参考：

• 14 | count(*)这么慢，我该怎么办？| 极客时间 (opens new window)
• 16 | “order by”是怎么工作的？| 极客时间 (opens new window)
• 17 | 如何正确地显示随机消息？| 极客时间 (opens new window)

1. count(*) 这么慢，我该怎么办？

系统中的统计部分经常需要 select count(*) from t，但你会发现，随着系统中记录数越来越多，这条语句执行得也会越来越慢。

这一章主要聊一下 count(*) 到底是怎样实现的，以及 MySQL 为什么会这样实现。然后，我会再和你说说，如果应用中有这种频繁变更并需要统计表行数的需求，业务设计上可以怎么做。

1.1 count(*) 的实现方式

在不同的 MySQL 引擎中，count(*) 有不同的实现方式：

• MyISAM 引擎把一个表的总行数存在了磁盘上，因此执行 count(*) 的时候会直接返回这个数，效率很高；
• 而 InnoDB 引擎就麻烦了，它执行 count(*) 的时候，需要把数据一行一行地从引擎里面读出来，然后累积计数。

这里需要注意的是，我们在这篇文章里讨论的是没有过滤条件的 count(*)，如果加了 where 条件的话，MyISAM 表也是不能返回得这么快的。

在前面，我们已经知道，InnoDB 无论在事务支持、并发能力还是数据安全方面，都是优于 MyISAM，所以我们也往往选择它，这也就是当我们的记录数越来越多的时候，计算一个表的总行数会越来越慢的原因。

那为什么 InnoDB 不跟 MyISAM 一样，也把 count 结果存起来呢？这是因为即使是在同一个时刻的多个查询，由于多版本并发控制（MVCC）的原因，InnoDB 表“应该返回多少行”也是不确定的。这里，我用一个算 count(*) 的例子来为你解释一下。

假设表 t 中现在有 10000 条记录，我们设计了三个用户并行的会话：

• 会话 A 先启动事务并查询一次表的总行数；
• 会话 B 启动事务，插入一行后记录后，查询表的总行数；
• 会话 C 先启动一个单独的语句，插入一行记录后，查询表的总行数。

我们假设从上到下是按照时间顺序执行的，同一行语句是在同一时刻执行的：

图 1 会话 A、B、C 的执行流程

你会看到，在最后一个时刻，三个会话 A、B、C 会同时查询表 t 的总行数，但拿到的结果却不同。这和 InnoDB 的事务设计有关系，可重复读是它默认的隔离级别，在代码上就是通过多版本并发控制，也就是 MVCC 来实现的。每一行记录都要判断自己是否对这个会话可见，因此对于 count(*) 请求来说，InnoDB 只好把数据一行一行地读出依次判断，可见的行才能够用于计算“基于这个查询”的表的总行数。

当然，现在这个看上去笨笨的 MySQL，在执行 count(*) 操作的时候还是做了优化的。你知道的，InnoDB 是索引组织表，主键索引树的叶子节点是数据，而普通索引树的叶子节点是主键值。所以，普通索引树比主键索引树小很多。对于 count(*) 这样的操作，遍历哪个索引树得到的结果逻辑上都是一样的。因此，MySQL 优化器会找到最小的那棵树来遍历。在保证逻辑正确的前提下，尽量减少扫描的数据量，是数据库系统设计的通用法则之一。

如果你用过 show table status 命令的话，就会发现这个命令的输出结果里面也有一个 TABLE_ROWS 用于显示这个表当前有多少行，这个命令执行挺快的，那这个 TABLE_ROWS 能代替 count(*) 吗？

答案是不能。之前我们知道，索引统计的值是通过采样来估算的，这里的 TABLE_ROWS 也是从这个采样估算得来的，因此它很不准，官方文档说误差可能达到 40% 到 50%。所以，show table status 命令显示的行数也不能直接使用。

到这里我们小结一下：

• MyISAM 表虽然 count(*) 很快，但是不支持事务；
• show table status 命令虽然返回很快，但是不准确；
• InnoDB 表直接 count(*) 会遍历全表，虽然结果准确，但会导致性能问题。

