【PHP】一次group by+order by 性能优化分析

Myth丶恋晨 2022-12-10 10:23 215阅读 0赞

最近通过一个日志表做排行的时候发现特别卡，最后问题得到了解决，梳理一些索引和MySQL执行过程的经验，但是最后还是有**5个谜题没解开**，希望大家帮忙解答下

**主要包含如下知识点**

*  用数据说话证明慢日志的扫描行数到底是如何统计出来的
 *  从 group by 执行原理找出优化方案
 *  排序的实现细节
 *  gdb 源码调试
 *  ## 10年架构师领你架构-成长之路-（附面试题（含答案）） ##
    
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## 背景 ##

需要分别统计本月、本周被访问的文章的 TOP10。日志表如下

CREATE TABLE `article_rank` (
      `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
      `aid` int(11) unsigned NOT NULL,
      `pv` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '1',
      `day` int(11) NOT NULL COMMENT '日期 例如 20171016',
      PRIMARY KEY (`id`),
      KEY `idx_day_aid_pv` (`day`,`aid`,`pv`),
      KEY `idx_aid_day_pv` (`aid`,`day`,`pv`)
    ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8

## 准备工作 ##

为了能够清晰的验证自己的一些猜想，在虚拟机里安装了一个 debug 版的 mysql，然后开启了慢日志收集，用于统计扫描行数

### 安装 ###

*  下载源码
 *  编译安装
 *  创建 mysql 用户
 *  初始化数据库
 *  初始化 mysql 配置文件
 *  修改密码

> 如果你兴趣，具体可以参考我的博客，一步步安装  [https://mengkang.net/1335.html][https_mengkang.net_1335.html]

### 开启慢日志 ###

编辑配置文件，在`[mysqld]`块下添加

slow_query_log=1
    slow_query_log_file=xxx
    long_query_time=0
    log_queries_not_using_indexes=1

## 性能分析 ##

### 发现问题 ###

假如我需要查询`2018-12-20` ~ `2018-12-24`这5天浏览量最大的10篇文章的 sql 如下，首先使用`explain`看下分析结果

系统默认会走的索引是`idx_day_aid_pv`，根据`Extra`信息我们可以看到，使用`idx_day_aid_pv`索引的时候，会走覆盖索引，但是会使用临时表，会有排序。

我们查看下慢日志里的记录信息

# Time: 2019-03-17T03:02:27.984091Z
    # User@Host: root[root] @ localhost []  Id:     6
    # Query_time: 56.959484  Lock_time: 0.000195 Rows_sent: 10  Rows_examined: 1337315
    SET timestamp=1552791747;
    select aid,sum(pv) as num from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

## 为什么扫描行数是 1337315 ##

我们查询两个数据，一个是满足条件的行数，一个是`group by`统计之后的行数。

mysql> select count(*) from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224;
    +----------+
    | count(*) |
    +----------+
    |   785102 |
    +----------+
    
    mysql> select count(distinct aid) from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224;
    +---------------------+
    | count(distinct aid) |
    +---------------------+
    |              552203 |
    +---------------------+

发现`满足条件的总行数（785102）`\+`group by 之后的总行数（552203）`\+`limit 的值` = `慢日志里统计的 Rows_examined`。

要解答这个问题，就必须搞清楚上面这个 sql 到底分别都是如何运行的。

### 执行流程分析 ###

索引示例

为了便于理解，我按照索引的规则先模拟`idx_day_aid_pv`索引的一小部分数据

因为索引`idx_day_aid_pv`最左列是`day`，所以当我们需要查找`20181220`~`20181224`之间的文章的pv总和的时候，我们需要遍历`20181220`~`20181224`这段数据的索引。

查看 optimizer trace 信息

# 开启 optimizer_trace
    set optimizer_trace='enabled=on';
    # 执行 sql 
    select aid,sum(pv) as num from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;
    # 查看 trace 信息
    select trace from `information_schema`.`optimizer_trace`\G;

摘取里面最后的执行结果如下

{
      "join_execution": {
        "select#": 1,
        "steps": [
          {
            "creating_tmp_table": {
              "tmp_table_info": {
                "table": "intermediate_tmp_table",
                "row_length": 20,
                "key_length": 4,
                "unique_constraint": false,
                "location": "memory (heap)",
                "row_limit_estimate": 838860
              }
            }
          },
          {
            "converting_tmp_table_to_ondisk": {
              "cause": "memory_table_size_exceeded",
              "tmp_table_info": {
                "table": "intermediate_tmp_table",
                "row_length": 20,
                "key_length": 4,
                "unique_constraint": false,
                "location": "disk (InnoDB)",
                "record_format": "fixed"
              }
            }
          },
          {
            "filesort_information": [
              {
                "direction": "desc",
                "table": "intermediate_tmp_table",
                "field": "num"
              }
            ],
            "filesort_priority_queue_optimization": {
              "limit": 10,
              "rows_estimate": 1057,
              "row_size": 36,
              "memory_available": 262144,
              "chosen": true
            },
            "filesort_execution": [
            ],
            "filesort_summary": {
              "rows": 11,
              "examined_rows": 552203,
              "number_of_tmp_files": 0,
              "sort_buffer_size": 488,
              "sort_mode": "<sort_key, additional_fields>"
            }
          }
        ]
      }
    }

