MySQL高级特性之：`MySQL`的`Subquery Materialization`：子查询的物化策略。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL Subquery Materialization：子查询物化策略详解

大家好，今天我们深入探讨MySQL中的一个重要优化策略：Subquery Materialization（子查询物化）。子查询是SQL查询中嵌套在其他查询内部的查询，它们提供了一种简洁的方式来表达复杂的逻辑。然而，不恰当的子查询使用可能导致性能瓶颈。MySQL提供了多种子查询优化策略，其中物化是常见且重要的一个。

什么是子查询物化？

简单来说，子查询物化就是将子查询的结果集存储在一个临时表中，然后在外部查询中使用这个临时表。这个临时表可以存储在内存中（Memory引擎）或磁盘上（MyISAM或InnoDB引擎，取决于配置）。

核心思想： 减少子查询的重复执行。

为什么要物化？

减少计算量: 对于某些类型的子查询，尤其是相关子查询（correlated subquery），如果每次外部查询迭代都需要重新执行子查询，性能会非常差。物化后，子查询只需执行一次。
提高查询效率: 物化后的结果集可以建立索引，从而加快外部查询的查找速度。

物化策略的适用场景

并非所有子查询都适合物化。MySQL优化器会根据查询的复杂性、数据量等因素来决定是否采用物化策略。以下是一些常见的适用场景：

非相关子查询: 子查询不依赖于外部查询的任何列。
IN/EXISTS/ANY/SOME 子句: 这些子句经常与子查询一起使用，物化可以优化它们的性能。
子查询结果集较小: 如果子查询的结果集很大，物化可能会消耗大量的内存或磁盘空间，反而降低性能。

物化的工作流程

识别可物化的子查询: MySQL优化器分析查询语句，判断是否存在可以进行物化的子查询。
执行子查询: 执行被选中的子查询。
创建临时表: 创建一个临时表，用于存储子查询的结果集。这个临时表的结构与子查询的结果集结构相同。
存储结果集: 将子查询的结果集插入到临时表中。
重写外部查询: 将外部查询中对子查询的引用替换为对临时表的引用。
执行重写后的查询: 执行重写后的查询，从临时表中读取数据。
清理临时表: 查询完成后，MySQL会自动删除临时表。

物化的类型

根据临时表的存储位置，物化可以分为两种类型：

内存物化 (Memory Materialization): 临时表存储在内存中，速度快，但受内存大小限制。
磁盘物化 (Disk Materialization): 临时表存储在磁盘上，可以处理更大的数据集，但速度较慢。

MySQL 会根据 tmp_table_size 和 max_heap_table_size 这两个系统变量来决定使用哪种类型的物化。如果子查询结果集的大小超过了这两个变量的最小值，MySQL 会使用磁盘物化。

示例代码：演示物化与非物化的性能差异

为了更好地理解物化，我们通过一个具体的例子来演示物化与非物化的性能差异。

假设我们有两个表：customers 和 orders。

CREATE TABLE customers (
    customer_id INT PRIMARY KEY,
    customer_name VARCHAR(255),
    city VARCHAR(255)
);

CREATE TABLE orders (
    order_id INT PRIMARY KEY,
    customer_id INT,
    order_date DATE,
    total_amount DECIMAL(10, 2),
    FOREIGN KEY (customer_id) REFERENCES customers(customer_id)
);

-- 插入一些测试数据
INSERT INTO customers (customer_id, customer_name, city) VALUES
(1, 'Alice', 'New York'),
(2, 'Bob', 'Los Angeles'),
(3, 'Charlie', 'Chicago'),
(4, 'David', 'Houston'),
(5, 'Eve', 'Phoenix');

INSERT INTO orders (order_id, customer_id, order_date, total_amount) VALUES
(101, 1, '2023-01-01', 100.00),
(102, 1, '2023-02-01', 200.00),
(103, 2, '2023-01-15', 150.00),
(104, 3, '2023-02-10', 250.00),
(105, 3, '2023-03-01', 300.00),
(106, 4, '2023-02-20', 180.00),
(107, 5, '2023-03-15', 220.00);

现在，我们想要查询所有订单金额大于平均订单金额的客户信息。可以使用以下SQL语句：

SELECT *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders));