那么，回到文章开头的问题，如果你现在有一个页面经常要显示交易系统的操作记录总数，到底应该怎么办呢？答案是，我们只能自己计数。接下来，我们讨论一下，看看自己计数有哪些方法，以及每种方法的优缺点有哪些。

这里，我先和你说一下这些方法的基本思路：你需要自己找一个地方，把操作记录表的行数存起来。

1.2 用缓存系统来保存计数

对于更新很频繁的库来说，你可能会第一时间想到，用缓存系统来支持，这样读和更新都很快。

但这缓存系统可能会丢失更新，比如由于 Redis 异常重启，导致原本要存储到 Redis 的更新被丢掉了。当然这也有解决办法：Redis 重启后就再执行一次 count(*) 写回到 Redis 中，异常重启毕竟不是经常出现的情况，这样的代价还是可以接受的。

但实际上，将计数保存在缓存系统中的方式，还不只是丢失更新的问题。即使 Redis 正常工作，这个值还是逻辑上不精确的。因此在并发情况下，执行顺序的问题可能会出现 Redis 与 MySQL 的数据不一致的问题，我们无法精确控制不同线程的执行时刻，所以即使 Redis 正常工作，这个计数值还是逻辑上不精确的。

1.3 在数据库保存计数

根据上一节的分析，用缓存系统来保存 count 有更新丢失和计数不精确的问题，那如果我们把这个计数直接放到数据库里单独的一张计数表 C 中，又会怎么样呢？

• 首先，这解决了崩溃丢失的问题，InnoDB 是支持崩溃恢复不丢数据的。
• 然后，借助于事务机制，也可以保证计数值逻辑一致。

1.4 不同的 count 用法

在 select count(?) from t 这样的查询语句里面，count(*)、count(主键 id)、count(字段) 和 count(1) 等不同用法的性能，有哪些差别？

这里还是基于 InnoDB 引擎来讨论。

首先你要弄清楚 count() 的语义。count() 是一个聚合函数，对于返回的结果集，一行行地判断，如果 count 函数的参数不是 NULL，累计值就加 1，否则不加。最后返回累计值。

所以，count(*)、count(主键 id) 和 count(1) 都表示返回满足条件的结果集的总行数；而 count(字段)，则表示返回满足条件的数据行里面，参数“字段”不为 NULL 的总个数。

至于分析性能差别的时候，你可以记住这么几个原则：

• server 层要什么就给什么；
• InnoDB 只给必要的值；
• 现在的优化器只优化了 count(*) 的语义为“取行数”，其他“显而易见”的优化并没有做。

这是什么意思呢？接下来，我们就一个个地来看看。

对于 count(主键 id) 来说，InnoDB 引擎会遍历整张表，把每一行的 id 值都取出来，返回给 server 层。server 层拿到 id 后，判断是不可能为空的，就按行累加。

对于 count(1) 来说，InnoDB 引擎遍历整张表，但不取值。server 层对于返回的每一行，放一个数字“1”进去，判断是不可能为空的，按行累加。

单看这两个用法的差别的话，你能对比出来，count(1) 执行得要比 count(主键 id) 快。因为从引擎返回 id 会涉及到解析数据行，以及拷贝字段值的操作。

对于 count(字段) 来说：

• 如果这个“字段”是定义为 not null 的话，一行行地从记录里面读出这个字段，判断不能为 null，按行累加；
• 如果这个“字段”定义允许为 null，那么执行的时候，判断到有可能是 null，还要把值取出来再判断一下，不是 null 才累加。

也就是前面的第一条原则，server 层要什么字段，InnoDB 就返回什么字段。

但是 count(*) 是例外，并不会把全部字段取出来，而是专门做了优化，不取值。count(*) 肯定不是 null，按行累加。

看到这里，你一定会说，优化器就不能自己判断一下吗，主键 id 肯定非空啊，为什么不能按照 count(*) 来处理，多么简单的优化啊。当然，MySQL 专门针对这个语句进行优化，也不是不可以。但是这种需要专门优化的情况太多了，而且 MySQL 已经优化过 count(*) 了，你直接使用这种用法就可以了。

