千萬級資料深分頁查詢SQL效能最佳化實踐

來源：京東雲開發者

一、系統介紹和問題描述

如何在Mysql中實現上億資料的遍歷查詢？先來介紹一下系統主角：關注系統，主要是維護京東使用者和業務物件之前的關注關係；並對外提供各種關係查詢，比如查詢使用者的關注商品或店鋪列表，查詢使用者是否關注了某個商品或店鋪等。但是最近接到了一個新需求，要求提供查詢關注物件的粉絲列表介面功能。該功能的難點就是關注物件的粉絲數量過多，不少店鋪的粉絲數量都是千萬級別，並且有些大V粉絲數量能夠達到上億級別。而這些粉絲列表資料目前全都儲存在Mysql庫中，然後透過業務物件ID進行分庫分表，所有的粉絲列表資料分佈在16個分片的256張表中。同時為了方便查詢粉絲列表，同一個業務物件的所有粉絲都會路由到同一張表中，每個表的資料量都能夠達到 2 億+。

二、解決問題的思路和方法

資料庫表結構示例如下：

CREATE TABLE follow_fans_[0-255]
  (
    id bigint(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增id',
    biz_content   VARCHAR(50) DEFAULT NULL COMMENT '業務物件ID',
    source        VARCHAR(50) DEFAULT NULL COMMENT '來源',
    pin           VARCHAR(50) DEFAULT NULL COMMENT '使用者pin',
    ext           VARCHAR(5000) DEFAULT NULL COMMENT '擴充套件資訊',
    status        TINYINT(2) DEFAULT 1 COMMENT '狀態，0是失效，1是正常',
    created_time  DATETIME DEFAULT NULL COMMENT '建立時間',
    modified_time DATETIME DEFAULT NULL COMMENT '修改時間',
    PRIMARY KEY(id),
    UNIQUE INDEX uniq_biz_content_pin (biz_content, pin)
  )
  ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT = '關注粉絲表';

Limit實現

由於同一個業務物件的所有粉絲都儲存到一張資料庫表中，對於分頁查詢列表介面，首先想到的就是用limit實現，對於粉絲數量很少的關注物件，查詢介面效能還不錯。但是隨著關注物件的粉絲數量越來越多，介面查詢效能就會越來越慢。後來經過介面壓測，當業務物件粉絲列表數量達到幾十萬級別的時候，查詢頁碼數量越大，查詢耗時越多。limit深分頁為什麼會變慢？這就和sql的執行計劃有關了，limit語句會先掃描offset+n行，然後再丟棄掉前offset行，返回後n行資料。也就是說limit 100000,10，就會掃描100010行，而limit 0,10，只掃描10行。查詢 sql 示例如下：

select  id,biz_content,pin FROM follow_fans_1 where biz_content = #{bizContent} order by id desc limit 10, 10;

•方案缺點：資料量變大時，隨著查詢頁碼的深入，查詢效能越來越差。

標籤記錄法

Limit深分頁問題的本質原因就是：偏移量（offset）越大，mysql就會掃描越多的行，然後再拋棄掉，這樣就導致查詢效能的下降。所以我們可以採用標籤記錄法，就是標記一下上次查詢到哪一條了，下次再來查的時候，從該條開始往下掃描。具體做法方式是，查詢粉絲列表中按照自增主鍵ID倒序查詢，查詢結果中返回主鍵ID，然後查詢入參中增加maxId引數，該引數需要透傳上一次請求粉絲列表中最後一條記錄主鍵ID，第一次查詢時可以為空，但是需要查詢下一頁時就必傳。最後根據查詢時返回的行數是否等於 10 來判斷整個查詢是否可以結束。最佳化後的查詢sql參考如下：

select id,biz_content,pin FROM follow_fans_1 where biz_content = #{bizContent} and id < #{lastId} order by id desc limit 10;

•方案缺點：只能支援按照頁碼順序查詢，不支援跳頁，而且僅能保證前 N-1 頁的查詢效能；如果最後一頁的表中行數量不滿 10 條時，引擎不知道何時終止查詢，只能遍歷全表，所以當表中資料量很大時，還是會出現超時情況。

區間限制法

標籤記錄法最後一頁查詢超時就是因為不知道何時終止查詢，所以我們可以提供一個區間限制範圍來告訴引擎查詢到此結束。

查詢sql再次最佳化後參考如下：

select id,biz_content,pin FROM follow_fans_1 where biz_content = #{bizContent} and id < #{lastId} and id >={minId} order by id desc limit 10;