分析：

这个查询包含一个子查询，用于计算平均订单金额。外部查询使用 IN 子句来过滤客户信息。MySQL优化器可能会选择物化这个子查询。

如何查看MySQL是否使用了物化？

可以使用 EXPLAIN 语句来查看MySQL的执行计划。

EXPLAIN SELECT *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders));

在 EXPLAIN 的输出中，如果看到 DEPENDENT SUBQUERY 或 MATERIALIZED，则表示MySQL使用了物化策略。

模拟没有物化的情况（使用相关子查询）：

为了对比，我们可以将上面的查询改写成一个相关子查询，这样MySQL通常不会选择物化：

SELECT *
FROM customers c
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM orders o WHERE o.customer_id = c.customer_id AND o.total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders));

这个查询使用 EXISTS 子句，并且子查询依赖于外部查询的 c.customer_id。

性能对比：

假设 orders 表的数据量很大，我们可以使用 BENCHMARK() 函数来测试这两个查询的性能。

SELECT BENCHMARK(1000, (SELECT *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders))));

SELECT BENCHMARK(1000, (SELECT *
FROM customers c
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM orders o WHERE o.customer_id = c.customer_id AND o.total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders))));

通过对比 BENCHMARK() 函数的执行时间，我们可以看到，在数据量较大的情况下，使用物化的查询通常比使用相关子查询的查询性能更好。

物化的优缺点

优点：

减少子查询的重复执行: 对于非相关子查询，只需执行一次。
提高查询效率: 物化后的结果集可以建立索引，加快查找速度。
简化查询计划: 将复杂的子查询转换为简单的表连接，方便优化器进行优化。

缺点：

消耗内存或磁盘空间: 需要创建临时表来存储子查询的结果集。
额外的I/O开销: 需要将子查询的结果集写入临时表，以及从临时表中读取数据。
不适用于所有场景: 如果子查询的结果集很大，或者子查询是相关子查询，物化可能反而降低性能。

如何控制物化策略

MySQL 优化器会自动选择是否使用物化策略。然而，在某些情况下，我们可能需要手动控制物化策略。

使用 /*+ MATERIALIZATION */ 或 /*+ NO_MATERIALIZATION */ hint： 可以在查询语句中使用这些 hint 来强制或禁止MySQL使用物化策略。

SELECT /*+ MATERIALIZATION */ *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders));

SELECT /*+ NO_MATERIALIZATION */ *
FROM customers
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE total_amount > (SELECT AVG(total_amount) FROM orders));

修改系统变量： 可以通过修改 optimizer_switch 系统变量来控制优化器的行为。例如，禁用 subquery_materialization_cost_based 可以让优化器更倾向于使用其他优化策略。

SET optimizer_switch = 'subquery_materialization_cost_based=off';

最佳实践

尽量避免使用相关子查询: 相关子查询通常性能较差，可以考虑使用 JOIN 或其他方式来改写查询。
关注子查询的结果集大小: 如果子查询的结果集很大，可以考虑使用分页或索引来减少数据量。
使用 EXPLAIN 语句分析查询计划: 了解MySQL的执行计划，可以帮助我们判断是否使用了物化策略，以及是否需要进行优化。
合理使用 hint： 在需要手动控制物化策略时，可以使用 hint，但要谨慎使用，避免过度干预优化器的行为。
监控系统性能： 定期监控MySQL的性能指标，例如 CPU 使用率、内存使用率、磁盘 I/O 等，可以帮助我们及时发现潜在的性能问题。

表格总结：物化策略的关键要素

特性	描述
定义	将子查询的结果集存储在临时表中，供外部查询使用。
适用场景	非相关子查询、IN/EXISTS/ANY/SOME 子句、子查询结果集较小。
类型	内存物化 (Memory Materialization) 和磁盘物化 (Disk Materialization)。
优点	减少子查询的重复执行、提高查询效率、简化查询计划。
缺点	消耗内存或磁盘空间、额外的I/O开销、不适用于所有场景。
控制	使用 `/+ MATERIALIZATION /` 或 `/+ NO_MATERIALIZATION /` hint、修改 `optimizer_switch` 系统变量。

掌握物化，优化查询，事半功倍

子查询物化是MySQL中一种重要的优化策略。理解其原理、适用场景、优缺点，以及如何控制物化策略，可以帮助我们编写更高效的SQL查询语句，从而提高数据库的性能。