分析临时表字段

> mysql gdb 调试更多细节  [https://mengkang.net/1336.html][https_mengkang.net_1336.html]

通过`gdb`调试确认临时表上的字段是`aid`和`num`

Breakpoint 1, trace_tmp_table (trace=0x7eff94003088, table=0x7eff94937200) at /root/newdb/mysql-server/sql/sql_tmp_table.cc:2306
    warning: Source file is more recent than executable.
    2306      trace_tmp.add("row_length",table->s->reclength).
    (gdb) p table->s->reclength
    $1 = 20
    (gdb) p table->s->fields
    $2 = 2
    (gdb) p (*(table->field+0))->field_name
    $3 = 0x7eff94010b0c "aid"
    (gdb) p (*(table->field+1))->field_name
    $4 = 0x7eff94007518 "num"
    (gdb) p (*(table->field+0))->row_pack_length()
    $5 = 4
    (gdb) p (*(table->field+1))->row_pack_length()
    $6 = 15
    (gdb) p (*(table->field+0))->type()
    $7 = MYSQL_TYPE_LONG
    (gdb) p (*(table->field+1))->type()
    $8 = MYSQL_TYPE_NEWDECIMAL
    (gdb)

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通过上面的打印，确认了字段类型，一个`aid`是`MYSQL_TYPE_LONG`，占`4`字节，`num`是`MYSQL_TYPE_NEWDECIMAL`，占15字节。

> The SUM() and AVG() functions return a DECIMAL value for exact-value arguments (integer or DECIMAL), and a DOUBLE value for approximate-value arguments (FLOAT or DOUBLE). (Before MySQL 5.0.3, SUM() and AVG() return DOUBLE for all numeric arguments.)

但是通过我们上面打印信息可以看到两个字段的长度加起来是`19`，而`optimizer_trace`里的`tmp_table_info.reclength`是`20`。通过其他实验也发现`table->s->reclength`的长度就是`table->field`数组里面所有字段的字段长度和再加1。

总结执行流程

1.  尝试在堆上使用`memory`的内存临时表来存放`group by`的数据，发现内存不够；
2.  创建一张临时表，临时表上有两个字段，`aid`和`num`字段（`sum(pv) as num`）；
3.  从索引`idx_day_aid_pv`中取出1行，插入临时表。插入规则是如果`aid`不存在则直接插入，如果存在，则把`pv`的值累加在`num`上；
4.  循环遍历索引`idx_day_aid_pv`上`20181220`~`20181224`之间的所有行，执行步骤3；
5.  对临时表根据`num`的值做优先队列排序；
6.  取出最后留在堆（优先队列的堆）里面的10行数据，作为结果集直接返回，不需要再回表；

> **补充说明优先队列排序执行步骤分析：**

1.  在临时表（未排序）中取出前 10 行，把其中的`num`和`aid`作为10个元素构成一个小顶堆，也就是最小的 num 在堆顶。
2.  取下一行，根据 num 的值和堆顶值作比较，如果该字大于堆顶的值，则替换掉。然后将新的堆做堆排序。
3.  重复步骤2直到第 552203 行比较完成。

## 优化 ##

### 方案1 使用 idx\_aid\_day\_pv 索引 ###

# Query_time: 4.406927  Lock_time: 0.000200 Rows_sent: 10  Rows_examined: 1337315
    SET timestamp=1552791804;
    select aid,sum(pv) as num from article_rank force index(idx_aid_day_pv) where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

扫描行数都是`1337315`，为什么执行消耗的时间上快了`12`倍呢？

索引示例

为了便于理解，同样我也按照索引的规则先模拟`idx_aid_day_pv`索引的一小部分数据

group by 不需要临时表的情况

为什么性能上比 SQL1 高了，很多呢，原因之一是`idx_aid_day_pv`索引上`aid`是确定有序的，那么执行`group by`的时候，则不会创建临时表，排序的时候才需要临时表。如果印证这一点呢，我们通过下面的执行计划就能看到

使用`idx_day_aid_pv`索引的效果：

注意我上面使用了`order by null`表示强制对`group by`的结果不做排序。如果不加`order by null`，上面的 sql 则会出现`Using filesort`

