PostgreSQL 数据库NULL值的默认排序行为与查询、索引定义规范

背景

在数据库中NULL值是指UNKNOWN的值，不存储任何值，在排序时，它排在有值的行前面还是后面通过语法来指定。

例如

-- 表示null排在有值行的前面  
select * from tbl order by id nulls first;  
  
-- 表示null排在有值行的后面  
select * from tbl order by id nulls last;  

同时对于有值行，可以指定顺序排还是倒序排。

-- 表示按ID列顺序排  
select * from tbl order by id [asc];  
  
-- 表示按ID列倒序排  
select * from tbl order by id desc;  

默认的排序规则如下：

desc nulls first : null large small    
  
asc nulls last : small large null    

当nulls [first|last]与asc|desc组合起来用时，是这样的。

值的顺序如下：

1、DEFAULT:（认为NULL比任意值都大）

desc nulls first : 顺序：null large small    
  
asc nulls last   : 顺序：small large null    

2、NON DEFAULT: （认为NULL比任意值都小）

desc nulls last : 顺序：large small null       
  
asc nulls first : 顺序：null small large       

由于索引是固定的，当输入排序条件时，如果排序条件与索引的排序规则不匹配时，会导致无法使用索引的实惠（顺序扫描）。导致一些不必要的麻烦。

索引定义与扫描定义不一致引发的问题

1、建表，输入测试数据

create table cc(id int not null);  
  
insert into cc select generate_series(1,1000000);  

2、建立索引（使用非默认配置，null比任意值小）

create index idx_cc on cc (id asc nulls first);  
  
或  
  
create index idx_cc on cc (id desc nulls last);  

3、查询，与索引定义的顺序（指NULL的相对位置）不一致时，即使使用索引，也需要重新SORT。

select * from table order by id desc nulls first limit 1;   
select * from table order by id [asc] nulls last limit 1;   

用到了额外的SORT

postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id limit 1;  
                                                                 QUERY PLAN                                                                    
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Limit  (cost=27969.43..27969.43 rows=1 width=4) (actual time=263.972..263.972 rows=1 loops=1)  
   Output: id  
   Buffers: shared hit=7160  
   ->  Sort  (cost=27969.43..30469.43 rows=1000000 width=4) (actual time=263.970..263.970 rows=1 loops=1)  
         Output: id  
         Sort Key: cc.id  
         Sort Method: top-N heapsort  Memory: 25kB  
         Buffers: shared hit=7160  
         ->  Bitmap Heap Scan on public.cc  (cost=8544.42..22969.42 rows=1000000 width=4) (actual time=29.927..148.733 rows=1000000 loops=1)  
               Output: id  
               Heap Blocks: exact=4425  
               Buffers: shared hit=7160  
               ->  Bitmap Index Scan on idx_cc  (cost=0.00..8294.42 rows=1000000 width=0) (actual time=29.380..29.380 rows=1000000 loops=1)  
                     Buffers: shared hit=2735  
 Planning time: 0.098 ms  
 Execution time: 264.009 ms  
(16 rows)  

3、查询，与索引定义一致（指NULL的相对位置）时，索引有效，不需要额外SORT。

select * from table order by id desc nulls last limit 1;   
select * from table order by id [asc] nulls first limit 1;   

不需要额外SORT

postgres=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers) select * from cc order by id nulls first limit 1;  
                                                              QUERY PLAN                                                                 
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
 Limit  (cost=0.42..0.45 rows=1 width=4) (actual time=0.014..0.014 rows=1 loops=1)  
   Output: id  
   Buffers: shared hit=4  
   ->  Index Only Scan using idx_cc on public.cc  (cost=0.42..22719.62 rows=1000000 width=4) (actual time=0.013..0.013 rows=1 loops=1)  
         Output: id  
         Heap Fetches: 1  
         Buffers: shared hit=4  
 Planning time: 0.026 ms  
 Execution time: 0.022 ms  
(9 rows)  

小结

在PostgreSQL中顺序、倒序索引是通用的。不同的是null的相对位置。

因此在创建索引时，务必与业务的需求对齐，使用一致的NULL相对顺序(nulls first 或 nulls last 与asc,desc的搭配)（即NULL挨着large value还是small value），而至于值的asc, desc实际上是无所谓的。

如果业务需求的顺序与索引的顺序不一致（指null的相对顺序），那么会导致索引需要全扫，重新SORT的问题。

内核改进

1、当约束设置了not null时，应该可以不care null的相对位置，因为都没有NULL值了，优化器应该可以不管NULL的相对位置是否与业务请求的SQL的一致性，都选择非Sort模式扫描。

2、改进索引扫描方法，支持环形扫描。

参考：
https://github.com/digoal/blog/blob/master/201711/20171111_02.md

注：

• 如果创建索引时，没有指定null的内容，但where条件部分又使用到了null的排序，那么要将asc|desc 与 last|first对应好，默认对应的操作是：

desc nulls first : null large small    
  
asc nulls last : small large null    

在没有指定null的索引中，按照上面方法对应好即可。
下面是几个测试：

swrd=# d cc
       Table "swrd.cc"
 Column |  Type   | Modifiers 
--------+---------+-----------
 id     | integer | not null
Indexes:
    "cc_id_idx" btree (id)
swrd=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers)  select * from cc order by id  desc nulls first;
                                                                    QUERY PLAN                                                                     
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Index Only Scan Backward using cc_id_idx on swrd.cc  (cost=0.42..30408.42 rows=1000000 width=4) (actual time=0.044..297.796 rows=1000000 loops=1)
   Output: id
   Heap Fetches: 1000000
   Buffers: shared hit=7159 read=1
 Planning time: 0.113 ms
 Execution time: 387.645 ms
(6 rows)

Time: 388.438 ms
swrd=# explain (analyze,verbose,timing,costs,buffers)  select * from cc order by id  desc nulls last;
                                                       QUERY PLAN                                                        
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Sort  (cost=127757.34..130257.34 rows=1000000 width=4) (actual time=666.996..926.348 rows=1000000 loops=1)
   Output: id
   Sort Key: cc.id DESC NULLS LAST
   Sort Method: external merge  Disk: 13640kB
   Buffers: shared hit=4425, temp read=2334 written=2334
   ->  Seq Scan on swrd.cc  (cost=0.00..14425.00 rows=1000000 width=4) (actual time=0.020..147.384 rows=1000000 loops=1)
         Output: id
         Buffers: shared hit=4425
 Planning time: 0.110 ms
 Execution time: 1027.649 ms
(10 rows)

会发现默认使用没有配置null的索引，但是在where条件中使用到了null，如果不是按照默认的对应顺序使用，则数据库会额外排序，无法使用到索引本身的排序功能。

• 而对于在创建索引时，指定了null选项，则在where条件中和索引指定的null一致即可。