10 组合索引：用好，性能提升 10 倍！

在前两讲中，我带你学习了索引的数据结构和索引组织表，相信你应该掌握了怎么在 MySQL 数据库中创建索引以及一些基本的使用技巧。

当然，前两讲我举的例子都是基于一个列进行索引排序和使用，比较简单。在实际业务中，我们会遇到很多复杂的场景，比如对多个列进行查询。这时，可能会要求用户创建多个列组成的索引，如列 a 和 b 创建的组合索引，但究竟是创建（a，b）的索引，还是（b，a）的索引，结果却是完全不同的。

这一讲，我们就来学习更贴近业务实战的组合索引的创建与使用。希望学完这一讲之后，你能在自己的业务中用好组合索引，进一步提升系统的性能。

组合索引

组合索引（Compound Index）是指由多个列所组合而成的 B+树索引，这和我们之前介绍的B+ 树索引的原理完全一样，只是之前是对一个列排序，现在是对多个列排序。

组合索引既可以是主键索引，也可以是二级索引，下图显示的是一个二级组合索引：

Drawing 0.png

组合索引的 B+ 树结构

从上图可以看到，组合索引只是排序的键值从 1 个变成了多个，本质还是一颗 B+ 树索引。但是你一定要意识到（a，b）和（b，a）这样的组合索引，其排序结果是完全不一样的。而索引的字段变多了，设计上更容易出问题，如：

Drawing 2.png

对组合索引（a，b）来说，因为其对列 a、b 做了排序，所以它可以对下面两个查询进行优化：

SELECT * FROM table WHERE a = ?

SELECT * FROM table WHERE a = ？ AND b = ？

上述 SQL 查询中，WHERE 后查询列 a 和 b 的顺序无关，即使先写 b = ? AND a = ？依然可以使用组合索引（a，b）。

但是下面的 SQL 无法使用组合索引（a，b），因为（a，b）排序并不能推出（b，a）排序：

SELECT * FROM table WHERE b = ?

此外，同样由于索引（a，b）已排序，因此下面这条 SQL 依然可以使用组合索引（a，b），以此提升查询的效率：

SELECT * FROM table WHERE a = ？ ORDER BY b DESC

同样的原因，索引（a，b）排序不能得出（b，a）排序，因此下面的 SQL 无法使用组合索引（a，b）：

SELECT * FROM table WHERE b = ？ ORDER BY a DESC

讲到这儿，我已经带你学习了组合索引的基本内容，接下来我们就看一看怎么在业务实战中正确地设计组合索引？

业务索引设计实战

避免额外排序

在真实的业务场景中，你会遇到根据某个列进行查询，然后按照时间排序的方式逆序展示。

比如在微博业务中，用户的微博展示的就是根据用户 ID 查询出用户订阅的微博，然后根据时间逆序展示；又比如在电商业务中，用户订单详情页就是根据用户 ID 查询出用户的订单数据，然后根据购买时间进行逆序展示。

Drawing 3.png

上图是 05 节中的淘宝订单详情，根据时间进行了逆序展示。

接着我们用 TPC-H 定义的一组测试表，来展示索引相关示例的展示（TPC-H 定义的库请关注公众号 InsideMySQL，并回复 tpch，获得库表的下载链接）。

TPC-H 是美国交易处理效能委员会( TPC：Transaction Processing Performance Council ) 组织制定的，用来模拟决策支持类应用的一个测试集的规范定义，其模拟的就是一个类似电商业务，看一下其对核心业务表 rders 的设计：

CREATE TABLE `orders` (

  `O_ORDERKEY` int NOT NULL,

  `O_CUSTKEY` int NOT NULL,

  `O_ORDERSTATUS` char(1) NOT NULL,

  `O_TOTALPRICE` decimal(15,2) NOT NULL,

  `O_ORDERDATE` date NOT NULL,

  `O_ORDERPRIORITY` char(15) NOT NULL,

  `O_CLERK` char(15) NOT NULL,

  `O_SHIPPRIORITY` int NOT NULL,

  `O_COMMENT` varchar(79) NOT NULL,

  PRIMARY KEY (`O_ORDERKEY`),

  KEY `ORDERS_FK1` (`O_CUSTKEY`),

  CONSTRAINT `orders_ibfk_1` FOREIGN KEY (`O_CUSTKEY`) REFERENCES `customer` (`C_CUSTKEY`)

