Online DDL和Cardinality

前言
Fast Index Creation
Online Schema Change
Online DDL
Cardinality
- 什么是Cardinality
- Cardinality是如何进行统计的

前言

本文来聊聊关于Mysql索引管理方面的一些内容，首先我们先准备一张表:

CREATE DATABASE IF NOT EXISTS `test`;

USE `test`;
SET NAMES utf8mb4;
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 0;

DROP TABLE IF EXISTS `order`;

CREATE TABLE `order` (
	`id` bigint NOT NULL DEFAULT '' AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
	`uid` bigint NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '用户id',
	`desc` varchar(255) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '订单描述',
	`price` int NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '订单价格',
	`creat_time` datetime NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '订单创建时间',
	PRIMARY KEY (id),
	KEY (uid),
	KEY (price)
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 0 CHARACTER SET = 'utf8' COLLATE = 'utf8_general_ci' ROW_FORMAT = compact;
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

我们通过存储过程插入一批数据:

DELIMITER $
CREATE PROCEDURE orderBatchInsert(IN num int)
BEGIN
	DECLARE i INT(100) DEFAULT 0;
    WHILE i<=num DO
		INSERT INTO `order`(uid,`desc`,`price`) VALUES(i,"无",1);
    SET i=i+1;
    END WHILE;
END $

call orderBatchInsert(100);

我们通过下面这条sql语句来查看一些Order表中相关索引情况:

show index from order;

在这里插入图片描述

那么其中每一列又是什么意思呢?

Table: 索引所在的表名
Non_unique: 是否为非唯一索引
Key_name: 索引名
Seq_in_index: 索引中该列的位置
Column_name: 索引列的名称
Collation: 列以什么方式存储在索引中，可以是A或者NULL，B+树索引总是A,即排序的,如果使用了Heap存储引擎，并建立了Hash索引,这里就会显示NULL了，因为Hash根据Hash桶存放索引数据,而不是对数据进行排序。
Cardinality: 索引列的区分度,表示索引中唯一值的数目的估计值。
Sub_part: 是否是列的部分索引,例如: 我们可以对某个很长的字符串建立前缀索引,那么此时这里显示的就是前缀的长度。
Packed: 关键字如何被压缩，没有被演示则为null。
Null: 索引的列是否含有NULL值。
Index_type: 索引类型,Innodb只支持B+树索引,所以这里显示的都是BTREE。
comment: 注释

Fast Index Creation

Mysql 5.5版本之前,当我们对数据库索引进行添加或删除这类DDL操作，Mysql数据库的操作过程为:

首先创建一张新的临时表,表结构为通过命令ALTER TABLE新定义的结构。
然后把原表中数据导入到临时表。
接着删除原表。
最后把临时表重名为原来的表名。

可以发现，若用户对于一张大表进行索引的添加和删除操作，那么这会需要很长的时间。更关键的是，若有大量事务需要访问正在被修改的表，这意味着数据库服务不可用。而这对于Microsoft SQL Server或Oracle数据库的DBA来说，MySQL数据库的索引维护始终让他们感觉非常痛苦。

InnoDB存储引擎从InnoDB 1.0．x版本开始支持一种称为 Fast Index Creation（快速索引创建）的索引创建方式—简称FIC。

对于辅助索引的创建，InnoDB存储引擎会对创建索引的表加上一个S锁。在创建的过程中，不需要重建表，因此速度较之前提高很多，并且数据库的可用性也得到了提高。删除辅助索引操作就更简单了，InnoDB存储引擎只需更新内部视图，并将辅助索引的空间标记为可用，同时删除MySQL数据库内部视图上对该表的索引定义即可。

这里需要特别注意的是，临时表的创建路径是通过参数tmpdir进行设置的。用户必须保证tmpdir有足够的空间可以存放临时表，否则会导致创建索引失败。

由于FIC在索引的创建的过程中对表加上了S锁，因此在创建的过程中只能对该表进行读操作，若有大量的事务需要对目标表进行写操作，那么数据库的服务同样不可用。此外，FIC方式只限定于辅助索引，对于主键的创建和删除同样需要重建一张表。

Online Schema Change

Online Schema Change（在线架构改变，简称OSC）最早是由Facebook实现的一种在线执行DDL的方式，并广泛地应用于Facebook的MySQL数据库。所谓“在线”是指在事务的创建过程中，可以有读写事务对表进行操作，这提高了原有MySQL数据库在DDL操作时的并发性。

Facebook采用PHP脚本来现实OSC，而并不是通过修改InnoDB存储引擎源码的方式。OSC最初由 Facebook的员工 Vamsi Ponnekanti开发。此外，OSC借鉴了开源社区之前的工具 The openarkkit toolkit oak-online-alter-table。实现OSC步骤如下：

init，即初始化阶段，会对创建的表做一些验证工作，如检查表是否有主键，是否存在触发器或者外键等。
createCopyTable，创建和原始表结构一样的新表。
alterCopyTable：对创建的新表进行ALTER TABLE操作，如添加索引或列等。
createDeltasTable，创建deltas表，该表的作用是为下一步创建的触发器所使用。之后对原表的所有DML操作会被记录到 createDeltasTable中。
createTriggers，对原表创建 INSERT、UPDATE、DELETE操作的触发器。触发操作产生的记录被写入到deltas表。
startSnpshotXact，开始OSC操作的事务。
selectTableIntoOutfile，将原表中的数据写入到新表。为了减少对原表的锁定时间，这里通过分片（chunked）将数据输出到多个外部文件，然后将外部文件的数据导入到copy表中。分片的大小可以指定，默认值是500000。

