MySQL中为什么要使用索引合并(Index Merge)？

陈盛南

本文分享自华为云社区《【华为云MySQL技术专栏】MySQL中为什么要使用索引合并(Index Merge)？》，作者：GaussDB 数据库。
在生产环境中，MySQL语句的where查询通常会包含多个条件判断，以AND或OR操作进行连接。然而，对一个表进行查询最多只能利用该表上的一个索引，其他条件需要在回表查询时进行判断（不考虑覆盖索引的情况）。当回表的记录数很多时，需要进行大量的随机IO，这可能导致查询性能下降。因此，MySQL 5.x 版本推出索引合并(Index Merge)来解决该问题。
本文将基于MySQL 8.0.22版本对MySQL的索引合并功能、实现原理及场景约束进行详细介绍，同时也会结合原理对其优缺点进行浅析，并通过例子进行验证。
什么是索引合并(Index Merge)？

索引合并是通过对一个表同时使用多个索引进行条件扫描，并将满足条件的多个主键集合取交集或并集后再进行回表，可以提升查询效率。
索引合并主要包含交集(intersection)，并集(union)和排序并集(sort-union)三种类型：

• intersection：将基于多个索引扫描的结果集取交集后返回给用户；
  
• union：将基于多个索引扫描的结果集取并集后返回给用户；
  
• sort-union：与union类似，不同的是sort-union会对结果集进行排序，随后再返回给用户；
  

MySQL中有四个开关（index_merge、index_merge_intersection、index_merge_union以及index_merge_sort_union）对上述三种索引合并类型提供支持，可以通过修改optimizer_switch系统参数中的四个开关标识来控制索引合并特性的使用。
假设创建表T，并插入如下数据：

1. CREATE TABLE T(  `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
2. `a` int NOT NULL,
3. `b` char(1) DEFAULT NULL,
4. PRIMARY KEY (`id`),
5. KEY `idx_a` (`a`) USING BTREE,
6. KEY `idx_b` (`b`) USING BTREE
7. )ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1;
9. INSERT INTO T (a, b) VALUES (1, 'A'), (2, 'B'),(3, 'C'),(4, 'B'),(1, 'C');

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默认情况下，四个开关均为开启状态。如果需要单独使用某个合并类型，需设置index_merge=off，并将相应待启用的合并类型标识（例如，index_merge_sort_union）设置为on。
开关开启后，可通过EXPLAIN执行计划查看当前查询语句是否使用了索引合并。

1. mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 
4. |+----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

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上面代码显示type类型为index_merge，表示使用了索引合并。key列显示使用到的所有索引名称，该语句中同时使用了idx_a和idx_b两个索引完成查询。Extra列显示具体使用了哪种类型的索引合并，该语句显示Using union(...)，表示索引合并类型为union。
此外，可以使用index_merge/no_index_merge给查询语句添加hint，强制SQL语句使用/不使用索引合并。
• 如果查询默认未使用索引合并，可以通过添加index_merge强制指定：

1. mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
2. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
4. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    1 |    20.00 | Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
10. mysql> EXPLAIN SELECT /*+ INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=2 AND b='A';
11. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
12. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
13. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
14. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
15. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
16. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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• 使用no_index_merge给查询语句添加hint，可以忽略索引合并优化：

1. mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
4. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    3 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
8. mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='A';
9. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
10. | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
11. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
12. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    36.00 | Using where |
13. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
14. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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索引合并(Index Merge)原理

1. Index Merge Intersection

Index Merge Intersection会在使用到的多个索引上同时进行扫描，并取这些扫描结果的交集作为最终结果集。
以“SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C'; ”语句为例：
• 未使用索引合并时，MySQL利用索引idx_a获取到满足条件a=1的所有主键id，根据主键id进行回表查询到相关记录，随后再使用条件b='C'对这些记录进行判断，获取最终查询结果。

1. mysql> explain SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
2. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key   | key_len | ref   | rows | filtered | Extra       |
4. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ref  | idx_a,idx_b   | idx_a | 4       | const |    2 |    40.00 | Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+-------+---------+-------+------+----------+-------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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• 使用索引合并时，MySQL分别利用索引idx_a和idx_b获取满足条件a=1和b='C'的主键id集合setA和setB。随后取setA和setB中主键id的交集setC，并使用setC中主键id进行回表，获取最终查询结果。

1. mysql> explain SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                                  |
4. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_a,idx_b); Using where; Using index |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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执行流程如下：