) ENGINE=InnoDB DEFAULT

其中：

字段 o_orderkey 是 INT 类型的主键；
字段 o_custkey 是一个关联字段，关联表 customer；
字段 o_orderdate、o_orderstatus、o_totalprice、o_orderpriority 用于描述订单的基本详情，分别表示下单的时间、当前订单的状态、订单的总价、订单的优先级。

在有了上述订单表后，当用户查看自己的订单信息，并且需要根据订单时间排序查询时，可通过下面的 SQL：

SELECT * FROM orders 

WHERE o_custkey = 147601 ORDER BY o_orderdate DESC

但由于上述表结构的索引设计时，索引 ORDERS_FK1 仅对列 O_CUSTKEY 排序，因此在取出用户 147601 的数据后，还需要一次额外的排序才能得到结果，可通过命令EXPLAIN验证：

EXPLAIN SELECT * FROM orders

WHERE o_custkey = 147601 ORDER BY o_orderdate DESC 

*************************** 1. row ***************************

           id: 1

  select_type: SIMPLE

        table: orders

   partitions: NULL

         type: ref

possible_keys: ORDERS_FK1

          key: ORDERS_FK1

      key_len: 4

          ref: const

         rows: 19

     filtered: 100.00

        Extra: Using filesort

1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

在上面的命令 EXPLAIN 输出结果中可以看到，SQL 语句的确可以使用索引 ORDERS_FK1，但在 Extra 列中显示的 Using filesort，表示还需要一次额外的排序才能得到最终的结果。

在 MySQL 8.0 版本中，通过命令 EXPLAIN 的额外选项，FORMAT=tree，观察得更为明确：

EXPLAIN FORMAT=tree 

SELECT * FROM orders

WHERE o_custkey = 147601 ORDER BY o_orderdate DESC 

*************************** 1. row ***************************

EXPLAIN: -> Sort: orders.O_ORDERDATE DESC  (cost=18.98 rows=19)

    -> Index lookup on orders using ORDERS_FK1 (O_CUSTKEY=147601)

可以看到，上述 SQL 的执行计划显示进行 Index lookup 索引查询，然后进行 Sort 排序，最终得到结果。

由于已对列 o_custky 创建索引，因此上述 SQL 语句并不会执行得特别慢，但是在海量的并发业务访问下，每次 SQL 执行都需要排序就会对业务的性能产生非常明显的影响，比如 CPU 负载变高，QPS 降低。

要解决这个问题，最好的方法是：在取出结果时已经根据字段 o_orderdate 排序，这样就不用额外的排序了。

为此，我们在表 orders 上创建新的组合索引 idx_custkey_orderdate，对字段（o_custkey，o_orderdate）进行索引：

ALTER TABLE orders ADD INDEX 

idx_custkey_orderdate(o_custkey,o_orderdate);

这时再进行之前的 SQL，根据时间展示用户的订单信息，其执行计划为：

EXPLAIN FORMAT=tree 

SELECT * FROM orders

WHERE o_custkey = 147601 ORDER BY o_orderdate 

*************************** 1. row ***************************

EXPLAIN: -> Index lookup on orders using idx_custkey_orderdate (O_CUSTKEY=147601)  (cost=6.65 rows=19)

可以看到，这时优化器使用了我们新建的索引 idx_custkey_orderdate，而且没有了 Sort 排序第二个过程。

避免回表，性能提升10倍

在 09 讲中，我已经讲了回表的概念：即 SQL 需要通过二级索引查询得到主键值，然后再根据主键值搜索主键索引，最后定位到完整的数据。

但是由于二级组合索引的叶子节点，包含索引键值和主键值，若查询的字段在二级索引的叶子节点中，则可直接返回结果，无需回表。这种通过组合索引避免回表的优化技术也称为索引覆盖（Covering Index）。

