面试官：order by 怎么优化？
01 前言
刚换了新工作，用了两周时间准备，在 3 天之内拿了 5 个 offer，最后选择了广州某互联网行业独角兽 offer，昨天刚入职。这几天刚好整理下在面试中被问到有意思的问题，也借此机会跟大家分享下。
这家企业的面试官有点意思，一面是个同龄小哥，一起聊了两个小时（聊到我嘴都干了）。二面是个从阿里出来的架构师，视频面试，我做完自我介绍之后，他一开场就问我：
对 MySQL 熟悉吗？
我一愣，随之意识到这是个坑。他肯定想问我某方面的原理了，恰好我研究过索引。就回答：
对索引比较熟悉。
他：
order by 是怎么实现排序的？
还好我又复习，基本上排序缓冲区、怎么优化之类的都答到点子上。今天也跟大家盘一盘 order by，我将从原理讲到最终优化，给大家聊聊 order by，希望对你有所帮助。
国际惯例，先上思维导图。 PS：文末有福利
1.1 往期精彩
1.2 先举个栗子
现在有一张订单表，结构是这样的：
CREATE TABLE `order` (
id INT ( 11 ) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
user_code VARCHAR ( 16 ) NOT NULL COMMENT '用户编号',
goods_name VARCHAR ( 64 ) NOT NULL COMMENT '商品名称',
order_date TIMESTAMP NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '下单时间',
city VARCHAR ( 16 ) DEFAULT NULL COMMENT '下单城市',
order_num INT ( 10 ) NOT NULL COMMENT '订单号数量',
PRIMARY KEY ( `id` )
) ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT = 100 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT = '商品订单表';
造点数据：
// 第一步：创建函数
delimiter //
DROP PROCEDURE
EXISTS proc_buildata;
CREATE PROCEDURE proc_buildata ( IN loop_times INT ) BEGIN
DECLARE var INT DEFAULT 0;
WHILE
var < loop_times DO
SET var = var + 1;
INSERT INTO `order` ( `id`, `user_code`, `goods_name`, `order_date`, `city` , `order_num`)
VALUES
( var, var + 1, '有线耳机', '2021-06-20 16:46:00', '杭州', 1 );
END WHILE;
END // delimiter;
// 第二步：调用上面生成的函数，即可插入数据，建议大家造点随机的数据。比如改改城市和订单数量
CALL proc_buildata(4000);
我生成的数据是这样的：
现有需求： 查出 618 期间，广州的小伙伴的订单数量和用户编号，并按照订单数量升序，只要 1000 条 。
根据需求可以得出以下 SQL，相信小伙伴都很熟悉了。
select city, order_num, user_code from `order` where city='广州' order by order_num limit 1000;
那这个语句是怎么执行的呢？有什么参数可以影响它的行为吗？
02 全字段排序
得到这个需求，我第一反应是先给 city 字段加上索引，避免全表扫描：
ALTER TABLE `order` ADD INDEX city_index ( `city` );
用 explain 看看执行情况
注意到最后一个 extra 字段的结果是： Using filesort ，表示需要排序。 其实 MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序，称为 sort_buffer 。
为了更直观了解排序的执行流程，我粗略画了个 city 索引的图示：
可见，现在满足 sql 条件的就是 ID-3 到 ID-X 这一段数据。sql 的整个流程是这样的：
- 1、初始化 sort_buffer，放入 city、order_num、user_code 这三个字段；
- 2、从索引 city 找到第一个满足 city=' 广州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_3；
- 3、到主键 id 索引取出整行，取 city、order_num、user_code 三个字段的值，存入 sort_buffer 中；
- 4、从索引 city 取下一个记录的主键 id；
- 5、重复步骤 3、4 直到 city 的值不满足查询条件为止，对应的主键 id 也就是图中的 ID_X；
- 6、对 sort_buffer 中的数据按照字段 order_num 做快速排序；
- 7、按照排序结果取前 1000 行返回给客户端。
这个过程称之为全字段排序，画个图，长这样：
其中， 按 order_num 排序 这个步骤，可能在内存中完成，也可能需要使用外部排序，这取决于排序所需的内存和参数 sort_buffer_size 。
也就是 MySQL 为排序开辟的内存（sort_buffer）的大小。如果要排序的数据量小于 sort_buffer_size，排序就在内存中完成。但如果排序数据量太大，内存顶不住，就得磁盘临时文件辅助排序。
当然，在 MySQL5.7 以上版本可以用下面介绍的 检测方法（后面都有用到） ，来查看一个排序语句是否使用了临时文件。PS： 这里的语句直接复制到 navicat 执行即可，要一起执行（都复制进去，点下执行）
