MB的数据，直到读完整个文件。最终输出的排序结果文件就是900MB排好序的数据了。

3.1.2 多路外部排序

上述排序算法是一个两路排序算法（先排序，后归并）。但是这种算法有一个问题，假设要排序的数据是50GB而内存只有100MB，那么每次从500个排序好的分片中取200KB（100MB / 501 约等于200KB）就是很多个随机IO。效率非常慢，对应可以这样来改进：

1. 从要排序的50GB数据中读取100MB数据到内存中，并按照传统的内部排序算法（快速排序）进行排序；
2. 将排序好的数据写入磁盘；
3. 重复1，2两步，直到每个100MB chunk大小排序好的数据都被写入磁盘；
4. 每次取25个分片进行归并排序，这样就形成了20个（500/25=20）更大的2.5GB有序的文件；
5. 对这20个2.5GB的有序文件进行归并排序，形成最终排序结果文件。

对应的数据量更大的情况可以进行更多次归并。

3.2 MySQL外部排序

3.2.1 MySQL外部排序算法

那MySQL使用的外部排序是怎么样的列，我们以回表排序模式为例：

1. 根据索引或者全表扫描，按照过滤条件获得需要查询的数据；

2. 将要排序的列值和row ID组成键值对，存入sort buffer中；

3. 如果sort buffer内存大于这些键值对的内存，就不需要创建临时文件了。否则，每次sort buffer填满以后，需要直接用qsort(快速排序模式)在内存中排好序，作为一个block写到临时文件中。跟正常的外部排序写到多个文件中不一样，MySQL只会写到一个临时文件中，并通过保存文件偏移量的方式来模拟多个文件归并排序；

4. 重复上述步骤，直到所有的行数据都正常读取了完成；

5. 每MERGEBUFF (7) 个block抽取一批数据进行排序，归并排序到另外一个临时文件中，直到所有的数据都排序好到新的临时文件中；

6. 重复以上归并排序过程，直到剩下不到MERGEBUFF2 (15)个block。

   通俗一点解释： 
   第一次循环中，一个block对应一个sort buffer（大小为sort_buffer_size）排序好的数据；每7个做一个归并。 
   第二次循环中，一个block对应MERGEBUFF (7) 个sort buffer的数据，每7个做一个归并。 
   … 
   直到所有的block数量小于MERGEBUFF2 (15)。

7. 最后一轮循环，仅将row ID写入到结果文件中；

8. 根据结果文件中的row ID按序读取用户需要返回的数据。为了进一步优化性能，MySQL会读一批row ID，并将读到的数据按排序字段要求插入缓存区中(内存大小read_rnd_buffer_size)。

这里我们需要注意的是：

1. MySQL把外部排序好的分片写入同一个文件中，通过保存文件偏移量的方式来区别各个分片位置；
2. MySQL每MERGEBUFF (7)个分片做一个归并，最终分片数达到MERGEBUFF2 (15)时，做最后一次归并。这两个值都写死在代码中了……

3.2.2 sort_merge_passes

MySQL手册中对Sort_merge_passes的描述只有一句话

 Sort_merge_passes
The number of merge passes that the sort algorithm has had to do. If this value is large, you should consider increasing the value of the sort_buffer_size system variable.

这段话并没有把sort_merge_passes到底是什么，该值比较大时说明了什么，通过什么方式可以缓解这个问题。

我们把上面MySQL的外部排序算法搞清楚了，这个问题就清楚了。

其实sort_merge_passes对应的就是MySQL做归并排序的次数，也就是说，如果sort_merge_passes值比较大，说明sort_buffer和要排序的数据差距越大，我们可以通过增大sort_buffer_size或者让填入sort_buffer_size的键值对更小来缓解sort_merge_passes归并排序的次数。

对应的，我们可以在源码中看到证据。

上述MySQL外部排序的算法中第5到第7步，是通过sql/filesort.cc文件中merge_many_buff()函数来实现，第5步单次归并使用merge_buffers()实现，源码摘录如下：

int merge_many_buff(Sort_param *param, Sort_buffer sort_buffer,
                    Merge_chunk_array chunk_array,
                    size_t *p_num_chunks, IO_CACHE *t_file)
{
...

