MySQL的Order by与Group by优化详解！

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- 前言
- 核心思想：让索引帮你“排好序”或“分好组”
- Part 1: ORDER BY 优化详解
- - 1.1 什么是 Filesort？为什么它慢？
  - 1.2 如何避免 Filesort？—— 利用索引的有序性
  - 1.3 EXPLAIN 示例 (ORDER BY)
- Part 2: GROUP BY 优化详解
- - 2.1 什么是 Using Temporary 和 Using Filesort (for GROUP BY)？
  - 2.2 如何避免 Using Temporary 和 Filesort (for GROUP BY)？—— 利用索引的有序性
  - 2.3 EXPLAIN 示例 (GROUP BY)
- Part 3: 联合索引，同时优化 WHERE, ORDER BY, GROUP BY
- 总结 📝

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前言

你好呀，数据库优化路上的同行们！🚀 当我们在数据库中查询数据时，除了根据 WHERE 条件筛选记录，经常还需要对结果进行排序 (ORDER BY) 或分组聚合 (GROUP BY)。这两个操作看似简单，但一旦数据量上来，它们就可能成为查询的性能瓶颈，导致查询变慢，甚至拖垮整个数据库系统。

为什么 ORDER BY 和 GROUP BY 会慢呢？因为它们通常需要对大量数据进行排序或构建哈希表进行聚合，这个过程可能需要在内存甚至磁盘上进行，消耗大量的 CPU 和 I/O 资源。在 EXPLAIN 的输出中，如果看到 Extra 列出现了 Using filesort 或 Using temporary，那就要警惕了，这往往是性能问题的信号！🚨

今天，我们就来详细探讨如何通过合理的索引策略，帮助 MySQL 避免这些昂贵的操作，让 ORDER BY 和 GROUP BY 飞起来！✨

核心思想：让索引帮你“排好序”或“分好组”

优化 ORDER BY 和 GROUP BY 的核心思路是一样的：利用索引的有序性。B+tree 索引（MySQL InnoDB 存储引擎的默认索引类型）的一个关键特性就是存储的数据是按照索引列的值有序排列的。如果查询所需的排序或分组顺序恰好与某个索引的顺序一致，MySQL 就可以直接按照索引的顺序读取数据，而无需额外的排序或分组步骤。

Part 1: ORDER BY 优化详解

ORDER BY 子句用于指定结果集的排序方式。如果不能使用索引进行排序，MySQL 就需要执行一个额外的排序步骤，这个过程称为 Filesort。

1.1 什么是 Filesort？为什么它慢？

当 MySQL 无法利用索引来满足 ORDER BY 的需求时，它会将查询结果（或者至少是需要排序的列以及用于回表的主键/行指针）读取出来，然后在内存中进行排序。如果内存不足，就会将数据分块，利用磁盘进行“归并排序”。这个过程就是 Filesort。

EXPLAIN 的 Extra 列显示 Using filesort，就表示发生了 Filesort。

为什么 Filesort 慢？

CPU 消耗： 排序本身是一个计算密集型操作。
内存消耗： 需要分配内存缓冲区来存储待排序的数据。
磁盘 I/O (如果内存不足)： 当数据量大到内存装不下时，就会使用临时文件进行排序，产生大量的磁盘读写，这是最慢的情况。