所以结论是：按照效率排序的话，count(字段) < count(主键id) < count(1) ≈ count(*)。所以，建议尽量使用 count(*)。

2. “order by”是怎么工作的？

在你开发应用的时候，一定会经常碰到需要根据指定的字段排序来显示结果的需求。还是以我们前面举例用过的市民表为例，假设你要查询城市是“杭州”的所有人名字，并且按照姓名排序返回前 1000 个人的姓名、年龄。

假设这个表的部分定义是这样的：

CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `city` varchar(16) NOT NULL,
  `name` varchar(16) NOT NULL,
  `age` int(11) NOT NULL,
  `addr` varchar(128) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `city` (`city`)
) ENGINE=InnoDB;

这时，你的 SQL 语句可以这么写：

select city, name, age 
from t
where city='杭州'
order by name
limit 1000;

这个语句看上去逻辑很清晰，但是你了解它的执行流程吗？今天，我就和你聊聊这个语句是怎么执行的，以及有什么参数会影响执行的行为。

2.1 全字段排序

为避免全表扫描，我们会在 city 字段上加上索引，之后我们用 explain 命令看一下这个语句的执行情况：

图 2 使用 explain 命令查看语句的执行情况

Extra 这个字段中的“Using filesort”表示的就是需要排序，MySQL 会给每个线程分配一块内存用于排序，称为 sort_buffer。

为了说明这个 SQL 查询语句的执行过程，我们先来看一下 city 这个索引的示意图：

图 3 city 字段的索引示意图

从图中可以看到，满足 city='杭州’ 条件的行，是从 ID_X 到 ID_(X+N) 的这些记录。通常情况下，这个语句执行流程如下所示：

1. 初始化 sort_buffer，确定放入 name、city、age 这三个字段；
2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_X；
3. 到主键 id 索引取出整行，取 name、city、age 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_Y；
6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 做快速排序；按照排序结果取前 1000 行返回给客户端。

我们暂且把这个排序过程，称为全字段排序，执行流程的示意图如下所示，下一篇文章中我们还会用到这个排序。

图 4 全字段排序

使用临时文件来排序

图中“按 name 排序”这个动作，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。它会尽量在内存中排序，若内存中放不下，则可以利用磁盘进行辅助排序。

你可以用下面介绍的方法，来确定一个排序语句是否使用了临时文件：

/* 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, name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000; 

/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G

/* @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;

这个方法是通过查看 OPTIMIZER_TRACE 的结果来确认的，你可以从 number_of_tmp_files 中看到是否使用了临时文件：

图 5 全排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分结果

number_of_tmp_files 表示的是，排序过程中使用的临时文件数。你一定奇怪，为什么需要 12 个文件？内存放不下时，就需要使用外部排序，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 12 份，每一份单独排序后存在这些临时文件中。然后把这 12 个有序文件再合并成一个有序的大文件。如果 sort_buffer_size 超过了需要排序的数据量的大小，number_of_tmp_files 就是 0，表示排序可以直接在内存中完成。

接下来，我再和你解释一下图 5 中其他两个值的意思。

我们的示例表中有 4000 条满足 city='杭州’的记录，所以你可以看到 examined_rows=4000，表示参与排序的行数是 4000 行。

sort_mode 里面的 packed_additional_fields 的意思是，排序过程对字符串做了“紧凑”处理。即使 name 字段的定义是 varchar(16)，在排序过程中还是要按照实际长度来分配空间的。

同时，最后一个查询语句 select @b-@a 的返回结果是 4000，表示整个执行过程只扫描了 4000 行。这里需要注意的是，为了避免对结论造成干扰，我把 internal_tmp_disk_storage_engine 设置成 MyISAM。否则，select @b-@a 的结果会显示为 4001。这是因为查询 OPTIMIZER_TRACE 这个表时，需要用到临时表，而 internal_tmp_disk_storage_engine 的默认值是 InnoDB。如果使用的是 InnoDB 引擎的话，把数据从临时表取出来的时候，会让 Innodb_rows_read 的值加 1。

2.2 rowid 排序

在上面这个算法过程里面，只对原表的数据读了一遍，剩下的操作都是在 sort_buffer 和临时文件中执行的。但这个算法有一个问题，就是如果查询要返回的字段很多的话，那么 sort_buffer 里面要放的字段数太多，这样内存里能够同时放下的行数很少，要分成很多个临时文件，排序的性能会很差。所以如果单行很大，全排序的方法效率不够好。

