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MySQL join 语句执行算法

发表于 分类于 阅读次数： Valine：
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在实际生产中，关于 join 语句使用的问题，一般会集中在以下两类：

  1. 我们 DBA 不让使用 join，使用 join 有什么问题呢？
  2. 如果有两个大小不同的表做 join，应该用哪个表做驱动表呢？

我就先跟你说说 join 语句到底是怎么执行的，然后再来回答这两个问题。为了便于量化分析，我还是创建两个表 t1 和 t2 来和你说明。

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CREATE TABLE `t2` (
    `id` int(11) NOT NULL,
    `a` int(11) DEFAULT NULL,
    `b` int(11) DEFAULT NULL,
    PRIMARY KEY (`id`),
    KEY `a` (`a`)
) ENGINE=InnoDB;

drop procedure idata;
delimiter ;;
create procedure idata()
begin
 declare i int;
 set i=1;
 while(i<=1000)do
 insert into t2 values(i, i, i);
 set i=i+1;
 end while;
end;;
delimiter ;
call idata();

create table t1 like t2;
insert into t1 (select * from t2 where id<=100);

可以看到，这两个表都有一个主键索引 id 和一个索引 a，字段 b 上无索引。存储过程 idata() 往表 t2 里插入了 1000 行数据，在表 t1 里插入的是 100 行数据。

1 Index Nested-Loop Join

我们来看一下这个语句：

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select * from t1 straight_join t2 on (t1.a = t2.a);

如果直接使用 join 语句，MySQL 优化器可能会选择表 t1 或 t2 作为驱动表，这样会影响我们分析 SQL 语句的执行过程。所以，为了便于分析执行过程中的性能问题，我改用 straight_join 让 MySQL 使用固定的连接方式执行查询，这样优化器只会按照我们指定的方式去 join。在这个语句里，t1 是驱动表，t2 是被驱动表。

现在，我们来看一下这条语句的 explain 结果。

图 1 使用索引字段 join 的 explain 结果

可以看到，在这条语句里，被驱动表 t2 的字段 a 上有索引，join 过程用上了这个索引，因此这个语句的执行流程是这样的：

  1. 从表 t1 中读入一行数据 R；
  2. 从数据行 R 中，取出 a 字段到表 t2 里去查找；
  3. 取出表 t2 中满足条件的行，跟 R 组成一行，作为结果集的一部分；
  4. 重复执行步骤 1 到 3，直到表 t1 的末尾循环结束。

这个过程是先遍历表 t1，然后根据从表 t1 中取出的每行数据中的 a 值，去表 t2 中查找满足条件的记录。在形式上，这个过程就跟我们写程序时的嵌套查询类似，并且可以用上被驱动表的索引，所以我们称之为“Index Nested-Loop Join”，简称 NLJ。

它对应的流程图如下所示:

图 2 Index Nested-Loop Join 算法的执行流程

在这个流程里：

  1. 对驱动表 t1 做了全表扫描，这个过程需要扫描 100 行；
  2. 而对于每一行 R，根据 a 字段去表 t2 查找，走的是树搜索过程。由于我们构造的数据都是一一对应的，因此每次的搜索过程都只扫描一行，也是总共扫描 100 行；
  3. 所以，整个执行流程，总扫描行数是 200。

现在我们知道了这个过程，再试着回答一下文章开头的两个问题。先看第一个问题：能不能使用 join?

假设不使用 join，那我们就只能用单表查询。我们看看上面这条语句的需求，用单表查询怎么实现。

  1. 执行 select * from t1，查出表 t1 的所有数据，这里有 100 行；
  2. 循环遍历这 100 行数据：从每一行 R 取出字段 a 的值 $R.a；执行 select * from t2 where a=$R.a；把返回的结果和 R 构成结果集的一行。

可以看到，在这个查询过程，也是扫描了 200 行，但是总共执行了 101 条语句，比直接 join 多了 100 次交互。除此之外，客户端还要自己拼接 SQL 语句和结果。显然，这么做还不如直接 join 好。

我们再来看看第二个问题：怎么选择驱动表？

在这个 join 语句执行过程中，驱动表是走全表扫描，而被驱动表是走树搜索。假设被驱动表的行数是 M。每次在被驱动表查一行数据，要先搜索索引 a，再搜索主键索引。每次搜索一棵树近似复杂度是以 2 为底的 M 的对数，记为 log M，所以在被驱动表上查一行的时间复杂度是 2*log M。

假设驱动表的行数是 N，执行过程就要扫描驱动表 N 行，然后对于每一行，到被驱动表上匹配一次。因此整个执行过程，近似复杂度是 N + N2log M。显然，N 对扫描行数的影响更大，因此应该让小表来做驱动表。

到这里小结一下，通过上面的分析我们得到了两个结论：

  1. 使用 join 语句，性能比强行拆成多个单表执行 SQL 语句的性能要好；
  2. 如果使用 join 语句的话，需要让小表做驱动表。

但是，你需要注意，这个结论的前提是“可以使用被驱动表的索引”。接下来，我们再看看被驱动表用不上索引的情况。

2 Simple Nested-Loop Join

现在，我们把 SQL 语句改成这样：

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select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

由于表 t2 的字段 b 上没有索引，因此再用图 2 的执行流程时，每次到 t2 去匹配的时候，就要做一次全表扫描。你可以先设想一下这个问题，继续使用图 2 的算法，是不是可以得到正确的结果呢？如果只看结果的话，这个算法是正确的，而且这个算法也有一个名字，叫做 “Simple Nested Loop Join”。

