MySQL高级特性之：`MySQL`的`Semi-Join`：其在`IN`和`EXISTS`子查询中的底层优化。 - 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 Semi-Join 深度解析：IN/EXISTS 子查询的性能优化利器

各位好！今天我们来深入探讨 MySQL 的一个高级特性：Semi-Join。它主要应用于优化包含 IN 和 EXISTS 关键字的子查询，从而显著提升查询性能。理解 Semi-Join 的工作原理对于编写高效的 SQL 语句至关重要。

1. 什么是 Semi-Join？

Semi-Join 是一种特殊的连接操作，它的核心目标是：对于左表（外表）的每一行，只要在右表（内表）中找到至少一个匹配的行，就将左表的该行返回。与普通的 JOIN 不同，Semi-Join 不会返回右表的任何列，也不会返回左表的重复行，即使右表有多行匹配。它只关心是否存在匹配，而不是匹配的次数。

可以这样理解：

目的： 检查左表的每一行在右表中是否存在匹配项。
结果： 如果存在匹配项，则返回左表的该行；否则，不返回。
特性： 不返回右表的列，不返回左表的重复行。

2. Semi-Join 在 IN 和 EXISTS 子查询中的应用

IN 和 EXISTS 经常用于子查询，而 MySQL 优化器会尝试将这些子查询转换为 Semi-Join 来提高性能。我们先回顾一下 IN 和 EXISTS 的基本用法。

2.1 IN 子查询

IN 子查询用于判断一个值是否在一个集合中。例如：

SELECT *
FROM orders
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York');

这个查询的含义是：找出所有 customer_id 在居住地为 ‘New York’ 的客户的 customer_id 集合中的订单。

2.2 EXISTS 子查询

EXISTS 子查询用于判断子查询是否返回任何行。例如：

SELECT *
FROM orders
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM customers WHERE customers.customer_id = orders.customer_id AND city = 'New York');

这个查询的含义是：找出所有存在居住地为 ‘New York’ 的客户，并且该客户的 customer_id 与订单的 customer_id 匹配的订单。

3. MySQL 如何优化 IN 和 EXISTS 子查询为 Semi-Join？

MySQL 优化器会尝试将 IN 和 EXISTS 子查询改写为 Semi-Join 操作。这种转换通常发生在满足以下条件时：

子查询是一个相关子查询（即子查询引用了外表的列）。
子查询的结果只需要用来判断是否存在匹配，而不需要返回具体的值。

下面我们通过实例来分析优化过程。假设我们有两张表：customers 和 orders，结构如下：

customers 表结构:

列名	数据类型	描述
customer_id	INT	客户ID（主键）
customer_name	VARCHAR	客户姓名
city	VARCHAR	所在城市

orders 表结构:

列名	数据类型	描述
order_id	INT	订单ID（主键）
customer_id	INT	客户ID（外键，关联 customers.customer_id）
order_date	DATE	订单日期

现在，我们考虑以下 IN 子查询：

SELECT *
FROM orders
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York');

MySQL 优化器可能会将其转换为类似以下的 Semi-Join 形式：

SELECT o.*
FROM orders o
JOIN customers c ON o.customer_id = c.customer_id
WHERE c.city = 'New York'
GROUP BY o.order_id;  -- 避免返回重复的 orders 行，这是 Semi-Join 的关键

或者，更准确地说，优化器可能会使用一种内部的 Semi-Join 实现，它不会像普通的 JOIN 那样返回右表的列，也不会返回左表的重复行。 GROUP BY o.order_id只是一个示例，实际实现可能会有所不同，但其目的是保证返回的orders表中的每一行只出现一次。

对于 EXISTS 子查询，优化过程类似。考虑以下查询：

SELECT *
FROM orders
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM customers WHERE customers.customer_id = orders.customer_id AND city = 'New York');

优化器可能会将其转换为类似以下的 Semi-Join 形式：

SELECT o.*
FROM orders o
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM customers c WHERE o.customer_id = c.customer_id AND c.city = 'New York');

这个查询的本质与前面的 IN 子查询类似，都是通过连接 orders 和 customers 表，并筛选出 city 为 ‘New York’ 的客户相关的订单。EXISTS 关键字确保只返回符合条件的 orders 行，而不会因为 customers 表中存在多个匹配行而导致 orders 表的行重复。实际上，MySQL 优化器在处理 EXISTS 时，经常会将其转换为 IN 或者直接使用 Semi-Join 优化。