分片意味着可以并行读取,这样复制原表数据的时间会被大大缩短。

dropNCIndexs，在导入到新表前，删除新表中所有的辅助索引。
loadCopyTable，将导出的分片文件导入到新表。
replayChanges，将OSC过程中原表DML操作的记录应用到新表中，这些记录被保存在 deltas表中。
recreateNCIndexes，重新创建辅助索引。
replayChanges，再次进行DML日志的回放操作，这些日志是在上述创建辅助索引中过程中新产生的日志。
swapTables，将原表和新表交换名字，整个操作需要锁定2张表，不允许新的数据产生。由于改名是一个很快的操作，因此阻塞的时间非常短。

核心思路如下图所示:

在这里插入图片描述

Online DDL

虽然FIC可以让InnoDB存储引擎避免创建临时表，从而提高索引创建的效率。但正如前面小节所说的，索引创建时会阻塞表上的DML操作。OSC虽然解决了上述的部问题，但是还是有很大的局限性。MySQL 5.6版本开始支持Online DDL（在线数据定义）操作，其允许辅助索引创建的同时，还允许其他诸如INSERT、UPDATE， DELETE这类DML操作，这极大地提高了MySQL数据库在生产环境中的可用性。

此外，不仅是辅助索引，以下这几类DDL操作都可以通过“在线”的方式进行操作：

辅助索引的创建与删除
改变自增长值
添加或删除外键约束口列的重命名

通过新的ALTER TABLE语法，用户可以选择索引的创建方式：

ALTER TABLE tbl_name ADD {INDEX|KEY} [index_name]  [index_type](index_col_name,...) [index_option]... 
ALGORITHM [=]{DEFAULTIINPLACE|COPY)
LOCK [=](DEFAULT|NONE|SHARED|EXCLUSIVE)

ALGORITHM指定了创建或删除索引的算法：

COPY 表示按照MySQL 5.1版本之前的工作模式，即创建临时表的方式
INPLACE表示索引创建或删除操作不需要创建临时表。
DEFAULT表示根据参数old_alter_table来判断是通过INPLACE还是COPY的算法，该参数的默认值为OFF，表示采用INPLACE的方式，如：

LOCK部分为索引创建或删除时对表添加锁的情况，可有的选择为：

NONE: 执行索引创建或者删除操作时，对目标表不添加任何的锁，即事务仍然可以进行读写操作，不会收到阻塞。因此这种模式可以获得最大的并发度。
SHARE: 这和之前的FIC类似，执行索引创建或删除操作时，对目标表加上一个S锁。对于并发地读事务，依然可以执行，但是遇到写事务，就会发生等待操作。如果存储引擎不支持SHARE模式，会返回一个错误信息。
EXCLUSIVE: 在EXCLUSIVE模式下，执行索引创建或删除操作时，对目标表加上一个X锁。读写事务都不能进行，因此会阻塞所有的线程，这和COPY方式运行得到的状态类似，但是不需要像COPY方式那样创建一张临时表。
DEFAULT: DEFAULT模式首先会判断当前操作是否可以使用NONE模式，若不能，则判断是否可以使用SHARE模式，最后判断是否可以使用EXCLUSIVE模式。也就是说DEFAULT会通过判断事务的最大并发性来判断执行DDL的模式。

InnoDB存储引擎实现Online DDL的原理是在执行创建或者删除操作的同时，将INSERT、UPDATE、DELETE这类DML操作日志写入到一个缓存中。待完成索引创建后再将重做应用到表上，以此达到数据的一致性。这个缓存的大小由参数innodb_online＿alter＿log＿max＿size控制，默认的大小为128MB。若用户更新的表比较大，并且在创建过程中伴有大量的写事务，如遇到 innodb＿online＿alter＿log＿max＿size的空间不能存放日志时，会抛出类似如下的错误：

Error:1799 SQLSTATE:HY000(ER_INNODB_ONLINE_LOG_TOO_BIG)

Message: Creating index 'idx_aaa' required more than 'innodb_online_alter_log_ max_size' bytes of modification log. Please try again.