那么，如果 MySQL 认为排序的单行长度太大会怎么做呢？

我们先来改一个参数 max_length_for_sort_data，它是 MySQL 中专门控制用于排序的行数据的长度的一个参数。它的意思是，如果单行的长度超过这个值，MySQL 就认为单行太大，要换一个算法：

SET max_length_for_sort_data = 16;

city、name、age 这三个字段的定义总长度是 36，我把 max_length_for_sort_data 设置为 16，我们再来看看计算过程有什么改变。

新的算法放入 sort_buffer 的字段，只有要排序的列（即 name 字段）和主键 id。但这时，排序的结果就因为少了 city 和 age 字段的值，不能直接返回了，整个执行流程就变成如下所示的样子：

1. 初始化 sort_buffer，确定放入两个字段，即 name 和 id；
2. 从索引 city 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id，也就是图中的 ID_X；
3. 到主键 id 索引取出整行，取 name、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='杭州’条件为止，也就是图中的 ID_Y；
6. 对 sort_buffer 中的数据按照字段 name 进行排序；
7. 遍历排序结果，取前 1000 行，并按照 id 的值回到原表中取出 city、name 和 age 三个字段返回给客户端。

这个执行流程的示意图如下，我把它称为 rowid 排序：

图 6 rowid 排序

rowid 排序

这种排序方式就是说，先把 order-by 的字段和 id 字段取出来放入 buffer 中，然后按照 order-by 进行排序，将排序结果的 id 再从主键 tree 中取出 select 的结果。

对比全字段排序流程图你会发现，rowid 排序多访问了一次表 t 的主键索引，就是步骤 7。

需要说明的是，最后的“结果集”是一个逻辑概念，实际上 MySQL 服务端从排序后的 sort_buffer 中依次取出 id，然后到原表查到 city、name 和 age 这三个字段的结果，不需要在服务端再耗费内存存储结果，是直接返回给客户端的。

根据这个说明过程和图示，你可以想一下，这个时候执行 select @b-@a，结果会是多少呢？现在，我们就来看看结果有什么不同。

首先，图中的 examined_rows 的值还是 4000，表示用于排序的数据是 4000 行。但是 select @b-@a 这个语句的值变成 5000 了。因为这时候除了排序过程外，在排序完成后，还要根据 id 去原表取值。由于语句是 limit 1000，因此会多读 1000 行。

图 7 rowid 排序的 OPTIMIZER_TRACE 部分输出

从 OPTIMIZER_TRACE 的结果中，你还能看到另外两个信息也变了：

• sort_mode 变成了 ，表示参与排序的只有 name 和 id 这两个字段。
• number_of_tmp_files 变成 10 了，是因为这时候参与排序的行数虽然仍然是 4000 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，需要的临时文件也相应地变少了。

2.3 全字段排序 VS rowid 排序

我们对比一下这两种排序：

• 如果 MySQL 实在是担心排序内存太小，会影响排序效率，才会采用 rowid 排序算法，这样排序过程中一次可以排序更多行，但是需要再回到原表去取数据。
• 如果 MySQL 认为内存足够大，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里面返回查询结果了，不用再回到原表去取数据。

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。这个结论看上去有点废话的感觉，但是你要记住它，下一篇文章我们就会用到。

看到这里，你就了解了，MySQL 做排序是一个成本比较高的操作。那么你会问，是不是所有的 order by 都需要排序操作呢？如果不排序就能得到正确的结果，那对系统的消耗会小很多，语句的执行时间也会变得更短。

其实，并不是所有的 order by 语句，都需要排序操作的。从上面分析的执行过程，我们可以看到，MySQL 之所以需要生成临时表，并且在临时表上做排序操作，其原因是原来的数据都是无序的。如果原生得到的行数据就是递增排序的，就不用再需要排序了。

所以，我们可以在这个市民表上创建一个 city 和 name 的联合索引，对应的 SQL 语句是：

alter table t add index city_user(city, name);

作为与 city 索引的对比，我们来看看这个索引的示意图：

图 8 city 和 name 联合索引示意图

在这个索引里面，我们依然可以用树搜索的方式定位到第一个满足 city='杭州’的记录，并且额外确保了，接下来按顺序取“下一条记录”的遍历过程中，只要 city 的值是杭州，name 的值就一定是有序的。