/* 打开optimizer_trace，只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on';
/* @a保存Innodb_rows_read的初始值 */
select VARIABLE_VALUE into @a from performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';
/* 执行语句 */
select city, order_num, user_code from `order` where city='广州' order by order_num limit 1000;
/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`;
/* @b保存Innodb_rows_read的当前值 */
select VARIABLE_VALUE into @b from performance_schema.session_status where variable_name = 'Innodb_rows_read';
/* 计算Innodb_rows_read差值 */
select @b-@a;
执行完之后，可从 OPTIMIZER_TRACE 表的 TRACE 字段得到以下结果：
其中 examined_rows 表示需要排序的行数 6883；sort_buffer_size 就是排序缓冲区的大小；sort_buffer_size 就是我 MySQL 的排序缓冲区大小 256 KB。
另外，sort_mode 的值是 packed_additional_fields，它表示排序过程对数据做了优化，也就是数据占用多少就算多少内存。举个栗子：不存在数据定义长度 16，就按这个长度算，如果数据只占 2，只会按长度 2 分配内存。
number_of_tmp_files 代表的是用了几个外部文件来辅助排序。我这里是用了两个，内存放不下时，就使用外部排序，外部排序一般使用 归并排序 算法。可以这么简单理解， MySQL 将需要排序的数据分成 2 份，每一份单独排序后存在这些临时文件中。然后把这 2 个有序文件再合并成一个有序的大文件 。
最后一个查询语句，select @b-@a 的值是 6884，表示整个过程只扫描了 6883 行，为啥显示 6884？
因为查询 OPTIMIZER_TRACE 表时，需用到临时表；而 InnDB 引擎把数据从临时表取出时，Inndb_rows_read 值会加 1。
所以，把 internal_tmp_disk_storage_engine 设置为 MyISAM 可解决此问题。
03 rowid 排序
上面的全字段排序其实会有很大的问题，你可能发现了。 我们需要查询的字段都要放到 sort_buffer 中，如果查询的字段多了起来，内存占用升高，就会很容易打满 sort_buffer 。
这时，就要用很多的临时文件辅助排序，导致性能降低。
那问题来了：
我们思考的方向应该是降低排序的单行长度，哪有没有方法能做到呢？
肯定是有的，MySQL 之所以走全字段排序是由 max_length_for_sort_data 控制的，它的 默认值是 1024。
show variables like 'max_length_for_sort_data';
因为本文示例中 city,order_num,user_code 长度 = 16+4+16 =36 < 1024, 所以走的是全字段排序。我们来改下这个参数，改小一点，
SET max_length_for_sort_data = 16;
当单行的长度超过这个值，MySQL 就认为单行太大，要换一个算法。原来 city、user_code、order_num 占用的长度是 36，显然放不下全部查询字段了。这时就要换算法： sort_buffer 只存 order_num 和 id 字段 。
这时的流程应该是这样的：
- 1、初始化 sort_buffer，确定放入两个字段，即 order_num 和 id；
- 2、从索引 city 找到第一个满足 city=' 广州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_3；
- 3、回表，取 order_num、id 这两个字段，存入 sort_buffer 中；
- 4、从索引 city 取下一个记录的主键 id；
- 5、重复步骤 3、4 直到不满足 city=' 广州’条件为止，也就是图中的 ID_X；
- 6、对 sort_buffer 中的数据按照字段 order_num 进行排序；
- 7、遍历排序结果，取前 1000 行，再次回表取出 city、order_num 和 user_code 三个字段返回给客户端。
图示：由图可见，这种方式其实多了一次回表操作、但 sort_buffer_size 占用却变小了。
此时，执行上面的检测方法，可以发现 OPTIMIZER_TRACE 表中的信息变了。
- sort_mode 变成了 <sort_key, rowid>， 表示参与排序的只有 order_num 和 id 这两个字段 。
- number_of_tmp_files 变成 0 了，是因为这时参与排序的行数虽然仍然是 6883 行，但是每一行都变小了，因此需要排序的总数据量就变小了，sort_buffer_size 能满足排序用的内存，所以临时文件就不需要了。
examined_rows 的值还是 6883，表示用于排序的数据是 6883 行。但是 select @b-@a 这个语句的值变成 7884 了。因为这时候除了排序过程外，在排序完成后，还要回表一次。由于语句是 limit 1000，所以会多读 1000 行。
3.1 做个小结
rowid 排序中， 排序过程一次可以排序更多行，但是需要回表取数据 。
如果内存足够大，MySQL 会优先选择全字段排序，把需要的字段都放到 sort_buffer 中，这样排序后就会直接从内存返回查询结果了，不用回表。
这也就体现了 MySQL 的一个设计思想： 如果内存够，就要多利用内存，尽量减少磁盘访问 。