对于这个错误，用户可以调大参数innodb＿online＿alter＿log＿max＿size，以此获得更大的日志缓存空间。此外，还可以设置ALTER TABLE的模式为SHARE，这样在执行过程中不会有写事务发生，因此不需要进行DML日志的记录。

需要特别注意的是，由于Online DDL在创建索引完成后再通过重做日志达到数据库的最终一致性，这意味着在索引创建过程中，SQL优化器不会选择正在创建中的索引。

Cardinality

什么是Cardinality

我们先思考一个问题，对于什么列添加索引能够获得最大收益，对什么列添加索引是没有意义的。

索引用来精确，快速定位某个数据，但是如果某列数据的重复度很高，例如: 性别，那么对于性别列加索引其实意义不大，相反，如果某列数据的重复度很低，则此时使用B+树索引是最适合的。

怎样查看索引是否是高选择性的呢？

可以通过SHOW INDEX结果中的列Cardinality来观察。Cardinality 值非常关键，表示索引中不重复记录数量的预估值。同时需要注意的是，Cardinality是一个预估值，而不是一个准确值，基本上用户也不可能得到一个准确的值。在实际应用中，Cardinality／n_rows_in_table应尽可能地接近1。如果非常小，那么用户需要考虑是否还有必要创建这个索引。故在访问高选择性属性的字段并从表中取出很少一部分数据时，对这个字段添加B＋树索引是非常有必要的。

在这里插入图片描述
上面最开始给出的例子中，我们就不应该对price字段加索引，因为price列数据完全重复。

Cardinality是如何进行统计的

数据库是怎样来统计Cardinality信息的呢？因为MySQL数据库中有各种不同的存储引擎，而每种存储引擎对于B+树索引的实现又各不相同，所以对Cardinality的统计是放在存储引擎层进行的。

此外需要考虑到的是，在生产环境中，索引的更新操作可能是非常频繁的。如果每次索引在发生操作时就对其进行Cardinality的统计，那么将会给数据库带来很大的负担。另外需要考虑的是，如果一张表的数据非常大，如一张表有50G的数据，那么统计一次Cardinality信息所需要的时间可能非常长。这在生产环境下，也是不能接受的。因此，数据库对于Cardinality的统计都是通过采样（Sample）的方法来完成的。

在InnoDB存储引擎中， Cardinality统计信息的更新发生在两个操作中： INSERT和UPDATE。根据前面的叙述，不可能在每次发生INSERT和UPDATE时就去更新Cardinality信息，这样会增加数据库系统的负荷，同时对于大表的统计，时间上也不允许数据库这样去操作。因此，InnoDB存储引擎内部对更新Cardinality信息的策略为：

表中1/16的数据已发生过变化。
stat_modified_counter>2 000 000 000

第一种策略为自从上次统计Cardinality 信息后，表中1／16的数据已经发生过变化，这时需要更新Cardinality信息。

第二种情况考虑的是，如果对表中某一行数据频繁地进行更新操作，这时表中的数据实际并没有增加，实际发生变化的还是这一行数据，则第一种更新策略就无法适用这这种情况。故在InnoDB存储引擎内部有一个计数器statmodified＿counter，用来表示发生变化的次数，当stat＿modified＿counter大于2 000 000 000时，则同样需要更新Cardinality 信息。

接着考虑InnoDB存储引擎内部是怎样来进行Cardinality 信息的统计和更新操作的呢？同样是通过采样的方法。默认InnoDB存储引擎对8个叶子节点（Leaf Page）进行采用。采样的过程如下：

取得B＋树索引中叶子节点的数量，记为A。
随机取得B＋树索引中的8个叶子节点。统计每个页不同记录的个数，即为P1，P2,···,P8。
根据采样信息给出 Cardinality的预估值：Cardinality=(P1+P2+···+P8)*A/8

通过上述的说明可以发现，在InnoDB存储引擎中，Cardinality值是通过对8个叶子节点预估而得的，不是一个实际精确的值。再者，每次对Cardinality值的统计，都是通过随机取8个叶子节点得到的，这同时又暗示了另一个Cardinality现象，即每次得到的Cardinality 值可能是不同的。

在InnoDB 1.2版本之前，可以通过参数 innodb＿stats＿sample＿pages用来设置统计 Cardinality时每次采样页的数量，默认值为8。同时，参数innodb＿stats＿method用来判断如何对待索引中出现的NULL值记录。该参数默认值为nulls＿equal，表示将NULL值记录视为相等的记录。其有效值还有nulls＿unequal，nulls＿ignored，分别表示将NULL 值记录视为不同的记录和忽略NULL值记录。

例如某页中索引记录为NULL、NULL、1、2、2、3、3、3，在参数innodb＿stats＿method的默认设置下，该页的Cardinality为4；若参数 innodb＿stats＿method 为nulls＿unequal，则该页的Caridinality为5；若参数 innodb stats＿method为 nulls＿ignored，则Cardinality为3。

当执行SQL语句ANALYZE TABLE、SHOW TABLE STATUS、SHOW INDEX 以及访问INFORMATION_SCHEMA架构下的表TABLES和STATISTICS时会导致 InnoDB存储引擎去重新计算索引的Cardinality值。若表中的数据量非常大，并且表中存在多个辅助索引时，执行上述这些操作可能会非常慢。虽然用户可能并不希望去更新Cardinality 值。

InnoDB1.2版本提供了更多的参数对 Cardinality统计进行设置，这些参数如下所示:

在这里插入图片描述