这样整个查询过程的流程就变成了：

1. 从索引 (city,name) 找到第一个满足 city='杭州’条件的主键 id；
2. 到主键 id 索引取出整行，取 name、city、age 三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
3. 从索引 (city,name) 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='杭州’条件时循环结束。

图 9 引入 (city,name) 联合索引后，查询语句的执行计划

可以看到，这个查询过程不需要临时表，也不需要排序。接下来，我们用 explain 的结果来印证一下：

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,name) 这个联合索引本身有序，所以这个查询也不用把 4000 行全都读一遍，只要找到满足条件的前 1000 条记录就可以退出了。也就是说，在我们这个例子里，只需要扫描 1000 次。

既然说到这里了，我们再往前讨论，这个语句的执行流程有没有可能进一步简化呢？也许你还记得覆盖索引。覆盖索引是指，索引上的信息足够满足查询请求，不需要再回到主键索引上去取数据。

按照覆盖索引的概念，我们可以再优化一下这个查询语句的执行流程。

针对这个查询，我们可以创建一个 city、name 和 age 的联合索引，对应的 SQL 语句就是：

alter table t add index city_user_age(city, name, age);

这时，对于 city 字段的值相同的行来说，还是按照 name 字段的值递增排序的，此时的查询语句也就不再需要排序了。这样整个查询语句的执行流程就变成了：

1. 从索引 (city,name,age) 找到第一个满足 city='杭州’条件的记录，取出其中的 city、name 和 age 这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
2. 从索引 (city,name,age) 取下一个记录，同样取出这三个字段的值，作为结果集的一部分直接返回；
3. 重复执行步骤 2，直到查到第 1000 条记录，或者是不满足 city='杭州’条件时循环结束。

图 11 引入 (city,name,age) 联合索引后，查询语句的执行流程

然后，我们再来看看 explain 的结果：

可以看到，Extra 字段里面多了“Using index”，表示的就是使用了覆盖索引，性能上会快很多。

当然，这里并不是说要为了每个查询能用上覆盖索引，就要把语句中涉及的字段都建上联合索引，毕竟索引还是有维护代价的。这是一个需要权衡的决定。

2.4 小结

这一章介绍了 MySQL 里面 order by 语句的几种算法流程。

在开发系统的时候，你总是不可避免地会使用到 order by 语句。你心里要清楚每个语句的排序逻辑是怎么实现的，还要能够分析出在最坏情况下，每个语句的执行对系统资源的消耗，这样才能做到下笔如有神，不犯低级错误。

3. 如何正确地显示随机消息？

这一大节主要说一下 MySQL 中的一种排序需求：随机显示消息。

有一个英语 APP 的首页有一个随机显示单词的功能，也就是根据每个用户的级别有一个单词表，然后这个用户每次访问首页的时候，都会随机滚动显示三个单词。他们发现随着单词表变大，选单词这个逻辑变得越来越慢，甚至影响到了首页的打开速度。

现在，如果让你来设计这个 SQL 语句，你会怎么写呢？

为了便于理解，我对这个例子进行了简化：去掉每个级别的用户都有一个对应的单词表这个逻辑，直接就是从一个单词表中随机选出三个单词。这个表的建表语句和初始数据的命令如下：

mysql> CREATE TABLE `words` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `word` varchar(64) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=0;
  while i<10000 do
    insert into words(word) values(concat(char(97+(i div 1000)), char(97+(i % 1000 div 100)), char(97+(i % 100 div 10)), char(97+(i % 10))));
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;

call idata();

为了便于量化说明，我在这个表里面插入了 10000 行记录。接下来，我们就一起看看要随机选择 3 个单词，有什么方法实现，存在什么问题以及如何改进。

3.1 内存临时表

首先，你会想到用 order by rand() 来实现这个逻辑：

select word from words order by rand() limit 3;

这个语句的意思很直白，随机排序取前 3 个。虽然这个 SQL 语句写法很简单，但执行流程却有点复杂的。我们先用 explain 命令来看看这个语句的执行情况：

Extra 字段显示 Using temporary，表示的是需要使用临时表；Using filesort，表示的是需要执行排序操作。因此这里的 Extra 的意思就是说，这个过程需要临时表，并且需要在临时表上排序。