使用`idx_aid_day_pv`索引的效果：

查看 optimizer trace 信息

# 开启optimizer_trace
    set optimizer_trace='enabled=on';
    # 执行 sql 
    select aid,sum(pv) as num from article_rank force index(idx_aid_day_pv) where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;
    # 查看 trace 信息
    select trace from `information_schema`.`optimizer_trace`\G;

摘取里面最后的执行结果如下

{
      "join_execution": {
        "select#": 1,
        "steps": [
          {
            "creating_tmp_table": {
              "tmp_table_info": {
                "table": "intermediate_tmp_table",
                "row_length": 20,
                "key_length": 0,
                "unique_constraint": false,
                "location": "memory (heap)",
                "row_limit_estimate": 838860
              }
            }
          },
          {
            "filesort_information": [
              {
                "direction": "desc",
                "table": "intermediate_tmp_table",
                "field": "num"
              }
            ],
            "filesort_priority_queue_optimization": {
              "limit": 10,
              "rows_estimate": 552213,
              "row_size": 24,
              "memory_available": 262144,
              "chosen": true
            },
            "filesort_execution": [
            ],
            "filesort_summary": {
              "rows": 11,
              "examined_rows": 552203,
              "number_of_tmp_files": 0,
              "sort_buffer_size": 352,
              "sort_mode": "<sort_key, rowid>"
            }
          }
        ]
      }
    }

执行流程如下

1.  创建一张临时表，临时表上有两个字段，`aid`和`num`字段（`sum(pv) as num`）；
2.  读取索引`idx_aid_day_pv`中的一行，然后查看是否满足条件，如果`day`字段不在条件范围内（`20181220`~`20181224`之间），则读取下一行；如果`day`字段在条件范围内，则把`pv`值累加（不是在临时表中操作）；
3.  读取索引`idx_aid_day_pv`中的下一行，如果`aid`与步骤1中一致且满足条件，则`pv`值累加（不是在临时表中操作）。如果`aid`与步骤1中不一致，则把之前的结果集写入临时表；
4.  循环执行步骤2、3，直到扫描完整个`idx_aid_day_pv`索引；
5.  对临时表根据`num`的值做优先队列排序；
6.  根据查询到的前10条的`rowid`回表（临时表）返回结果集。

> **补充说明优先队列排序执行步骤分析：**

1.  在临时表（未排序）中取出前 10 行，把其中的`num`和`rowid`作为10个元素构成一个小顶堆，也就是最小的 num 在堆顶。
2.  取下一行，根据 num 的值和堆顶值作比较，如果该字大于堆顶的值，则替换掉。然后将新的堆做堆排序。
3.  重复步骤2直到第 552203 行比较完成。
4.  ## 大厂2000道面试题（含答案） ##
    
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该方案可行性

实验发现，当我增加一行`20181219`的数据时，虽然这行记录不满足我们的需求，但是扫描索引的也会读取这行。因为我做这个实验，只弄了`20181220`~`20181224`5天的数据，所以需要扫描的行数正好是全表数据行数。

那么如果该表的数据存储的不是5天的数据，而是10天的数据呢，更或者是365天的数据呢？这个方案是否还可行呢？先模拟10天的数据，在现有时间基础上往后加5天，行数与现在一样`785102`行。

drop procedure if exists idata;
    delimiter ;;
    create procedure idata()
    begin
      declare i int;
      declare aid int;
      declare pv int;
      declare post_day int;
      set i=1;
      while(i<=785102)do
        set aid = round(rand()*500000);
        set pv = round(rand()*100);
        set post_day = 20181225 + i%5;
        insert into article_rank (`aid`,`pv`,`day`) values(aid, pv, post_day);
        set i=i+1;
      end while;
    end;;
    delimiter ;
    call idata();

# Query_time: 9.151270  Lock_time: 0.000508 Rows_sent: 10  Rows_examined: 2122417
    SET timestamp=1552889936;
    select aid,sum(pv) as num from article_rank force index(idx_aid_day_pv) where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

这里扫描行数`2122417`是因为扫描索引的时候需要遍历整个索引，整个索引的行数就是全表行数，因为我刚刚又插入了`785102`行。

当我数据量翻倍之后，这里查询时间明显已经翻倍。所以这个优化方式不稳定。

### 方案2 扩充临时表空间上限大小 ###

默认的临时表空间大小是16MB

mysql> show global variables like '%table_size';
    +---------------------+----------+
    | Variable_name       | Value    |
    +---------------------+----------+
    | max_heap_table_size | 16777216 |
    | tmp_table_size      | 16777216 |
    +---------------------+----------+