对于 InnoDB 表来说，rowid 排序会要求回表多造成磁盘读，因此不会被优先选择 。
这两种都是因为数据本身是无序的，才要放到 sort_buffer 并生成临时文件才能做排序。
哪有没有办法，让数据本身就有序呢？回想下，我们学过的索引就是有序的。
04 索引优化
这时，要是我把 city、order_num 建一个组合索引，得出的数据是不是就是天然有序的了？比如：
alter table `order` add index city_order_num_index(city, order_num);
此时，order 表的索引长这样：
文章开头的 sql 执行语句。执行流程长这样：
- 1、从索引 (city,order_num) 找到第一个满足 city=' 广州’条件的主键 id；
- 2、回表，取 city、order_num、user_code 三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
- 3、从索引 (city,order_num) 取下一个记录主键 id；
- 4、重复步骤 2、3，直到查到第 1000 条记录，或者是不满足 city=' 广州’条件时循环结束。
用 explain 看下，这个过程不需要排序，更不需要临时表。 只需要一次回表 ：
从图中可以看到， Extra 字段中没有 Using filesort 了，也就是不需要排序了 。而且由于 (city,order_num) 这个联合索引本身有序，只要找到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了，再回表一次。也就是说，只需要扫描 2000 次。
问题来了，还有没有更优解呢？
05 终极优化
上面的方法，还是有一次回表，主要是因为索引中不包括 user_code。回顾下我们之前学过的 sql 优化，是怎么避免回表的？
查询字段，加到组合索引中呀 ，对应到这张表，就是把 user_code 也加到组合索引中：
alter table `order` add index city_order_num_user_code_index(city, order_num, user_code);
此时的流程长这样，直接取数据就完事了：
explain 看下执行情况：
从图中可知， Extra 字段中多了 Using index 了，也就是使用了索引覆盖 。连回表都不需要了，只需扫描 1000 次。
完美～
5.1 参数调优
除此以外，还可以通过调整参数优化 order by 的执行。 比如调整 sort_buffer_size 尽量大点 ，因为 sort_buffer 太小，排序数据量大的话，会借助磁盘临时文件排序。如果 MySQL 服务器配置高的话，可以稍微调大点。
再 比如把 max_length_for_sort_data 的值调大点 。如果该值过小，则会增加回表次数、降低查询性能。
06 order by 常见面试题
1、查询语句有 in 多个属性时，SQL 执行是否有排序过程？
假设现在有联合索引 (city,order_num,user_code)，执行以下 SQL 语句：
select city, order_num, user_code from `order` where city in ('广州') order by order_num limit 1000
in 单个条件，毫无疑问是不需要排序的。explain 一下：
但是，in 多个条件时；就会有排序过程，比如执行以下语句
select city, order_num, user_code from `order` where city in ('广州','深圳') order by order_num limit 1000
explain 以下，看到最后有 Using filesort 就说明有排序过程。这是为啥呢？
因为 order_num 本来就是组合索引，满足 "city = 广州" 只有一个条件时，它是有序的。满足 "city = 深圳" 时，它也是有序的。但是两者加到一起就不能保证 order_num 还是有序的了。
2、分页 limit 过大，导致大量排序。咋办？
select * from `user` order by age limit 100000,10
- 可以记录上一页最后的 id，下一页查询时，查询条件带上 id，如：where id > 上一页最后 id limit 10。
- 也可以在业务允许的情况下，限制页数。
3、索引存储顺序与 order by 不一致，如何优化？
假设有联合索引 (age,name)， 我们需求修改为这样： 查询前 10 个学生的姓名、年龄，并且按照年龄小到大排序，如果年龄相同，则按姓名降序排 。对应的 SQL 语句应该是：
select name, age from student order by age, name desc limit 10;
explain 一下， extra 的值是 Using filesort ，走了排序过程：
这是因为，(age,name) 索引树中，age 从小到大排序， 如果 age 相同，再按 name 从小到大排序 。而 order by 中，是按 age 从小到大排序，如果 age 相同，再按 name 从大到小排序。也就是说，索引存储顺序与 order by 不一致。
我们怎么优化呢？如果 MySQL 是 8.0 版本，支持 Descending Indexes ，可以这样修改索引：
CREATE TABLE `student` (
`id` bigint(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键id',
`student_id` varchar(20) NOT NULL COMMENT '学号',
`name` varchar(64) NOT NULL COMMENT '姓名',
`age` int(4) NOT NULL COMMENT '年龄',
`city` varchar(64) NOT NULL COMMENT '城市',