数据库内核月报 - 2015 / 12

MySQL · 特性分析 · Index Condition Pushdown (ICP)

前言

上一篇文章 提过,我们在之后的文章中会从 optimizer 的选项出发,系统的介绍 optimizer 的各个变量,包括变量的原理、作用以及源码实现等,然后再进一步的介绍优化器的工作过程(SQL 语句扁平化处理、索引选择、代价计算、多表连接顺序选择以及物理执行等内容),本期我们先看一下众所周知的 ICP,官方文档请参考这里

ICP 测试

首先,咱们来看一下打开 ICP 与关闭 ICP 之间的性能区别,以下是测试过程:

准备数据:

create table icp(id int, age int, name varchar(30), memo varchar(600)) engine=innodb;
alter table icp add index aind(age, name, memo);
--let $i= 100000
while ($i)
{
  --eval insert into icp values($i, 1, 'a$i', repeat('a$i', 100))
  --dec $i
}

PS: MySQL 有一个叫profile的东东,可以用来监视 SQL 语句在各个阶段的执行情况,咱们可以使用这个工具来观察 SQL 语句在各个阶段的运行情况,关于 profile 的详细说明可以参考官方文档

打开 ICP 的性能测试:

set profiling=on;
set optimizer_switch="index_condition_pushdown=on”; (default enabled)
select * from icp where age = 1 and memo like '%9999%';
mysql> show profile cpu,block io for query 7;
+----------------------+-----------+-----------+------------+--------------+---------------+
| Status               | Duration  | CPU_user  | CPU_system | Block_ops_in | Block_ops_out |
+----------------------+-----------+-----------+------------+--------------+---------------+
| executing            |  0.000009 |  0.000000 |   0.000000 |            0 |             0 |
| Sending data         | 3.225383 | 3.507467 |   0.037994 |            0 |             0 |
+----------------------+-----------+-----------+------------+--------------+---------------+
mysql> show session status like '%handler%';show session status like '%handler%';
+----------------------------+--------+
| Handler_read_next          | 19    |
| Handler_read_rnd_next      | 30    |
+----------------------------+--------+
18 rows in set (0.00 sec)

关闭 ICP 的性能测试:

mysql> set optimizer_switch="index_condition_pushdown=off”;
mysql> select * from icp where age = 1 and memo like '%9999%';
mysql> show profile cpu, block io for query 20;
+----------------------+----------+----------+------------+--------------+---------------+
| Status               | Duration | CPU_user | CPU_system | Block_ops_in | Block_ops_out |
+----------------------+----------+----------+------------+--------------+---------------+
| Sending data         | 15.327345 | 17.443348 |   0.165975 |            0 |             0 |
+----------------------+----------+----------+------------+--------------+---------------+
15 rows in set, 1 warning (0.00 sec)
mysql> show session status like '%handler%';
+----------------------------+--------+
| Variable_name              | Value  |
+----------------------------+--------+
| Handler_read_next          | 100019 |
| Handler_read_rnd_next      | 47     |
+----------------------------+--------+
18 rows in set (0.01 sec)

测试结论:由以上测试情况可以看到,在二级索引是复合索引且前面的条件过滤性较低的情况下,打开 ICP 可以有效的降低 server 层和 engine 层之间交互的次数,从而有效的降低在运行时间。

ICP 原理

5.6 之前,在 SQL 语句的执行过程中,server 层通过 engine 的 api 获取数据,然后再进行 where_cond 的判断(具体判断逻辑在: evaluate_join_record),每一条数据都需要从engine层返回server层做判断。我们回顾一下上面把 ICP 关掉的测试,可以看到 Handler_read_next 的值陡增,其原因是第 1 个字段区分度不高,且 memo 字段无法使用索引,造成了类似 index 扫描的的情况,性能较低。

5.6 之后,在利用索引扫描的过程中,如果发现 where_cond 中含有这个 index 相关的条件,则将此条件记录在 handler 接口中,在索引扫描的过程中,只有满足索引与handler接口的条件时,才会返回到 server 层做进一步的处理,在前缀索引区分度不够,其它字段区分度高的情况下可以有效的减少 server & engine之间的开销,提升查询性能。

ICP 源码实现

我们在上小节提到,index condition down 所用的条件是记在handler接口中的,咱们分析一下“记录”的过程是如何实现的。

首先,优化器计算代价后会生成一个 JOIN_TAB 的左支树,每一个 JOIN_TAB 包含相关表的指针、表的读取方式、访问表所包含的索引等信息,优化器会在 make_join_readinfo 中对JOIN_TAB中表的访问方式进行相应的修正,并进一步将 where cond 中和索引相关的条件记录到 table 的句柄中,堆栈如下:

#0  make_cond_for_index (cond=0x2b69680179e8, table=0x2b6968012100, keyno=0, other_tbls_ok=true)
#1  in push_index_cond (tab=0x2b696802aa48, keyno=0, other_tbls_ok=true, trace_obj=0x2b696413ec30)
#2  in make_join_readinfo (join=0x2b6968017db0, options=0, no_jbuf_after=4294967295)
#3  in JOIN::optimize (this=0x2b6968017db0)
#4  in mysql_execute_select (thd=0x3176760, select_lex=0x3179470, free_join=true)

其次, make_cond_for_index 是一个递归的过程,对 where_cond中的每一个条件进行判断,对满足条件的 cond 重新组合成一个新的cond,最后将新的 cond 挂在table->file 下面(table->file 指的是操作物理表的接口函数,此变量为thd下私有的,不共享,共享的是tab->table->s),详细参考make_cond_for_index 的详细实现,设置的堆栈如下:

#0  ha_innobase::idx_cond_push (this=0x2b696800e810, keyno=0, idx_cond=0x2b69680179e8)
#1  0x0000000000a60a55 in push_index_cond (tab=0x2b696802aa48, keyno=0, other_tbls_ok=true, trace_obj=0x2b696413ec30)
#2  0x0000000000a6362f in make_join_readinfo (join=0x2b6968017db0, options=0, no_jbuf_after=4294967295)
#3  0x0000000000d9b8bd in JOIN::optimize (this=0x2b6968017db0
#4  0x0000000000a5b9ae in mysql_execute_select (thd=0x3176760, select_lex=0x3179470, free_join=true)

再次,server 层根据生成的 JOIN_TAB 读取engine层的内容,在engine读取的时候,会进行index_condition_pushdown的调用,即 ICP 的调用,堆栈如下:

#0  Item_func_like::val_int (this=0x2b6978005a28)
#1  0x0000000001187b66 in innobase_index_cond (file=0x2b696800e810)
#2  0x0000000001393566 in row_search_idx_cond_check (mysql_rec=0x2b69680129f0  <incomplete sequence \361>, prebuilt=0x2b69680130f8, rec=0x2b692b56e4cf "\200", offsets=0x2b697008d450)
#3  0x0000000001397e2b in row_search_for_mysql (buf=0x2b69680129f0  <incomplete sequence \361>, mode=2, prebuilt=0x2b69680130f8, match_mode=1, direction=0)
#4  0x00000000011696b9 in ha_innobase::index_read (this=0x2b696800e810, buf=0x2b69680129f0  <incomplete sequence \361>, key_ptr=0x2b697800a660 "", key_len=5, find_flag=HA_READ_KEY_EXACT)
#5  0x00000000006ecc58 in handler::index_read_map (this=0x2b696800e810, buf=0x2b69680129f0  <incomplete sequence \361>, key=0x2b697800a660 "", keypart_map=1, find_flag=HA_READ_KEY_EXACT)
#6  0x00000000006d6bb4 in handler::ha_index_read_map (this=0x2b696800e810, buf=0x2b69680129f0  <incomplete sequence \361>, key=0x2b697800a660 "", keypart_map=1, find_flag=HA_READ_KEY_EXACT)
#7  0x00000000009a1870 in join_read_always_key (tab=0x2b697800a1b8)
#8  0x000000000099d480 in sub_select (join=0x2b6978005df0, join_tab=0x2b697800a1b8, end_of_records=false)
#9  0x000000000099c6c0 in do_select (join=0x2b6978005df0)
#10 0x00000000009980a4 in JOIN::exec (this=0x2b6978005df0)
#11 0x0000000000a5bac0 in mysql_execute_select (thd=0x32801a0, select_lex=0x3282eb0, free_join=true)

可见在 ICP 的判断是调用相关item的函数的,虽然同是调用 server 层的函数,但是没有 ICP 的调用需要根据主建找到记录,然后再匹配,而有了 ICP 可以省略一次主键查找数据的过程,进而提升效率。

ICP 使用限制及问题

  • 只支持 select 语句;
  • 5.6 中只支持 MyISAM 与 InnoDB 引擎;
  • ICP的优化策略可用于range、ref、eq_ref、ref_or_null 类型的访问数据方法;
  • 不支持主建索引的 ICP;
  • 当 SQL 使用覆盖索引时但只检索部分数据时,ICP 无法使用,详细的分析可以参考 bug#68554 中 Olav Sandstå的分析,代码实现部分可以参考 make_join_readinfo
  • 在查询的时候即使正确的使用索引的前N个字段(即遵循前缀索引的原则),还是会用到 ICP,无故的多了 ICP 相关的判断,这应该是一个退化的问题,例:

      mysql> explain select * from icp where age=1 and name = 'a1';
      +----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+-------------+------+-----------------------+
      | id | select_type | table | type | possible_keys | key  | key_len | ref         | rows | Extra                 |
      +----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+-------------+------+-----------------------+
      |  1 | SIMPLE      | icp   | ref  | aind          | aind | 38      | const,const |    1 | Using index condition |
      +----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+-------------+------+-----------------------+
      1 row in set (3.26 sec)
    

PS: engine condition pushdown 是 NDB 使用的,其它引擎不支持。