MySQL高级特性之：`MySQL`的`JSON_STORAGE_SIZE()`：其在`JSON`列空间占用分析中的应用。 - 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 JSON列空间占用分析：`JSON_STORAGE_SIZE()` 的应用

大家好，今天我们来深入探讨MySQL中JSON数据类型的空间占用情况，以及如何利用 JSON_STORAGE_SIZE() 函数进行有效的分析和优化。JSON作为一种灵活的数据格式，在很多场景下被广泛应用。然而，不合理的使用JSON列可能会导致空间浪费和性能下降。理解JSON列的存储机制，并学会使用 JSON_STORAGE_SIZE() 是优化数据库性能的关键。

1. JSON数据类型及其存储方式

MySQL 5.7.22版本之后，引入了原生的JSON数据类型。与之前使用TEXT或BLOB类型存储JSON字符串相比，原生JSON类型具有以下优势：

验证: 确保存储的数据是有效的JSON格式。
优化: 以优化的内部格式存储JSON数据，提高查询效率。
函数: 提供丰富的JSON函数，方便数据的操作和提取。

MySQL内部使用优化的二进制格式存储JSON数据，这种格式允许快速访问JSON文档中的元素。具体的存储方式涉及以下几个方面：

头部信息: 包含JSON文档的类型、长度等元数据。
索引信息: 为了加速JSON文档中特定元素的查找，会创建索引。
数据内容: 实际的JSON数据。

这种优化存储方式的目标是减少空间占用，并提高查询性能。但是，实际的空间占用受到多种因素的影响，包括JSON文档的结构、数据类型、索引等。

2. JSON_STORAGE_SIZE() 函数详解

JSON_STORAGE_SIZE() 函数用于返回JSON文档占用的存储空间大小（以字节为单位）。它的语法如下：

JSON_STORAGE_SIZE(json_doc)

其中，json_doc 可以是一个JSON类型的列，也可以是一个包含JSON数据的表达式。

示例：

SELECT JSON_STORAGE_SIZE('{"name": "John", "age": 30}'); -- 返回值是根据具体实现而定的，这里仅作示例

JSON_STORAGE_SIZE() 函数返回的是JSON文档在磁盘上占用的实际空间大小，包括头部信息、索引信息和数据内容。这与 JSON_LENGTH() 函数不同，JSON_LENGTH() 返回的是JSON文档中元素的个数。

3. 创建测试表并插入数据

为了更好地演示 JSON_STORAGE_SIZE() 的使用，我们创建一个测试表 json_test，包含一个JSON类型的列 data。

CREATE TABLE json_test (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    data JSON
);

INSERT INTO json_test (data) VALUES
('{"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}'),
('{"name": "Bob", "age": 32, "city": "London", "occupation": "Engineer"}'),
('{"name": "Charlie", "age": 40, "city": "Paris", "skills": ["Java", "Python", "SQL"]}'),
('{"name": "David", "age": 28, "city": "Tokyo", "address": {"street": "Shibuya", "number": 10}}'),
('{"name": "Eve", "age": 35, "city": "Sydney", "hobbies": ["Reading", "Hiking", "Swimming"]}');

4. 使用 JSON_STORAGE_SIZE() 分析空间占用

现在，我们可以使用 JSON_STORAGE_SIZE() 函数来分析 json_test 表中JSON数据的空间占用情况。

SELECT id, JSON_STORAGE_SIZE(data) AS storage_size FROM json_test;

这条SQL语句会返回每条记录的 id 和 data 列占用的存储空间大小。通过观察这些值，我们可以初步了解不同结构的JSON文档对空间占用的影响。

5. 影响JSON列空间占用的因素

以下是一些影响JSON列空间占用的主要因素：

JSON文档的复杂程度： 嵌套的JSON对象和数组会增加空间占用。
键的长度： 较长的键会占用更多的空间。
值的类型和长度： 字符串类型的值，尤其是较长的字符串，会显著增加空间占用。数字类型的值相对占用空间较少。
重复的数据： 如果JSON文档中包含大量重复的数据，也会增加空间占用。
MySQL版本： 不同的MySQL版本可能对JSON数据的存储方式有所优化，从而影响空间占用。

6. 对比 JSON_STORAGE_SIZE() 和 LENGTH()

很多人容易将 JSON_STORAGE_SIZE() 和 LENGTH() 函数混淆。LENGTH() 函数返回的是字符串的字符长度，而 JSON_STORAGE_SIZE() 返回的是JSON文档占用的实际存储空间大小。

为了更清晰地说明这一点，我们执行以下SQL语句：

SELECT
    id,
    LENGTH(data) AS character_length,
    JSON_STORAGE_SIZE(data) AS storage_size
FROM json_test;

这条SQL语句会返回每条记录的 id、data 列的字符长度，以及占用的存储空间大小。可以观察到，即使字符长度相同，存储空间大小也可能不同。这是因为MySQL内部以优化的二进制格式存储JSON数据，这种格式可能包含额外的元数据和索引信息。