上一章讲了全字段排序和 rowid 排序，那么问你一个问题：你觉得对于临时内存表的排序来说，它会选择哪一种算法呢？回顾一下上一篇文章的一个结论：对于 InnoDB 表来说，执行全字段排序会减少磁盘访问，因此会被优先选择。

我强调了“InnoDB 表”，你肯定想到了，对于内存表，回表过程只是简单地根据数据行的位置，直接访问内存得到数据，根本不会导致多访问磁盘。优化器没有了这一层顾虑，那么它会优先考虑的，就是用于排序的行越小越好了，所以，MySQL 这时就会选择 rowid 排序。

理解了这个算法选择的逻辑，我们再来看看语句的执行流程。同时，通过今天的这个例子，我们来尝试分析一下语句的扫描行数。这条语句的执行流程是这样的：

1. 创建一个临时表。这个临时表使用的是 memory 引擎，表里有两个字段，第一个字段是 double 类型，为了后面描述方便，记为字段 R，第二个字段是 varchar(64) 类型，记为字段 W。并且，这个表没有建索引。
2. 从 words 表中，按主键顺序取出所有的 word 值。对于每一个 word 值，调用 rand() 函数生成一个大于 0 小于 1 的随机小数，并把这个随机小数和 word 分别存入临时表的 R 和 W 字段中，到此，扫描行数是 10000。
3. 现在临时表有 10000 行数据了，接下来你要在这个没有索引的内存临时表上，按照字段 R 排序。
4. 初始化 sort_buffer。sort_buffer 中有两个字段，一个是 double 类型，另一个是整型。
5. 从内存临时表中一行一行地取出 R 值和位置信息（我后面会和你解释这里为什么是“位置信息”），分别存入 sort_buffer 中的两个字段里。这个过程要对内存临时表做全表扫描，此时扫描行数增加 10000，变成了 20000。
6. 在 sort_buffer 中根据 R 的值进行排序。注意，这个过程没有涉及到表操作，所以不会增加扫描行数。
7. 排序完成后，取出前三个结果的位置信息，依次到内存临时表中取出 word 值，返回给客户端。这个过程中，访问了表的三行数据，总扫描行数变成了 20003。

接下来，我们通过慢查询日志（slow log）来验证一下我们分析得到的扫描行数是否正确：

# Query_time: 0.900376  Lock_time: 0.000347 Rows_sent: 3 Rows_examined: 20003
SET timestamp=1541402277;
select word from words order by rand() limit 3;

其中，Rows_examined：20003 就表示这个语句执行过程中扫描了 20003 行，也就验证了我们分析得出的结论。

这里插一句题外话，在平时学习概念的过程中，你可以经常这样做，先通过原理分析算出扫描行数，然后再通过查看慢查询日志，来验证自己的结论。我自己就是经常这么做，这个过程很有趣，分析对了开心，分析错了但是弄清楚了也很开心。

现在，我来把完整的排序执行流程图画出来：

图中的 pos 就是位置信息，你可能会觉得奇怪，这里的“位置信息”是个什么概念？在上一篇文章中，我们对 InnoDB 表排序的时候，明明用的还是 ID 字段。

这时候，我们就要回到一个基本概念：MySQL 的表是用什么方法来定位“一行数据”的。前面介绍索引时有人提问过，如果把一个 InnoDB 表的主键删掉，是不是就没有主键，就没办法回表了呢？

其实不是的。如果你创建的表没有主键，或者把一个表的主键删掉了，那么 InnoDB 会自己生成一个长度为 6 字节的 rowid 来作为主键。这也就是排序模式里面，rowid 名字的来历。实际上它表示的是：每个引擎用来唯一标识数据行的信息：

• 对于有主键的 InnoDB 表来说，这个 rowid 就是主键 ID；
• 对于没有主键的 InnoDB 表来说，这个 rowid 就是由系统生成的；
• MEMORY 引擎不是索引组织表。在这个例子里面，你可以认为它就是一个数组。因此，这个 rowid 其实就是数组的下标。

