MySQL索引背後的資料結構及演算法原理

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本文以MySQL資料庫為研究對象，討論與資料庫索引相關的一些話題。特別需要說明的是，MySQL支援諸多儲存引擎，而各種儲存引擎對索引的支援也各不相同，因此MySQL資料庫支援多種索引類型，如BTree索引，雜湊索引，全文索引等等。為了避免混亂，本文將只關注於BTree索引，因為這是平常使用MySQL時主要打交道的索引，至於雜湊索引和全文索引本文暫不討論。

文章主要內容分為三個部分。

第一部分主要從資料結構及演算法理論層面討論MySQL資料庫索引的數理基礎。

第二部分結合MySQL資料庫中MyISAM和InnoDB資料存放區引擎中索引的架構實現討論叢集索引、非叢集索引及覆蓋索引等話題。

第三部分根據上面的理論基礎，討論MySQL中高效能使用索引的策略。

資料結構及演算法基礎索引的本質

MySQL官方對索引的定義為：索引（Index）是協助MySQL高效擷取資料的資料結構。提取句子主幹，就可以得到索引的本質：索引是資料結構。

我們知道，資料庫查詢是資料庫的最主要功能之一。我們都希望查詢資料的速度能儘可能的快，因此資料庫系統的設計者會從查詢演算法的角度進行最佳化。最基本的查詢演算法當然是順序尋找（linear search），這種複雜度為O(n)的演算法在資料量很大時顯然是糟糕的，好在電腦科學的發展提供了很多更優秀的尋找演算法，例如二分尋找（binary search）、二叉樹尋找（binary tree search）等。如果稍微分析一下會發現，每種尋找演算法都只能應用於特定的資料結構之上，例如二分尋找要求被檢索資料有序，而二叉樹尋找只能應用於二叉尋找樹上，但是資料本身的組織圖不可能完全滿足各種資料結構（例如，理論上不可能同時將兩列都按順序進行組織），所以，在資料之外，資料庫系統還維護著滿足特定尋找演算法的資料結構，這些資料結構以某種方式引用（指向）資料，這樣就可以在這些資料結構上實現進階尋找演算法。這種資料結構，就是索引。

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