如下面的SQL语句：

EXPLAIN 

SELECT o_custkey,o_orderdate,o_totalprice 

FROM orders WHERE o_custkey = 147601\G

*************************** 1. row ***************************

           id: 1

  select_type: SIMPLE

        table: orders

   partitions: NULL

         type: ref

possible_keys:

idx_custkey_orderdate,ORDERS_FK1

          key: idx_custkey_orderdate

      key_len: 4

          ref: const

         rows: 19

     filtered: 100.00

        Extra: NULL

执行计划显示上述SQL会使用到之前新创建的组合索引 idx_custkey_orderdate，但是，由于组合索引的叶子节点只包含（o_custkey，o_orderdate，_orderid），没有字段 o_totalprice 的值，所以需要通过 o_orderkey 回表找到对应的 o_totalprice。

再通过 EXPLAIN 的额外选项 FORMAT=tree，查看上述 SQL 的执行成本：

EXPLAIN FORMAT=tree 

SELECT o_custkey,o_orderdate,o_totalprice 

FROM orders WHERE o_custkey = 147601\G

*************************** 1. row ***************************

EXPLAIN: -> Index lookup on orders using idx_custkey_orderdate (O_CUSTKEY=147601)  (cost=6.65 rows=19)

cost=6.65 表示的就是这条 SQL 当前的执行成本。不用关心 cost 的具体单位，你只需明白cost 越小，开销越小，执行速度越快。

如果想要避免回表，可以通过索引覆盖技术，创建(o_custkey，o_orderdate，o_totalprice）的组合索引，如：

ALTER TABLE `orders` ADD INDEX

idx_custkey_orderdate_totalprice(o_custkey,o_orderdate,o_totalprice);

然后再次通过命令 EXPLAIN 观察执行计划：

EXPLAIN 

SELECT o_custkey,o_orderdate,o_totalprice 

FROM orders WHERE o_custkey = 147601\G

*************************** 1. row ***************************

           id: 1

  select_type: SIMPLE

        table: orders

   partitions: NULL

         type: ref

possible_keys:

idx_custkey_orderdate,ORDERS_FK1,idx_custkey_orderdate_totalprice

          key: idx_custkey_orderdate_totalprice

      key_len: 4

          ref: const

         rows: 19

     filtered: 100.00

        Extra: Using index

可以看到，这时优化器选择了新创建的组合索引 idx_custkey_orderdate_totalprice，同时这时Extra 列不为 NULL，而是显示 Using index，这就表示优化器使用了索引覆盖技术。

再次观察 SQL 的执行成本，可以看到 cost 有明显的下降，从 6.65 下降为了 2.94：

EXPLAIN FORMAT=tree 

SELECT o_custkey,o_orderdate,o_totalprice 

FROM orders WHERE o_custkey = 147601\G

*************************** 1. row ***************************

EXPLAIN: -> Index lookup on orders using idx_custkey_orderdate_totalprice (O_CUSTKEY=147601)  (cost=2.94 rows=19)

我们来看下这条 SQL 输出的结果：

SELECT o_custkey,o_orderdate,o_totalprice 

FROM orders 

WHERE o_custkey = 147601;

+-----------+-------------+--------------+

| o_custkey | o_orderdate | o_totalprice |

+-----------+-------------+--------------+

|    147601 | 1992-05-11  |    109262.70 |

|    147601 | 1992-05-20  |      4419.68 |

|    147601 | 1993-01-14  |    208550.55 |

|    147601 | 1993-07-12  |    309815.22 |

|    147601 | 1993-10-15  |     60391.27 |

|    147601 | 1994-04-25  |    145497.64 |

|    147601 | 1994-08-11  |    130362.83 |

|    147601 | 1994-11-11  |     85054.05 |

|    147601 | 1994-12-05  |    223393.31 |

|    147601 | 1995-03-28  |    220137.39 |

|    147601 | 1995-10-05  |    126002.46 |

|    147601 | 1996-01-02  |    191792.06 |

|    147601 | 1996-02-02  |    180388.11 |

|    147601 | 1996-04-13  |     18960.24 |

|    147601 | 1996-10-09  |    294150.71 |

|    147601 | 1997-01-22  |     19440.08 |

|    147601 | 1997-02-18  |     75159.87 |

|    147601 | 1997-10-01  |    214565.88 |

|    147601 | 1998-02-16  |    131378.46 |

+-----------+-------------+--------------+

19 rows in set (0.00 sec)