到这里，我来稍微小结一下：order by rand() 使用了内存临时表，内存临时表排序的时候使用了 rowid 排序方法。

3.2 磁盘临时表

那么，是不是所有的临时表都是内存表呢？其实不是的。tmp_table_size 这个配置限制了内存临时表的大小，默认值是 16M。如果临时表大小超过了 tmp_table_size，那么内存临时表就会转成磁盘临时表。

磁盘临时表使用的引擎默认是 InnoDB，是由参数 internal_tmp_disk_storage_engine 控制的。

当使用磁盘临时表的时候，对应的就是一个没有显式索引的 InnoDB 表的排序过程。为了复现这个过程，我把 tmp_table_size 设置成 1024，把 sort_buffer_size 设置成 32768, 把 max_length_for_sort_data 设置成 16：

set tmp_table_size=1024;
set sort_buffer_size=32768;
set max_length_for_sort_data=16;
/* 打开 optimizer_trace，只对本线程有效 */
SET optimizer_trace='enabled=on'; 

/* 执行语句 */
select word from words order by rand() limit 3;

/* 查看 OPTIMIZER_TRACE 输出 */
SELECT * FROM `information_schema`.`OPTIMIZER_TRACE`\G

然后，我们来看一下这次 OPTIMIZER_TRACE 的结果：

因为将 max_length_for_sort_data 设置成 16，小于 word 字段的长度定义，所以我们看到 sort_mode 里面显示的是 rowid 排序，这个是符合预期的，参与排序的是随机值 R 字段和 rowid 字段组成的行。

这时候你可能心算了一下，发现不对。R 字段存放的随机值就 8 个字节，rowid 是 6 个字节（至于为什么是 6 字节，就留给你课后思考吧），数据总行数是 10000，这样算出来就有 140000 字节，超过了 sort_buffer_size 定义的 32768 字节了。但是，number_of_tmp_files 的值居然是 0，难道不需要用临时文件吗？

这个 SQL 语句的排序确实没有用到临时文件，采用是 MySQL 5.6 版本引入的一个新的排序算法，即：优先队列排序算法。接下来，我们就看看为什么没有使用临时文件的算法，也就是归并排序算法，而是采用了优先队列排序算法。

其实，我们现在的 SQL 语句，只需要取 R 值最小的 3 个 rowid。但是，如果使用归并排序算法的话，虽然最终也能得到前 3 个值，但是这个算法结束后，已经将 10000 行数据都排好序了。也就是说，后面的 9997 行也是有序的了。但，我们的查询并不需要这些数据是有序的。所以，想一下就明白了，这浪费了非常多的计算量。

而优先队列算法，就可以精确地只得到三个最小值，执行流程如下：

1. 对于这 10000 个准备排序的 (R,rowid)，先取前三行，构造成一个堆；（对数据结构印象模糊的同学，可以先设想成这是一个由三个元素组成的数组）
2. 取下一个行 (R’,rowid’)，跟当前堆里面最大的 R 比较，如果 R’小于 R，把这个 (R,rowid) 从堆中去掉，换成 (R’,rowid’)；
3. 重复第 2 步，直到第 10000 个 (R’,rowid’) 完成比较。

这里我简单画了一个优先队列排序过程的示意图：

图 6 是模拟 6 个 (R,rowid) 行，通过优先队列排序找到最小的三个 R 值的行的过程。整个排序过程中，为了最快地拿到当前堆的最大值，总是保持最大值在堆顶，因此这是一个最大堆。图 5 的 OPTIMIZER_TRACE 结果中，filesort_priority_queue_optimization 这个部分的 chosen=true，就表示使用了优先队列排序算法，这个过程不需要临时文件，因此对应的 number_of_tmp_files 是 0。这个流程结束后，我们构造的堆里面，就是这个 10000 行里面 R 值最小的三行。然后，依次把它们的 rowid 取出来，去临时表里面拿到 word 字段，这个过程就跟上一大节的 rowid 排序的过程一样了。

我们再看一下上一大节的 SQL 查询语句：

select city,name,age from t where city='杭州' order by name limit 1000;

你可能会问，这里也用到了 limit，为什么没用优先队列排序算法呢？原因是，这条 SQL 语句是 limit 1000，如果使用优先队列算法的话，需要维护的堆的大小就是 1000 行的 (name,rowid)，超过了我设置的 sort_buffer_size 大小，所以只能使用归并排序算法。