由於查詢時需要帶上 minId 引數，所以在執行查詢粉絲列表之前，我們就需要先把 minId 查詢出來，查詢 sql 參考如下：

select min(id) from follow_fans_1 where biz_content = #{bizContent}

由於表中資料量太大，每個表中總資料量都是上億級別，導致第一步查詢 minId就直接超時了，根本沒有機會去執行第二步。但是考慮到上一個查詢方案只有最後一頁才會查詢超時，前N-1頁查詢根本用不到 minId 作為區間限制。所以當表中資料量很大時，通常從第一頁到最後一頁查詢之間會存在一定的時間差。我們就可以正好去利用這個時間差去非同步查詢minId，然後將查詢出來的minId儲存到快取中，考慮到這個 minId 可能會被刪除，可以設定一定的過期時間。最後最佳化後的查詢流程如下：

1.呼叫查詢粉絲列表方法時首先查詢快取minId；

2.如果快取minId 為空，則建立非同步任務去執行select min(id) 查詢表中的 minId,然後回寫快取，該非同步任務執行時間可能會很長，可以單獨設定超時時間。

3.如果快取minId不為空，則在查詢sql中拼接查詢條件id >={minId}，從而保證查詢最後一頁時不會超時。

但是在上述方案中，如果表中的資料量達到上億級別時，第二步的非同步獲取minId任務還是會存在超時的風險，從而導致查詢最後一頁粉絲列表出現超時。所以我們又引入了離線資料計算任務，透過在大資料平臺離線計算獲取每個biz_content下的minId,然後將計算結果minId推送到快取中。為了保證minId能夠及時更新，我們可以自由設定該離線任務的執行週期，比如每週執行一次。透過大資料平臺的離線計算minId，從而大大減少了在查詢粉絲列表時執行 select min(id）的業務資料庫壓力。只有當快取沒有命中的時候才去執行 select min(id)，通常這些快取沒有命中的 minId 也都是一些被離線任務遺漏的少量資料，不會影響介面的整體查詢效能。

•方案優點：避免了資料量變大時，頁碼查詢深入的效能下降問題；經過介面壓測，千萬級資料量時，從第一頁到最後一頁都控制在幾十毫秒內。

•方案缺點：只能支援按照頁碼順序和主鍵ID倒序查詢，不支援跳頁查詢，並且還需要依賴大資料平臺離線計算和額外的快取來儲存 minId。

三、對SQL最佳化治理的思考

透過對以上三種方案的探索實踐，發現每一種方案都有自己的優缺點和它的適用場景，我們不能脫離實際業務場景去談方案的好壞。所以我們要結合實際的業務環境以及表中資料量的大小去綜合考慮、權衡利弊，然後找到更適合的技術方案。以下是總結的幾條SQL最佳化建議：

查詢條件一定要有索引

索引主要分為兩大類，聚簇索引和非聚簇索引，可以透過 explain 檢視 sql 執行計劃判斷查詢是否使用了索引。

聚簇索引 (clustered index)：聚簇索引的葉子節點儲存行記錄，InnoDB必須要有且只有一個聚簇索引：

1.如果表定義了主鍵，則主鍵索引就是聚簇索引；

2.如果沒有定義主鍵，則第一個非空的唯一索引列是聚簇索引；

3.如果沒有唯一索引，則建立一個隱藏的row-id列作為聚簇索引。主鍵索引查詢非常快，可以直接定位行記錄。

非聚簇索引 （secondary index)：InnoDB非聚簇索引的葉子節點儲存的是行記錄的主鍵值，而MyISAM葉子節點儲存的是行指標。通常情況下，需要先遍歷非聚簇索引獲得聚簇索引的主鍵ID，然後在遍歷聚簇索引獲取對應行記錄。

正確使用索引，防止索引失效

可以參考以下幾點索引原則：

1.最左字首匹配原則，mysql會一直向右匹配直到遇到範圍查詢（>、<、between、like）就停止匹配，比如 a=1 and b=2 and c>3 and d=4 ，如果建立了（a,b,c,d)順序的索引，d是用不到索引的，如果建立（a,b,d,c)的索引則都可以用到，a、b、d的順序可以任意調整。

2.=和in可以亂序，比如 a=1 and b=2 and c=3 建立（a,b,c)索引可以任意順序，mysql的查詢最佳化器會幫助最佳化成索引可以識別的形式。

3.儘量選擇區分度高德列作為索引，區分度公式count(distinct col)/count(*)，表示欄位不重複的比例。

4.索引列不能使用函式或參與計算，不能進行型別轉換，否則索引會失效。

5.儘量擴充套件索引，不要新建索引。

減少查詢欄位，避免回表查詢

回表查詢就是先定位主鍵值，在根據主鍵值定位行記錄，需要掃描兩遍索引。解決方案：只需要在一顆索引樹上能夠獲取SQL所需要的所有列資料，則無需回表查詢，速度更快。可以將要查詢的欄位，建立到聯合索引裡去，這就是索引覆蓋。查詢sql在進行explain解析時，Extra欄位為Using Index時，則觸發索引覆蓋。沒有觸發索引覆蓋，發生了回表查詢時，Extra欄位為Using Index condition。