好的，我们开始今天的讲座，主题是MySQL的子查询物化策略。
什么是子查询物化？
在SQL查询中，子查询是指嵌套在其他查询（通常是SELECT, FROM, WHERE, HAVING子句中）内部的查询。MySQL执行包含子查询的语句时，需要决定如何处理这些子查询。其中一种策略就是“物化”（Materialization）。
物化是指将子查询的结果集存储到一个临时表中。这个临时表通常存储在内存中（如果足够小）或者磁盘上。后续的查询操作可以直接访问这个临时表，而不需要重复执行子查询。
为什么要进行物化？
物化的主要目的是优化查询性能。它可以避免重复执行子查询，尤其是在子查询的结果被多次使用时。如果没有物化，每次需要用到子查询结果的时候，都需要重新计算一次，这会大大降低查询效率。
物化策略的类型
MySQL的优化器会根据不同的情况选择不同的物化策略，主要取决于子查询的类型和大小。常见的物化策略包括：
- 延迟物化（Lazy Materialization）： 只有在真正需要子查询结果时才进行物化。这可以避免不必要的物化操作，尤其是在外部查询可以通过其他条件过滤掉大部分数据时。
- 立即物化（Eager Materialization）： 在查询开始时就立即物化子查询的结果。这适用于子查询结果集较小，且被外部查询多次使用的情况。
物化发生的场景
以下是一些常见的触发物化的场景：
IN或NOT IN子查询: 当IN或NOT IN运算符与子查询一起使用时，MySQL通常会将子查询的结果物化为一个临时表，然后检查外部查询的每一行是否在这个临时表中存在。EXISTS或NOT EXISTS子查询: 虽然EXISTS通常被优化器优化成连接操作，但在某些情况下，特别是当优化器无法很好地优化EXISTS时，也可能进行物化。- 派生表（Derived Tables）: 在
FROM子句中使用的子查询，也称为派生表，通常会被物化。
物化策略的示例
让我们通过一些示例来演示物化策略。
示例 1: IN 子查询
假设我们有两个表：customers 和 orders。customers 表包含客户的信息，orders 表包含订单的信息。我们想要查找所有下过订单的客户。
CREATE TABLE customers (
customer_id INT PRIMARY KEY,
customer_name VARCHAR(255)
);
CREATE TABLE orders (
order_id INT PRIMARY KEY,
customer_id INT,
order_date DATE
);
INSERT INTO customers (customer_id, customer_name) VALUES
(1, 'Alice'),
(2, 'Bob'),
(3, 'Charlie'),
(4, 'David');
INSERT INTO orders (order_id, customer_id, order_date) VALUES
(101, 1, '2023-01-01'),
(102, 2, '2023-01-02'),
(103, 1, '2023-01-03');
EXPLAIN SELECT * FROM customers WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders);在这个查询中，子查询 (SELECT customer_id FROM orders) 的结果会被物化为一个临时表。然后，外部查询会遍历 customers 表，并检查每个客户的 customer_id 是否存在于临时表中。EXPLAIN 命令会显示查询计划，其中会包含关于物化的信息。查看EXPLAIN结果，注意select_type列，如果看到DEPENDENT SUBQUERY或者MATERIALIZED，就表示发生了物化。
示例 2: EXISTS 子查询
现在，我们使用 EXISTS 子查询来做同样的事情。
EXPLAIN SELECT * FROM customers WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM orders WHERE orders.customer_id = customers.customer_id);在这个例子中，MySQL优化器可能会尝试将 EXISTS 子查询转换为连接操作，从而避免物化。但是，如果优化器认为连接操作的成本更高，它仍然可能选择物化。具体行为取决于MySQL的版本和数据量。
示例 3: 派生表
EXPLAIN SELECT c.customer_name, o.order_count
FROM (SELECT customer_id, COUNT(*) AS order_count FROM orders GROUP BY customer_id) AS o
JOIN customers AS c ON o.customer_id = c.customer_id;在这个查询中，子查询 (SELECT customer_id, COUNT(*) AS order_count FROM orders GROUP BY customer_id) 被用作派生表。MySQL通常会将这个派生表物化为一个临时表，然后将其与 customers 表进行连接。
控制物化策略
虽然MySQL优化器会自动选择物化策略，但在某些情况下，我们可以通过一些技巧来影响优化器的决策。
- 索引: 适当的索引可以帮助优化器更有效地执行子查询，从而减少物化的需要。例如，在
orders表的customer_id列上创建索引可以加速IN和EXISTS子查询。 - 重写查询: 在某些情况下，我们可以将子查询重写为连接操作，从而避免物化。例如，可以使用
JOIN来代替IN子查询。 - 使用
STRAIGHT_JOIN:STRAIGHT_JOIN强制MySQL按照指定的顺序连接表。有时，这可以帮助优化器选择更有效的查询计划，从而避免物化。但是，STRAIGHT_JOIN应该谨慎使用，因为它可能会阻止优化器进行最佳优化。 - 优化器提示（Optimizer Hints）：MySQL提供了一些优化器提示，可以用来影响优化器的决策。例如，可以使用
NO_MATERIALIZATION提示来强制优化器不要对子查询进行物化。但是，这些提示应该谨慎使用，因为它们可能会导致性能下降。
代码示例：使用 JOIN 替代 IN 子查询
原始查询（使用 IN 子查询）：
SELECT * FROM customers WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders);重写后的查询（使用 JOIN）：