总之，不论是使用哪种类型的临时表，order by rand() 这种写法都会让计算过程非常复杂，需要大量的扫描行数，因此排序过程的资源消耗也会很大。

再回到我们文章开头的问题，怎么正确地随机排序呢？

3.3 随机排序方法

我们先把问题简化一下，如果只随机选择 1 个 word 值，可以怎么做呢？思路上是这样的：

1. 取得这个表的主键 id 的最大值 M 和最小值 N;
2. 用随机函数生成一个最大值到最小值之间的数 X = (M - N) * rand() + N;
3. 取不小于 X 的第一个 ID 的行。

我们把这个算法，暂时称作随机算法 1。这里，我直接给你贴一下执行语句的序列：

select max(id),min(id) into @M,@N from t;
set @X= floor((@M-@N+1)*rand() + @N);
select * from t where id >= @X limit 1;

这个方法效率很高，因为取 max(id) 和 min(id) 都是不需要扫描索引的，而第三步的 select 也可以用索引快速定位，可以认为就只扫描了 3 行。但实际上，这个算法本身并不严格满足题目的随机要求，因为 ID 中间可能有空洞，因此选择不同行的概率不一样，不是真正的随机。比如你有 4 个 id，分别是 1、2、4、5，如果按照上面的方法，那么取到 id=4 的这一行的概率是取得其他行概率的两倍。如果这四行的 id 分别是 1、2、40000、40001 呢？这个算法基本就能当 bug 来看待了。

所以，为了得到严格随机的结果，你可以用下面这个流程：

1. 取得整个表的行数，并记为 C。
2. 取得 Y = floor(C * rand())。 floor 函数在这里的作用，就是取整数部分。
3. 再用 limit Y,1 取得一行。

我们把这个算法，称为随机算法 2。下面这段代码，就是上面流程的执行语句的序列。

mysql> select count(*) into @C from t;
set @Y = floor(@C * rand());
set @sql = concat("select * from t limit ", @Y, ",1");
prepare stmt from @sql;
execute stmt;
DEALLOCATE prepare stmt;

由于 limit 后面的参数不能直接跟变量，所以我在上面的代码中使用了 prepare+execute 的方法。你也可以把拼接 SQL 语句的方法写在应用程序中，会更简单些。

这个随机算法 2，解决了算法 1 里面明显的概率不均匀问题。MySQL 处理 limit Y,1 的做法就是按顺序一个一个地读出来，丢掉前 Y 个，然后把下一个记录作为返回结果，因此这一步需要扫描 Y+1 行。再加上，第一步扫描的 C 行，总共需要扫描 C+Y+1 行，执行代价比随机算法 1 的代价要高。当然，随机算法 2 跟直接 order by rand() 比起来，执行代价还是小很多的。

现在，我们再看看，如果我们按照随机算法 2 的思路，要随机取 3 个 word 值呢？你可以这么做：

1. 取得整个表的行数，记为 C；
2. 根据相同的随机方法得到 Y1、Y2、Y3；
3. 再执行三个 limit Y, 1 语句得到三行数据。

我们把这个算法，称作随机算法 3。下面这段代码，就是上面流程的执行语句的序列：

mysql> select count(*) into @C from t;
set @Y1 = floor(@C * rand());
set @Y2 = floor(@C * rand());
set @Y3 = floor(@C * rand());
select * from t limit @Y1，1； //在应用代码里面取Y1、Y2、Y3值，拼出SQL后执行
select * from t limit @Y2，1；
select * from t limit @Y3，1；

3.4 小结

今天这篇文章，我是借着随机排序的需求，跟你介绍了 MySQL 对临时表排序的执行过程。

如果你直接使用 order by rand()，这个语句需要 Using temporary 和 Using filesort，查询的执行代价往往是比较大的。所以，在设计的时候你要尽量避开这种写法。

今天的例子里面，我们不是仅仅在数据库内部解决问题，还会让应用代码配合拼接 SQL 语句。在实际应用的过程中，比较规范的用法就是：尽量将业务逻辑写在业务代码中，让数据库只做“读写数据”的事情。因此，这类方法的应用还是比较广泛的。