    for (i=0 ; i < num_chunks - MERGEBUFF * 3 / 2 ; i+= MERGEBUFF)
    {
      if (merge_buffers(param,                  // param
                        from_file,              // from_file
                        to_file,                // to_file
                        sort_buffer,            // sort_buffer
                        last_chunk++,           // last_chunk [out]
                        Merge_chunk_array(&chunk_array[i], MERGEBUFF),
                        0))                     // flag
      goto cleanup;
    }
    if (merge_buffers(param,
                      from_file,
                      to_file,
                      sort_buffer,
                      last_chunk++,
                      Merge_chunk_array(&chunk_array[i], num_chunks - i),
                      0))
      break;                                    /* purecov: inspected */
...
}

截取部分merge_buffers()的代码如下，

int merge_buffers(Sort_param *param, IO_CACHE *from_file,
                  IO_CACHE *to_file, Sort_buffer sort_buffer,
                  Merge_chunk *last_chunk,
                  Merge_chunk_array chunk_array,
                  int flag)
{
...
  current_thd->inc_status_sort_merge_passes();
...
}

可以看到：每个merge_buffers()都会增加sort_merge_passes，也就是说每一次对MERGEBUFF (7)个block归并排序都会让sort_merge_passes加一，sort_merge_passes越多表示排序的数据太多，需要多次merge pass。解决的方案无非就是缩减要排序数据的大小或者增加sort_buffer_size。

打个小广告，在我们的qmonitor中就有sort_merge_pass的性能指标和参数值过大的报警设置。

四、排序不一致问题案例

4.1.案例1
Mysql从5.5迁移到5.6以后，发现分页出现了重复值。
测试表与数据：

create table t1(id int primary key, c1 int, c2 varchar(128));
insert into t1 values(1,1,'a');
insert into t1 values(2,2,'b');
insert into t1 values(3,2,'c');
insert into t1 values(4,2,'d');
insert into t1 values(5,3,'e');
insert into t1 values(6,4,'f');
insert into t1 values(7,5,'g');

假设每页3条记录，第一页limit 0,3和第二页limit 3,3查询结果如下：

我们可以看到 id为4的这条记录居然同时出现在两次查询中，这明显是不符合预期的，而且在5.5版本中没有这个问题。产生这个现象的原因就是5.6针对limit M,N的语句采用了优先队列，而优先队列采用堆实现，比如上述的例子order by c1 asc limit 0，3 需要采用大小为3的大顶堆；limit 3，3需要采用大小为6的大顶堆。由于c1为2的记录有3条，而堆排序是非稳定的(对于相同的key值，无法保证排序后与排序前的位置一致)，所以导致分页重复的现象。为了避免这个问题，我们可以在排序中加上唯一值，比如主键id，这样由于id是唯一的，确保参与排序的key值不相同。将SQL写成如下：

select * from t1 order by c1,id asc limit 0,3;
select * from t1 order by c1,id asc limit 3,3;

4.2.案例2

两个类似的查询语句，除了返回列不同，其它都相同，但排序的结果不一致。
测试表与数据：

create table t2(id int primary key, status int, c1 varchar(255),c2 varchar(255),c3 varchar(255),key(c1));
insert into t2 values(7,1,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(6,2,'b',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(5,2,'c',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(4,2,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(3,3,'b',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(2,4,'c',repeat('a',255),repeat('a',255));
insert into t2 values(1,5,'a',repeat('a',255),repeat('a',255));

分别执行SQL语句：

select id,status,c1,c2 from t2 force index(c1) where c1>='b' order by status;
select id,status from t2 force index(c1) where c1>='b' order by status;

执行结果如下：

看看两者的执行计划是否相同

    为了说明问题，我在语句中加了force index的hint，确保能走上c1列索引。语句通过c1列索引捞取id，然后去表中捞取返回的列。根据c1列值的大小，记录在c1索引中的相对位置如下：

(c1,id)===(b,6),(b,3),(c,5),(c,2)，对应的status值分别为2 3 2 4。从表中捞取数据并按status排序，则相对位置变为(6,2,b),(5,2,c),(3,3,c),(2,4,c)，这就是第二条语句查询返回的结果，那么为什么第一条查询语句(6,2,b),(5,2,c)是调换顺序的呢？这里要看我之前提到的a.常规排序和b.优化排序中标红的部分，就可以明白原因了。由于第一条查询返回的列的字节数超过了max_length_for_sort_data，导致排序采用的是常规排序，而在这种情况下MYSQL将rowid排序，将随机IO转为顺序IO，所以返回的是5在前，6在后；而第二条查询采用的是优化排序，没有第二次捞取数据的过程，保持了排序后记录的相对位置。对于第一条语句，若想采用优化排序，我们将max_length_for_sort_data设置调大即可，比如2048。

转自：

https://www.cnblogs.com/cchust/p/5304594.html

http://geek.csdn.net/news/detail/105891