可以看到，执行一共返回 19 条记录。这意味着在未使用索引覆盖技术前，这条 SQL 需要总共回表 19 次， 每次从二级索引读取到数据，就需要通过主键去获取字段 o_totalprice。

在使用索引覆盖技术后，无需回表，减少了 19 次的回表开销，

如果你想看索引覆盖技术的巨大威力，可以执行下面这条 SQL：

SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey;

这条 SQL 表示返回每个用户购买订单的总额，业务侧可以根据这个结果对用户进行打标，删选出大客户，VIP 客户等。

我们先将创建的组合索引 idx_custkey_orderdate_totalprice 设置为不可见，然后查看原先的执行计划：

ALTER TABLE orders 

ALTER INDEX idx_custkey_orderdate_totalprice INVISIBLE;

EXPLAIN SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey

*************************** 1. row ***************************

           id: 1

  select_type: SIMPLE

        table: orders

   partitions: NULL

         type: index

possible_keys:

idx_custkey_orderdate,ORDERS_FK1

          key: ORDERS_FK1

      key_len: 4

          ref: NULL

         rows: 5778755

     filtered: 100.00

        Extra: NULL

EXPLAIN FORMAT=tree 

SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey\G

*************************** 1. row ***************************

EXPLAIN: -> Group aggregate: sum(orders.O_TOTALPRICE)

    -> Index scan on orders using ORDERS_FK1  (cost=590131.50 rows=5778755)

可以看到，这条 SQL 优化选择了索引 ORDERS_FK1，但由于该索引没有包含字段o_totalprice，因此需要回表，根据 rows 预估出大约要回表 5778755 次。

同时，根据 FORMAT=tree 可以看到这条 SQL 语句的执行成本在 590131.5，对比前面单条数据的回表查询，显然成本高了很多。

所以，执行这条 GROUP BY的SQL，总共需要花费 12.35 秒的时间。

SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey;

...

399987 rows in set (12.35 sec)

再来对比启用索引覆盖技术后的 SQL 执行计划情况：

ALTER TABLE orders 

ALTER INDEX idx_custkey_orderdate_totalprice VISIBLE;

EXPLAIN SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey\G

*************************** 1. row ***************************

           id: 1

  select_type: SIMPLE

        table: orders

   partitions: NULL

         type: index

possible_keys:

idx_custkey_orderdate,ORDERS_FK1,idx_custkey_orderdate_totalprice

          key: idx_custkey_orderdate_totalprice

      key_len: 14

          ref: NULL

         rows: 5778755

     filtered: 100.00

        Extra: Using index

1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

可以看到，这次的执行计划提升使用了组合索引 idx_custkey_orderdate_totalprice，并且通过Using index 的提示，表示使用了索引覆盖技术。

SELECT o_custkey,SUM(o_totalprice) 

FROM orders GROUP BY o_custkey;

...

399987 rows in set (1.04 sec)

再次执行上述 SQL 语句，可以看到执行时间从之前的 12.35 秒缩短为了 1.04 秒，SQL 性能提升了 10 倍多。

这就是索引覆盖技术的威力，而且这还只是基于 orders 表总共 600 万条记录。若表 orders 的记录数越多，需要回表的次数也就越多，通过索引覆盖技术性能的提升也就越明显。

总结

这一讲，我在前几讲索引基础上，带你了解了组合索引。

组合索引也是一颗 B+ 树，只是索引的列由多个组成，组合索引既可以是主键索引，也可以是二级索引。通过今天的学习，我们可以归纳组合索引的三大优势：

覆盖多个查询条件，如（a，b）索引可以覆盖查询 a = ? 或者 a = ? and b = ?；
避免 SQL 的额外排序，提升 SQL 性能，如 WHERE a = ? ORDER BY b 这样的查询条件；
利用组合索引包含多个列的特性，可以实现索引覆盖技术，提升 SQL 的查询性能，用好索引覆盖技术，性能提升 10 倍不是难事。