1.2 如何避免 Filesort？—— 利用索引的有序性

避免 Filesort 的最佳方法是创建一个索引，使其列的顺序和排序方向与 ORDER BY 子句的要求一致。

条件：

要让索引能够用于 ORDER BY，通常需要满足以下条件：

索引列顺序： ORDER BY 子句中的所有列必须是索引中的连续的列，并且是索引的前缀。
- 例如，索引 (colA, colB, colC) 可以用于 ORDER BY colA, ORDER BY colA, colB, ORDER BY colA, colB, colC。
- 但不能用于 ORDER BY colB, ORDER BY colA, colC, ORDER BY colB, colA。
排序方向： ORDER BY 子句中所有列的排序方向（ASC 或 DESC）必须一致，并且与索引的创建方向一致，或者全部与索引创建方向相反。MySQL 可以倒序扫描索引来满足相反方向的排序。
- 例如，索引 (colA ASC, colB ASC) 可以用于 ORDER BY colA ASC, colB ASC 和 ORDER BY colA DESC, colB DESC。
- 但不能用于 ORDER BY colA ASC, colB DESC。
WHERE 子句与索引的关系： 如果查询有 WHERE 子句，并且 WHERE 子句使用了索引的前缀列进行等值查询，那么 ORDER BY 子句可以使用索引中紧随其后的列进行排序。
- 例如，索引 (colA, colB, colC)。
- 查询 SELECT * FROM table WHERE colA = '...' ORDER BY colB, colC; 可以使用索引进行排序。
- 查询 SELECT * FROM table WHERE colA > '...' ORDER BY colB, colC; 可能无法使用索引排序，因为 WHERE 子句在 colA 上是范围查询，中断了索引的连续性。
- 查询 SELECT * FROM table WHERE colB = '...' ORDER BY colA; 无法使用索引排序，因为 WHERE 子句没有使用索引的前缀。
排序的列和 WHERE 子句的过滤列不能是相互冲突的范围： 例如 WHERE colA = 1 ORDER BY colA.
没有 LIMIT 但 ORDER BY 列不在 WHERE 子句中，或 WHERE 是范围查询： 这种情况下，MySQL 可能为了避免全索引扫描而选择 Filesort。但如果有了 LIMIT，MySQL 可能会重新考虑使用索引排序。
ORDER BY RAND()： 这个是随机排序，索引是无法满足的，必定是 Filesort。避免在生产环境使用 ORDER BY RAND()，可以考虑其他随机获取数据的方法。

1.3 EXPLAIN 示例 (ORDER BY)

假设我们有表 products：

CREATE TABLE products (
    product_id INT PRIMARY KEY,
    category_id INT,
    price DECIMAL(10, 2),
    create_time DATETIME
);

-- 创建一个联合索引
CREATE INDEX idx_cat_price_time ON products (category_id, price, create_time);

-- 可以自己插入一些数据来进行下面的测试！

示例 1: Filesort (排序列不在索引前缀)

EXPLAIN SELECT * FROM products ORDER BY create_time DESC;

EXPLAIN 结果可能显示 type: ALL (全表扫描) 和 Extra: Using filesort。因为 create_time 不是索引 idx_cat_price_time 的前缀。

示例 2: 利用索引排序 (符合前缀规则)

EXPLAIN SELECT * FROM products ORDER BY category_id ASC, price ASC;

EXPLAIN 结果可能显示 type: index (全索引扫描) 或 type: ALL (如果优化器认为全表扫描更快)，但 Extra 中没有 Using filesort。或者如果同时有 WHERE 子句限制了扫描范围，type 可能是 range 或 ref，且 Extra 中没有 Using filesort。

EXPLAIN SELECT * FROM products WHERE category_id = 10 ORDER BY price ASC, create_time ASC;

EXPLAIN 结果可能显示 type: ref，并且 Extra 中没有 Using filesort。因为 WHERE 子句使用了索引前缀 category_id 的等值条件，ORDER BY 子句使用了索引中紧随其后的列 price 和 create_time。

示例 3: Filesort (排序方向不一致)

EXPLAIN SELECT * FROM products WHERE category_id = 10 ORDER BY price ASC, create_time DESC;

EXPLAIN 结果很可能显示 type: ref，但 Extra 中有 Using filesort。因为 price 是 ASC 排序，而 create_time 是 DESC 排序，与索引定义 (..., price ASC, create_time ASC) 的方向不完全一致（或者完全相反）。

优化建议 (ORDER BY):

分析慢查询中的 ORDER BY 子句。
检查是否有合适的索引，其列的顺序和方向能匹配 ORDER BY 的需求。
如果 WHERE 和 ORDER BY 都很频繁，考虑创建联合索引，将 WHERE 条件中用于等值过滤的列放在前面，将 ORDER BY 中的列按顺序放在后面。
使用 EXPLAIN 验证 Filesort 是否被消除。

Part 2: GROUP BY 优化详解

GROUP BY 子句用于将结果集按照一个或多个列进行分组，通常与聚合函数（如 COUNT(), SUM(), AVG(), MAX(), MIN()）一起使用。如果不能利用索引完成分组，MySQL 可能会创建临时表来存储中间结果，或者先排序再分组。

2.1 什么是 Using Temporary 和 Using Filesort (for GROUP BY)？

当 MySQL 无法直接通过索引的有序性来满足 GROUP BY 的需求时，它可能采取以下策略：

创建临时表 (Using temporary): MySQL 会创建一个内存或磁盘上的临时表，将需要分组的列和聚合所需的列存入其中。然后遍历所有符合 WHERE 条件的行，将数据插入临时表，并在插入时进行聚合（如果临时表上有主键或唯一索引）或插入后进行聚合。
排序后分组 (Using filesort): MySQL 会将结果集按照 GROUP BY 的列进行排序，然后遍历排序后的结果进行分组聚合。这个排序过程也可能导致 Filesort。