> [https://dev.mysql.com/doc/ref...][https_dev.mysql.com_doc_ref...]  
> [https://dev.mysql.com/doc/ref...][https_dev.mysql.com_doc_ref... 1]
> 
> max\_heap\_table\_size  
> This variable sets the maximum size to which user-created MEMORY tables are permitted to grow. The value of the variable is used to calculate MEMORY table MAX\_ROWS values. Setting this variable has no effect on any existing MEMORY table, unless the table is re-created with a statement such as CREATE TABLE or altered with ALTER TABLE or TRUNCATE TABLE. A server restart also sets the maximum size of existing MEMORY tables to the global max\_heap\_table\_size value.
> 
> tmp\_table\_size  
> The maximum size of internal in-memory temporary tables. This variable does not apply to user-created MEMORY tables.  
> The actual limit is determined from whichever of the values of tmp\_table\_size and max\_heap\_table\_size is smaller. If an in-memory temporary table exceeds the limit, MySQL automatically converts it to an on-disk temporary table. The internal\_tmp\_disk\_storage\_engine option defines the storage engine used for on-disk temporary tables.

也就是说这里临时表的限制是`16M`，`max_heap_table_size`大小也受`tmp_table_size`大小的限制。

所以我们这里调整为`32MB`，然后执行原始的SQL

set tmp_table_size=33554432;
    set max_heap_table_size=33554432;

# Query_time: 5.910553  Lock_time: 0.000210 Rows_sent: 10  Rows_examined: 1337315
    SET timestamp=1552803869;
    select aid,sum(pv) as num from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

### 方案3 使用 SQL\_BIG\_RESULT 优化 ###

告诉优化器，查询结果比较多，临时表直接走磁盘存储。

# Query_time: 6.144315  Lock_time: 0.000183 Rows_sent: 10  Rows_examined: 2122417
    SET timestamp=1552802804;
    select SQL_BIG_RESULT aid,sum(pv) as num from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

扫描行数是 `2`x`满足条件的总行数（785102）`\+`group by 之后的总行数（552203）`\+`limit 的值`。

**顺便值得一提的是：** 当我把数据量翻倍之后，使用该方式，查询时间基本没变。因为扫描的行数还是不变的。实际测试耗时`6.197484`

## 总结 ##

方案1优化效果不稳定，当总表数据量与查询范围的总数相同时，且不超出内存临时表大小限制时，性能达到最佳。当查询数据量占据总表数据量越大，优化效果越不明显；  
方案2需要调整临时表内存的大小，可行；不过当数据库超过`32MB`时，如果使用该方式，还需要继续提升临时表大小；  
方案3直接声明使用磁盘来放临时表，虽然扫描行数多了一次符合条件的总行数的扫描。但是整体响应时间比方案2就慢了`0.1`秒。因为我们这里数据量比较，我觉得这个时间差还能接受。

所以最后对比，选择方案3比较合适。

## 问题与困惑 ##

# SQL1
    select aid,sum(pv) as num from article_rank where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;
    # SQL2
    select aid,sum(pv) as num from article_rank force index(idx_aid_day_pv) where day>=20181220 and day<=20181224 group by aid order by num desc limit 10;

1.  SQL1 执行过程中，使用的是全字段排序最后不需要回表为什么总扫描行数还要加上10才对得上？
2.  SQL1 与 SQL2 `group by`之后得到的行数都是`552203`，为什么会出现 SQL1 内存不够，里面还有哪些细节呢？
3.  trace 信息里的`creating_tmp_table.tmp_table_info.row_limit_estimate`都是`838860`；计算由来是临时表的内存限制大小`16MB`，而一行需要占的空间是20字节，那么最多只能容纳`floor(16777216/20) = 838860`行，而实际我们需要放入临时表的行数是`785102`。为什么呢？
4.  SQL1 使用`SQL_BIG_RESULT`优化之后，原始表需要扫描的行数会乘以2，背后逻辑是什么呢？为什么仅仅是不再尝试往内存临时表里写入这一步会相差10多倍的性能？
5.  通过源码看到 trace 信息里面很多扫描行数都不是实际的行数，既然是实际执行，为什么 trace 信息里不输出真实的扫描行数和容量等呢，比如`filesort_priority_queue_optimization.rows_estimate`在SQL1中的扫描行数我通过gdb看到计算规则如附录图 1
6.  有没有工具能够统计 SQL 执行过程中的 I/O 次数？

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[T3-T4_PHP_2]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/228865461
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[https_mengkang.net_1335.html]: https://mengkang.net/1335.html
[https_mengkang.net_1336.html]: https://mengkang.net/1336.html
[1000_10_PHP_30K]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/161960302
[PHP_20-25K]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/202873171
[https_dev.mysql.com_doc_ref...]: https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/server-system-variables.html#sysvar_max_heap_table_size
[https_dev.mysql.com_doc_ref... 1]: https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/server-system-variables.html#sysvar_tmp_table_size
[Link 2]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//jq.qq.com/%3F_wv%3D1027%26k%3DyOkYf3CR