7. 案例分析：优化JSON列空间占用

假设我们需要存储用户的配置信息，这些信息包含用户的偏好设置、权限等等。一种常见的做法是将这些信息存储在一个JSON列中。但是，如果配置信息非常复杂，包含大量的嵌套对象和数组，可能会导致空间占用过大。

以下是一些优化JSON列空间占用的方法：

简化JSON结构： 尽量减少嵌套的层数，避免不必要的冗余数据。例如，可以将一些常用的配置项提升到表的其他列中，而不是全部存储在JSON列中。
使用更短的键： 尽量使用简短且具有描述性的键名。
压缩数据： 如果JSON文档中包含大量的重复数据，可以考虑使用压缩算法来减少空间占用。MySQL 8.0 引入了对JSON文档的自动压缩功能。
规范化数据： 将JSON文档中的一些数据提取到单独的表中，建立关联关系。这种方式可以减少数据冗余，提高数据一致性。
选择合适的数据类型： 确保JSON文档中的值使用合适的数据类型。例如，如果一个字段的值始终是整数，那么应该使用整数类型，而不是字符串类型。

示例：简化JSON结构

假设我们最初的JSON结构如下：

{
  "user_info": {
    "name": "John Doe",
    "age": 30,
    "address": {
      "street": "123 Main St",
      "city": "Anytown",
      "zip": "12345"
    }
  },
  "preferences": {
    "theme": "dark",
    "language": "en"
  }
}

我们可以将一些常用的字段提升到表的其他列中，从而简化JSON结构：

ALTER TABLE users ADD COLUMN name VARCHAR(255);
ALTER TABLE users ADD COLUMN age INT;
ALTER TABLE users ADD COLUMN theme VARCHAR(50);
ALTER TABLE users ADD COLUMN language VARCHAR(50);

UPDATE users SET name = JSON_EXTRACT(data, '$.user_info.name');
UPDATE users SET age = JSON_EXTRACT(data, '$.user_info.age');
UPDATE users SET theme = JSON_EXTRACT(data, '$.preferences.theme');
UPDATE users SET language = JSON_EXTRACT(data, '$.preferences.language');

ALTER TABLE users MODIFY COLUMN data JSON;

-- 更新data列，移除已经提取到单独列的数据
UPDATE users SET data = JSON_REMOVE(data, '$.user_info.name', '$.user_info.age', '$.preferences.theme', '$.preferences.language');

通过这种方式，我们可以将一些常用的字段存储在单独的列中，从而简化JSON结构，减少空间占用。

8. 使用 JSON_VALID() 验证JSON数据

在存储JSON数据之前，可以使用 JSON_VALID() 函数来验证数据的有效性。这可以确保存储的数据是有效的JSON格式，避免出现错误。

SELECT JSON_VALID('{"name": "John", "age": 30}'); -- 返回 1 (TRUE)
SELECT JSON_VALID('{"name": "John", "age": 30');  -- 返回 0 (FALSE)

9. 索引JSON列

为了提高查询效率，可以为JSON列创建索引。MySQL 5.7.22 及更高版本支持对JSON列的部分内容进行索引。这可以通过虚拟列和普通索引来实现。

ALTER TABLE json_test ADD COLUMN city VARCHAR(255) AS (JSON_EXTRACT(data, '$.city'));
CREATE INDEX idx_city ON json_test (city);

10. 监控和调优

定期使用 JSON_STORAGE_SIZE() 函数监控JSON列的空间占用情况，并根据实际情况进行调优。可以通过查询 information_schema.TABLES 表来获取表的总体大小，并结合 JSON_STORAGE_SIZE() 来分析JSON列的空间占比。

SELECT
    TABLE_NAME,
    DATA_LENGTH,
    INDEX_LENGTH,
    DATA_FREE
FROM
    information_schema.TABLES
WHERE
    TABLE_SCHEMA = 'your_database_name' AND TABLE_NAME = 'json_test';

SELECT SUM(JSON_STORAGE_SIZE(data)) FROM json_test;

通过这些信息，可以了解表的总体大小，以及JSON列的空间占比，从而判断是否需要进行优化。

11. 其他注意事项

使用合适的字符集：确保数据库和表的字符集设置为 utf8mb4，以支持存储所有的Unicode字符。
避免存储过大的JSON文档：如果JSON文档过大，可能会导致性能问题。可以考虑将数据拆分成多个较小的JSON文档，或者使用其他数据存储方式。
了解MySQL版本对JSON数据类型的支持程度：不同的MySQL版本对JSON数据类型的支持程度不同。建议使用较新的版本，以获得更好的性能和功能。

总结：理解存储机制并持续优化

JSON_STORAGE_SIZE() 是一个非常有用的函数，可以帮助我们分析JSON列的空间占用情况，并根据实际情况进行优化。通过理解JSON列的存储机制，并结合实际业务场景，我们可以有效地减少空间浪费，提高数据库性能。记住，定期监控和调优是保持数据库性能的关键。

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