EXPLAIN 的 Extra 列显示 Using temporary 或 Using filesort（有时两者都会出现），就表示 GROUP BY 过程不够优化。

为什么慢？

临时表： 创建和维护临时表有开销，尤其是当临时表溢写到磁盘时，会产生大量磁盘 I/O。
Filesort： 同 ORDER BY 中的 Filesort，消耗 CPU 和 I/O。

2.2 如何避免 Using Temporary 和 Filesort (for GROUP BY)？—— 利用索引的有序性

类似于 ORDER BY，利用索引的有序性可以帮助 MySQL 直接按分组所需的顺序扫描数据，从而避免临时表和额外的排序。

条件：

要让索引能够用于 GROUP BY，通常需要满足以下条件：

索引列顺序： GROUP BY 子句中的所有列必须是索引中的连续的列，并且是索引的前缀。
- 例如，索引 (colA, colB, colC) 可以用于 GROUP BY colA, GROUP BY colA, colB, GROUP BY colA, colB, colC。
- 但不能用于 GROUP BY colB, GROUP BY colA, colC, GROUP BY colB, colA。
WHERE 子句与索引的关系： 如果查询有 WHERE 子句，并且 WHERE 子句使用了索引的前缀列进行等值查询，那么 GROUP BY 子句可以使用索引中紧随其后的列进行分组。
- 例如，索引 (colA, colB, colC)。
- 查询 SELECT colA, colB, COUNT(*) FROM table WHERE colA = '...' GROUP BY colA, colB; 可以使用索引进行分组。
- 查询 SELECT colA, colB, COUNT(*) FROM table WHERE colA > '...' GROUP BY colA, colB; 可能无法使用索引分组，原因同 ORDER BY。
- 查询 SELECT colA, colB, COUNT(*) FROM table WHERE colB = '...' GROUP BY colA, colB; 无法使用索引分组，因为 WHERE 子句没有使用索引的前缀。
GROUP BY 列的顺序很重要： 必须严格按照索引列的顺序进行分组。
没有 DISTINCT 或 MIN/MAX 在非索引列上： 某些复杂的聚合函数组合可能阻止索引用于分组。COUNT(DISTINCT ...) 也经常导致无法使用索引进行分组。

2.3 EXPLAIN 示例 (GROUP BY)

还是使用上面的 products 表和 idx_cat_price_time (category_id, price, create_time) 索引。

示例 4: Using Temporary / Filesort (分组列不在索引前缀)

EXPLAIN SELECT price, COUNT(*) FROM products GROUP BY price;

EXPLAIN 结果可能显示 type: ALL 和 Extra: Using temporary; Using filesort。因为 price 不是索引 idx_cat_price_time 的前缀。

示例 5: 利用索引分组 (符合前缀规则)

EXPLAIN SELECT category_id, COUNT(*) FROM products GROUP BY category_id;

EXPLAIN 结果可能显示 type: index (全索引扫描) 或 type: ALL，但 Extra 中没有 Using temporary 和 Using filesort。或者如果同时有 WHERE 子句限制了扫描范围，type 可能是 range 或 ref，且 Extra 中没有 Using temporary 和 Using filesort。

EXPLAIN SELECT category_id, price, COUNT(*) FROM products WHERE category_id = 10 GROUP BY category_id, price;

EXPLAIN 结果可能显示 type: ref，并且 Extra 中没有 Using temporary 和 Using filesort。因为 WHERE 子句使用了索引前缀 category_id 的等值条件，GROUP BY 子句使用了索引中紧随其后的列 category_id 和 price（尽管 category_id 在 WHERE 里已经限制了，但在 GROUP BY 里再次出现并不影响索引的使用）。

优化建议 (GROUP BY):

分析慢查询中的 GROUP BY 子句。
检查是否有合适的索引，其列的顺序能匹配 GROUP BY 的需求。
如果 WHERE 和 GROUP BY 都很频繁，考虑创建联合索引，将 WHERE 条件中用于等值过滤的列放在前面，将 GROUP BY 中的列按顺序放在后面。
注意 GROUP BY 列的顺序必须和索引前缀严格匹配。
对于 COUNT(DISTINCT ...) 或复杂聚合，可能难以用索引优化分组，需要考虑其他方案（如子查询、汇总表等）。
使用 EXPLAIN 验证 Using temporary 和 Using filesort 是否被消除。