但是，这样算来，这个 SQL 请求就要扫描表 t2 多达 100 次，总共扫描 100*1000=10 万行。这还只是两个小表，如果 t1 和 t2 都是 10 万行的表（当然了，这也还是属于小表的范围），就要扫描 100 亿行，这个算法看上去太“笨重”了。当然，MySQL 也没有使用这个 Simple Nested-Loop Join 算法，而是使用了另一个叫作“Block Nested-Loop Join”的算法，简称 BNL。

3 Block Nested-Loop Join

这时候，被驱动表上没有可用的索引，算法的流程是这样的：

  1. 把表 t1 的数据读入线程内存 join_buffer 中，由于我们这个语句中写的是 select *，因此是把整个表 t1 放入了内存；
  2. 扫描表 t2，把表 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回。

这个过程的流程图如下：

图 3 Block Nested-Loop Join 算法的执行流程

对应地，这条 SQL 语句的 explain 结果如下所示：

图 4 不使用索引字段 join 的 explain 结果

可以看到，在这个过程中，对表 t1 和 t2 都做了一次全表扫描，因此总的扫描行数是 1100。由于 join_buffer 是以无序数组的方式组织的，因此对表 t2 中的每一行，都要做100 次判断，总共需要在内存中做的判断次数是：100*1000=10 万次。

前面我们说过，如果使用 Simple Nested-Loop Join 算法进行查询，扫描行数也是 10 万行。因此，从时间复杂度上来说，这两个算法是一样的。但是，Block Nested-Loop Join 算法的这 10 万次判断是内存操作，速度上会快很多，性能也更好。

假设小表的行数是 N，大表的行数是 M，那么在这个算法里：

  1. 两个表都做一次全表扫描，所以总的扫描行数是 M+N；
  2. 内存中的判断次数是 M*N。

可以看到，调换这两个算式中的 M 和 N 没差别，因此这时候选择大表还是小表做驱动表，执行耗时是一样的。然后，你可能马上就会问了，这个例子里表 t1 才 100 行，要是表 t1 是一个大表， join_buffer 放不下怎么办呢？

join_buffer 的大小是由参数 join_buffer_size 设定的，默认值是 256k。如果放不下表 t1 的所有数据话，策略很简单，就是分段放。我把 join_buffer_size 改成 1200，再执行：

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select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

执行过程就变成了：

  1. 扫描表 t1，顺序读取数据行放入 join_buffer 中，放完第 88 行 join_buffer 满了，继续第 2 步；
  2. 扫描表 t2，把 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回；
  3. 清空 join_buffer；
  4. 继续扫描表 t1，顺序读取最后的 12 行数据放入 join_buffer 中，继续执行第 2 步。

执行流程图也就变成这样：

图 5 Block Nested-Loop Join -- 两段

图中的步骤 4 和 5，表示清空 join_buffer 再复用。这个流程才体现出了这个算法名字中“Block”的由来，表示“分块去 join”。

可以看到，这时候由于表 t1 被分成了两次放入 join_buffer 中，导致表 t2 会被扫描两次。 虽然分成两次放入 join_buffer，但是判断等值条件的次数还是不变的，依然是 (88+12)*1000=10 万次。

我们再来看下，在这种情况下驱动表的选择问题。假设，驱动表的数据行数是 N，需要分 K 段才能完成算法流程，被驱动表的数据行数是 M。注意，这里的 K 不是常数，N 越大 K 就会越大，因此把 K 表示为λ*N，显然λ的取值范围 是 (0,1)。所以，在这个算法的执行过程中：

  1. 扫描行数是 N+λ*N*M；
  2. 内存判断 N*M 次。

显然，内存判断次数是不受选择哪个表作为驱动表影响的。而考虑到扫描行数，在 M 和 N 大小确定的情况下，N 小一些，整个算式的结果会更小。所以结论是，应该让小表当驱动表。当然，你会发现，在 N+λ*N*M 这个式子里，λ才是影响扫描行数的关键因素，这个值越小越好。

刚刚我们说了 N 越大，分段数 K 越大。那么，N 固定的时候，什么参数会影响 K 的大小呢？（也就是λ的大小）答案是 join_buffer_size。join_buffer_size 越大，一次可以放入的行越多，分成的段数也就越少，对被驱动表的全表扫描次数就越少。

这就是为什么，你可能会看到一些建议告诉你，如果你的 join 语句很慢，就把 join_buffer_size 改大。理解了 MySQL 执行 join 的两种算法，现在我们再来试着回答文章开头的两个问题。

第一个问题：能不能使用 join 语句？

  1. 如果可以使用 Index Nested-Loop Join 算法，也就是说可以用上被驱动表上的索引， 其实是没问题的；
  2. 如果使用 Block Nested-Loop Join 算法，扫描行数就会过多。尤其是在大表上的 join 操作，这样可能要扫描被驱动表很多次，会占用大量的系统资源。所以这种 join 尽量不要用。

所以你在判断要不要使用 join 语句时，就是看 explain 结果里面，Extra 字段里面有没有出现“Block Nested Loop”字样。

第二个问题是：如果要使用 join，应该选择大表做驱动表还是选择小表做驱动表？很显然，这个问题的结论就是，总是应该使用小表做驱动表。

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