SELECT DISTINCT c.* FROM customers c JOIN orders o ON c.customer_id = o.customer_id;在某些情况下，使用 JOIN 替代 IN 子查询可以避免物化，并提高查询性能。 DISTINCT 关键字用于消除重复的客户记录，因为一个客户可能有多个订单。
物化的优缺点
优点：
- 避免重复计算： 子查询的结果只计算一次，后续可以直接使用，避免了重复计算的开销。
- 简化查询计划： 物化可以将复杂的子查询转换为更简单的查询，从而简化查询计划，方便优化器进行优化。
缺点：
- 额外的存储开销： 物化需要额外的存储空间来存储临时表。
- 物化时间： 物化本身需要时间，尤其是在子查询的结果集很大时。
- 数据一致性问题： 如果在物化后，子查询所依赖的表发生了更改，那么物化后的结果可能与实际数据不一致。MySQL通常不会自动更新物化后的临时表，因此需要谨慎处理这种情况。
物化策略的选择
MySQL优化器会根据多个因素来选择物化策略，包括：
- 子查询的大小： 如果子查询的结果集很小，那么立即物化可能是一个不错的选择。如果子查询的结果集很大，那么延迟物化可能更合适。
- 子查询的使用频率： 如果子查询的结果被外部查询多次使用，那么物化可能可以提高性能。
- 索引： 适当的索引可以帮助优化器更有效地执行子查询，从而减少物化的需要。
- 统计信息： 优化器会使用统计信息来估计子查询的大小和成本，从而选择最佳的物化策略。
代码示例：优化器提示
SELECT /*+ NO_MATERIALIZATION(orders_subquery) */ *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT /*+ QB_NAME(orders_subquery) */ customer_id FROM orders);在这个例子中，NO_MATERIALIZATION 提示告诉优化器不要对子查询进行物化。QB_NAME 用于指定子查询的名称，以便 NO_MATERIALIZATION 提示可以正确地应用到子查询。
物化和连接的比较
在很多情况下，子查询都可以重写为连接操作。那么，什么时候应该使用物化，什么时候应该使用连接呢？
- 连接通常比物化更有效： 如果优化器可以将子查询转换为连接操作，那么通常连接的性能会更好。因为连接可以利用索引和统计信息来更有效地访问数据。
- 物化适用于某些特定情况： 在某些情况下，物化可能比连接更有效。例如，如果子查询的结果集很小，并且被外部查询多次使用，那么物化可能可以避免重复计算，从而提高性能。
- 优化器的选择： 最终，优化器会根据成本估算来选择最佳的查询计划。我们可以通过分析查询计划来了解优化器的决策，并根据需要进行调整。
使用 EXPLAIN 分析物化
EXPLAIN 命令可以用来分析查询计划，并了解是否发生了物化。在 EXPLAIN 的输出中，可以查看 select_type 列。如果 select_type 列的值为 MATERIALIZED，那么表示发生了物化。EXPLAIN 还可以提供关于物化使用的临时表的信息，例如临时表的大小和存储位置。
示例：EXPLAIN 输出分析
假设我们有以下查询：
EXPLAIN SELECT * FROM customers WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE order_date > '2023-01-01');EXPLAIN 的输出可能如下所示：
+----+-------------+----------+------------+-------+-------------------+---------+---------+------+------+----------+----------------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+----------+------------+-------+-------------------+---------+---------+------+------+----------+----------------------------------------------------+
| 1 | PRIMARY | customers| NULL | ALL | PRIMARY | NULL | NULL | NULL | 4 | 100.00 | Using where; Using where |
| 2 | SUBQUERY | orders | NULL | ALL | NULL | NULL | NULL | NULL | 3 | 33.33 | Using where; Materialize |
+----+-------------+----------+------------+-------+-------------------+---------+---------+------+------+----------+----------------------------------------------------+在这个输出中，select_type 列的值为 SUBQUERY，Extra 列包含 Materialize，这表示子查询被物化了。
总结物化子查询的策略
物化是MySQL优化子查询的一种重要策略。它通过将子查询的结果存储到临时表中来避免重复计算。MySQL优化器会根据多种因素来选择最佳的物化策略。我们可以通过索引、重写查询和优化器提示来影响优化器的决策。使用EXPLAIN命令可以分析查询计划，并了解是否发生了物化。
如何选择物化还是联结，如何提高查询效率
物化和联结都是优化子查询的手段，选择哪种方式取决于具体的查询场景和数据特性。一般来说，联结在大多数情况下效率更高，因为它能够利用索引和统计信息进行优化。但当子查询结果集较小且被多次使用时，物化可以避免重复计算，从而提高效率。
要提高查询效率，首先要分析查询的执行计划，了解MySQL是如何处理子查询的。然后，根据实际情况选择合适的优化策略，例如添加索引、重写查询或使用优化器提示。此外，定期维护数据库，更新统计信息，也有助于提高查询效率。
物化的局限性以及替代方案
物化虽然可以避免重复计算，但它也存在一些局限性。例如，物化需要额外的存储空间，并且在物化后，如果子查询所依赖的表发生了更改，那么物化后的结果可能与实际数据不一致。
除了物化和联结之外，还有一些其他的替代方案可以用来优化子查询。例如，可以使用临时表来存储子查询的结果，或者使用用户自定义函数来计算子查询的结果。这些替代方案各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。