Part 3: 联合索引，同时优化 WHERE, ORDER BY, GROUP BY

最理想的情况是，一个联合索引能够同时支持 WHERE 子句过滤、GROUP BY 分组和 ORDER BY 排序。这需要精心设计索引列的顺序。

索引列顺序的考虑优先级（通常）：

WHERE 子句中的等值条件列： 放在索引最前面，能最有效地缩小扫描范围。
WHERE 子句中的范围条件列： 放在等值条件列后面。范围条件会终止索引后续列用于进一步的索引查找优化，但可能可以用于 ICP。
GROUP BY 子句中的列： 放在 WHERE 条件列后面，且顺序要和 GROUP BY 的顺序一致。
ORDER BY 子句中的列： 放在 GROUP BY 列后面（如果 GROUP BY 和 ORDER BY 使用的列不同），且顺序和方向要一致。
查询中需要返回的列 (用于索引覆盖)： 如果可能，将查询中 SELECT 的其他列也加入到索引中，形成覆盖索引，彻底避免回表。这部分列通常放在索引的最后。

示例 6: 一个尝试同时优化 WHERE, GROUP BY, ORDER BY 的联合索引

假设我们有一个查询：

SELECT category_id, price, COUNT(*) as total_count
FROM products
WHERE category_id = 10 AND create_time >= '2023-01-01'
GROUP BY category_id, price
ORDER BY price ASC, category_id ASC; -- 注意这里的ORDER BY顺序

根据上述优先级和规则，我们可以尝试创建索引：

-- category_id 是等值条件，放最前
-- create_time 是范围条件，放 category_id 后面
-- GROUP BY 是 category_id, price，所以 price 放 create_time 后面
-- ORDER BY 是 price ASC, category_id ASC，这与 GROUP BY 的列顺序一致，可以考虑合并
CREATE INDEX idx_optimal ON products (category_id, create_time, price);

执行 EXPLAIN 看看效果：

EXPLAIN SELECT category_id, price, COUNT(*) as total_count
FROM products
WHERE category_id = 10 AND create_time >= '2023-01-01'
GROUP BY category_id, price
ORDER BY price ASC, category_id ASC;

理想情况下，如果优化器认为这个索引合适：

WHERE category_id = 10 利用索引前缀进行等值查找。
WHERE create_time >= '2023-01-01' 利用索引的 create_time 部分进行范围扫描（可能伴随 ICP）。
GROUP BY category_id, price 由于 category_id 在 WHERE 中已固定，且 price 紧随 create_time 之后，MySQL 可以利用索引的有序性进行分组。
ORDER BY price ASC, category_id ASC 由于 GROUP BY 通常会隐含排序，且这里的 ORDER BY 列和方向与 GROUP BY 以及索引的后续列顺序一致，MySQL 可以直接使用索引的顺序，避免 Filesort。

EXPLAIN 结果中可能显示 type: range，并且 Extra 中没有 Using temporary 和 Using filesort。✨

重要的注意事项：

ORDER BY 和 GROUP BY 的列和方向必须严格匹配索引的顺序和方向（或完全相反）才能利用索引避免 Filesort/Using temporary。
在一个查询中，ORDER BY 和 GROUP BY 有时会“争抢”索引的使用。如果一个索引能同时满足两者，MySQL 优化器会选择最有利的方式。
GROUP BY 如果能使用索引，通常也意味着结果是按照 GROUP BY 的列排序的，所以如果 ORDER BY 的列和方向与 GROUP BY 完全一致，ORDER BY 就可以被“优化掉”或者说融入到分组过程中。
EXPLAIN 是唯一的真理！任何索引优化猜想都需要通过 EXPLAIN 来验证。

总结 📝

优化 ORDER BY 和 GROUP BY 的核心在于让 MySQL 能够利用索引的有序性来完成排序和分组，从而避免代价高昂的 Filesort 和 Using temporary 操作。

ORDER BY 优化： 关注索引列的顺序和排序方向是否与 ORDER BY 子句匹配，特别是与 WHERE 子句结合时的“最左前缀”规则。目标是消除 EXPLAIN 中的 Using filesort。
GROUP BY 优化： 关注索引列的顺序是否与 GROUP BY 子句匹配，同样要考虑与 WHERE 子句的结合。目标是消除 EXPLAIN 中的 Using temporary 和 Using filesort。
联合索引： 精心设计的联合索引可以同时优化 WHERE、GROUP BY 和 ORDER BY。索引列的顺序通常按照等值过滤、范围过滤、分组、排序的优先级来考虑。
EXPLAIN 神器： 永远使用 EXPLAIN 来分析查询的执行计划，确认 Filesort 和 Using temporary 是否被避免，并评估索引的使用情况。