MySQL索引（二）B+树在磁盘中的存储
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上一篇文章《MySQL索引为什么要用B+树》讲了MySQL为什么选择用B+树来作为底层存储结构，提了两个知识点：
- B+树索引并不能直接找到行，只是找到行所在的页，通过把整页读入内存，再在内存中查找。
- 索引的B+树高度一般为2-4层，查找记录时最多只需要2-4次IO。
为进一步知其所以然，今天来聊聊B+树索引在物理磁盘上是怎么设计存储的。
一、理解为什么要减少磁盘IO次数
众所周知，MySQL的数据实际是存储在文件中，而磁盘IO的查找速度是要远小于内存速度的，所以减少磁盘IO的次数能很大程度的提高MySQL性能。
1.1 磁盘IO为什么慢
先温习下知识点：磁盘IO时间 = 寻道 + 磁盘旋转 + 数据传输时间
从磁盘读取数据时，系统会将逻辑地址发给磁盘，磁盘将逻辑地址转换为物理地址（哪个磁道，哪个扇区）。 磁头进行机械运动，先找到相应磁道，再找该磁道的对应扇区，扇区是磁盘的最小存储单元（见图1-1）。
 图1-1 磁盘物理结构
1.2 性能对比
机械硬盘的连续读写性能很好，但随机读写性能很差。
- 顺序访问：内存访问速度是硬盘访问速度的6~7倍（
kafka的特点，以后有机会的话再讲一讲） - 随机访问：内存访问速度就要比硬盘访问速度快上10万倍以上
随机读写时，磁头需要不停的移动，时间都浪费在了磁头寻址上。 而在实际的磁盘存储里，是很少顺序存储的，因为这样的维护成本会很高。
二、索引在磁盘上的存储
知道磁盘IO的性能了吧，接下来看看MySQL是如何根据这种情况来设计索引的物理存储，以下内容以InnoDB引擎为例，MyISAM略有不同，后面再讲。
假设我们有一张这样的表，表中有如图2-0的数据
CREATE TABLE `user` (
`ID` bigint(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT, `NAME` varchar(20), PRIMARY KEY (`ID`), KEY `idx_name` (`NAME`) ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8; 复制代码
图2-0 表数据
2.1 聚集索引（Clustered index ）
每个InnoDB表都有一个称为聚集索引的特殊索引，该索引是按照表的主键构造的一棵B+树。
根据示例数据构建如图2-1所示聚集索引：
 图2-1 B+树聚集索引
2.1.1 知识点
- 叶子节点存放了整张表的所有行数据。
- 非叶子节点并不存储行数据，是为了能存储更多索引键，从而降低B+树的高度，进而减少IO次数。
- 聚集索引的存储在物理上并不是连续的，每个数据页在不同的磁盘块，通过一个双向链表来进行连接。
2.1.2 查找：假设要查找数据项6
- 把根节点由磁盘块0加载到内存，发生一次IO，在内存中用二分查找确定6在3和9之间；
- 通过指针P2的磁盘地址，将磁盘2加载到内存，发生第二次IO，再在内存中进行二分查找找到6，结束。
这里只进行了两次IO，实际上，每个磁盘块大小为4K，3层的B+树可以表示上百万的数据，也就是每次查找只需要3次IO，所以索引对性能的提高将是巨大的。

2.1.3 怎样选择聚集索引
每张InnoDB表有且只有一个聚集索引，那它是怎么选择索引的呢？
- 一般情况，用
PRIMARY KEY来作为聚集索引。 - 如果没有定义
PRIMARY KEY，将会用第一个UNIQUE且NOT NULL的列来作为聚集索引。 - 如果表没有合适的
UNIQUE索引，会内部根据行ID值生成一个隐藏的聚簇索引GEN_CLUST_INDEX。
所以在建表的时候，如果没有逻辑唯一且非空列时，可以添加一个auto_increment的列，方便建立一个聚集索引。
2.2 非聚集索引（Secondary indexes）
非聚集索引又叫辅助索引，叶子节点并不包含行记录数据，而是存储了聚集索引键。
根据示例数据（idx_name索引）构建如图2-2所示辅助索引：
 图2-2 B+树非聚集索引
2.2.1 知识点
- 每个表可以有多个辅助索引
- 通过辅助索引查数据时，先查找辅助索引获得聚集索引的主键，然后通过主键索引来查找完整的行记录。
- 通过非主键索引比主键索引查找速度要慢一倍。
2.2.2 查找：获取NAME=Jake的数据
第一阶段：通过辅助索引查到主键索引的主键
- 把idx_name索引的根节点由磁盘块0加载到内存，发生一次IO，查找到在P2指针中
- 根据P2指针的磁盘地址，加载磁盘块2到内存，发生第二次IO，查找到Jake节点以及它的主键索引9
第二阶段：通过主键索引找到完整的行记录
- 把根节点由磁盘块0加载到内存，发生一次IO，在内存中用二分查找确定9在P3指针中
- 通过指针P3的磁盘地址，将磁盘3加载到内存，发生第二次IO，再在内存中进行二分查找找到9，以及它的行记录，
查找结束。
未完待续…
原文链接：MySQL索引（二）B+树在磁盘中的存储 - 掘金 https://juejin.im/post/5cef2c43e51d45572c05ffe3