图1 SELECT * FROM T WHERE a=1 AND b='C';执行流程
2. Index Merge Union

Index Merge Union会在使用到的多个索引上同时进行扫描，并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。
以“SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B'; ”语句为例：
• 未使用索引合并时，MySQL通过全表扫描获取所有记录信息，随后再使用条件a=1和b='B'对这些记录进行判断，获取最终查询结果。

1. mysql> EXPLAIN SELECT /*+ NO_INDEX_MERGE(T idx_a,idx_b) */ * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
2. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------
3. | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | filtered | Extra       |
4. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | ALL  | idx_a,idx_b   | NULL | NULL    | NULL |    5 |    50.00 | Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+------+---------------+------+---------+------+------+----------+-------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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• 使用索引合并算法时，MySQL分别利用索引idx_a和idx_b获取满足条件a=1和b='B'的主键id集合setA和setB。随后，取setA和setB中主键id的并集setC，并使用setC中主键id进行回表，获取最终查询结果。

1. mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                 |
4. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using union(idx_a,idx_b); Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

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执行流程如下：

图2 SELECT * FROM T WHERE a=1 OR b='B';执行流程
3. Index Merge Sort-Union

Sort-Union索引合并与Union索引合并原理相似，只是比单纯的Union索引合并多了一步对二级索引记录的主键id排序的过程。由OR连接的多个范围查询条件组成的WHERE子句不满足Union算法时，优化器会考虑使用Sort-Union算法。例如：

1. mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE a<3 OR b<'B';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key         | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                      |
4. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | idx_a,idx_b   | idx_a,idx_b | 4,5     | NULL |    4 |   100.00 | Using sort_union(idx_a,idx_b); Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+-------------+---------+------+------+----------+--------------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

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Index Merge的优缺点

• Index Merge Intersection在使用到的多个索引上同时进行扫描，并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。
当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数极多时，适合使用Intersection对取交集后的主键id以顺序I/O进行回表，其开销远小于使用随机IO进行回表。反之，当根据搜索条件扫描出的记录极少时，因为需要多一步合并操作，Intersection反而不占优势。在8.0.22版本，对于AND连接的点查场景，通过建立联合索引可以更好的减少回表。
• Index Merge Union在使用到的多个索引上同时进行扫描，并取这些扫描结果的并集作为最终结果集。
当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数比较少，通过Union索引合并后进行访问的代价比全表扫描更小时，使用Union的效果才会更优。
• Index Merge Sort-Union比单纯的Union索引合并多了一步对索引记录的主键id排序的过程。
当优化器根据搜索条件从某个索引中获取的记录数比较少的时，对这些索引记录的主键id进行排序的成本不高，此时可以加速查询。反之，当需要排序的记录过多时，该算法的查询效率不一定更优。
我们以Index Merge Union为例，对上述分析进行验证。
1. 场景构造

1. key_par1 = const1 AND key_par2 = const2 ... AND key_partN = constN

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未使用索引合并的SQL2代码示例：

1. mysql> EXPLAIN SELECT * FROM T WHERE id<3 AND b='A';
2. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
3. | id | select_type | table | partitions | type        | possible_keys | key           | key_len | ref  | rows | filtered | Extra                                       |
4. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
5. |  1 | SIMPLE      | T     | NULL       | index_merge | PRIMARY,idx_b | idx_b,PRIMARY | 9,4     | NULL |    1 |   100.00 | Using intersect(idx_b,PRIMARY); Using where |
6. +----+-------------+-------+------------+-------------+---------------+---------------+---------+------+------+----------+---------------------------------------------+
7. 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

复制代码

未使用索引合并时，SQL2语句需要花费约23ms来扫描全表100001行数据，随后再进行条件判断。而使用索引合并时，通过合并两个索引筛选出的主键id集合，筛选出2056个符合条件的主键id, 随后回表获取最终的数据。这个环节中，索引合并大大减少了需要访问的记录数量。
此外，从SQL1和SQL3的查询结果也可以看出，数据分布也会影响索引合并的效果。相同的SQL模板类型，根据匹配数值的不同，查询时间存在差异。如需要合并的主键id集合越小，需要回表的主键id越少，查询时间越短。

1. key_par1 = const1 OR key_par2 = const2 ... OR key_partN = constN

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总结

本文介绍了索引合并（Index Merge）包含的三种类型，即交集(intersection)、并集(union)和排序并集(sort-union)，以及索引合并的实现原理、场景约束与通过案例验证的优缺点。在实际使用中，当查询条件列较多且无法使用联合索引时，就可以考虑使用索引合并，利用多个索引加速查询。但要注意，索引合并并非在任何场景下均具有较好的效果，需要结合具体的数据分布进行算法的选择。
 
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来源:https://www.cnblogs.com/huaweiyun/p/18297565
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