4. Semi-Join 的优势

将 IN 和 EXISTS 子查询转换为 Semi-Join 操作的主要优势在于：

避免全表扫描： 如果没有索引，子查询可能需要对内表进行全表扫描。Semi-Join 允许优化器利用索引来加速连接操作，减少需要扫描的数据量。
减少数据传输： Semi-Join 只返回左表的列，避免了传输右表的额外数据，从而减少了网络开销。
避免重复行： Semi-Join 的特性保证了即使内表有多行匹配，外表的每一行也只会被返回一次，避免了结果集的膨胀。

5. Semi-Join 的实现策略

MySQL 优化器在实现 Semi-Join 时，可能会采用不同的策略，具体取决于表的统计信息、索引情况和查询复杂度。常见的 Semi-Join 实现策略包括：

Table Pullout (表拉出): 将子查询中的表直接拉到外层查询中，并转换为普通的 JOIN 操作。例如，将 SELECT * FROM orders WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York') 转换为 SELECT o.* FROM orders o JOIN customers c ON o.customer_id = c.customer_id WHERE c.city = 'New York'。这种策略适用于子查询结果集较小的情况。
Duplicate Weedout (重复移除): 先执行子查询，然后移除重复的 customer_id，再将结果集用于外层查询。这种策略适用于子查询结果集较大，但重复值较多的情况。
FirstMatch (首次匹配): 对于外表的每一行，在内表中找到第一个匹配的行后，就停止搜索。这种策略适用于只需要判断是否存在匹配的情况，可以有效地减少扫描的数据量。
LooseScan (松散索引扫描): 利用索引的有序性，只扫描索引中不同的值。这种策略适用于内表存在索引，且只需要返回不同的值的情况。例如，对于 SELECT * FROM orders WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York')，如果 customers 表的 customer_id 列上有索引，则可以使用 LooseScan 直接扫描索引，找到所有 city 为 ‘New York’ 的客户的 customer_id 值，而不需要扫描整个表。
Materialization (物化): 将子查询的结果物化为一个临时表，然后将外表与该临时表进行连接。这种策略适用于子查询结果集较小，且需要多次使用的情况。

这些策略的选择由 MySQL 优化器根据代价估算来决定。可以通过 EXPLAIN 命令来查看 MySQL 选择了哪种策略。

6. 如何查看 MySQL 是否使用了 Semi-Join？

可以使用 EXPLAIN 命令来查看 MySQL 的查询执行计划，从而判断是否使用了 Semi-Join 优化。 EXPLAIN 命令会显示查询的各个阶段，以及 MySQL 使用的索引、连接类型等信息。

例如，对于以下查询：

EXPLAIN SELECT *
FROM orders
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York');

执行 EXPLAIN 后，如果查询执行计划中出现了 DEPENDENT SUBQUERY 并且 extra 列中包含 FirstMatch、LooseScan、Materialization 等关键词，则表示 MySQL 尝试使用了 Semi-Join 优化。

7. 如何影响 MySQL 的 Semi-Join 优化？

虽然 MySQL 优化器会自动尝试将 IN 和 EXISTS 子查询转换为 Semi-Join，但在某些情况下，优化器可能无法做出最佳选择。我们可以通过以下方式来影响 MySQL 的 Semi-Join 优化：

创建合适的索引： 确保相关列上存在索引，以便优化器能够利用索引来加速连接操作。对于上述例子，在 customers 表的 city 列和 customer_id 列上创建索引，以及在 orders 表的 customer_id 列上创建索引，可以提高 Semi-Join 的效率。
重写查询： 尝试将 IN 和 EXISTS 子查询重写为 JOIN 操作。例如，可以将 SELECT * FROM orders WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM customers WHERE city = 'New York') 重写为 SELECT o.* FROM orders o JOIN customers c ON o.customer_id = c.customer_id WHERE c.city = 'New York'。但是，需要注意的是，重写后的查询可能会返回重复的行，因此需要使用 DISTINCT 或 GROUP BY 来去除重复行。
使用 STRAIGHT_JOIN： STRAIGHT_JOIN 强制 MySQL 按照指定的顺序连接表。在某些情况下，使用 STRAIGHT_JOIN 可以避免优化器选择错误的连接顺序，从而提高查询性能。但是，需要谨慎使用 STRAIGHT_JOIN，因为它可能会导致查询性能下降。
调整 MySQL 参数： MySQL 提供了一些参数可以影响 Semi-Join 的优化。例如，optimizer_switch 参数可以控制是否启用 Semi-Join 优化。但是，不建议轻易修改这些参数，除非你非常了解它们的含义和影响。

8. Semi-Join 的局限性

虽然 Semi-Join 是一种有效的优化技术，但它也存在一些局限性：

并非所有子查询都可以转换为 Semi-Join： 只有满足特定条件的子查询才能被转换为 Semi-Join。例如，如果子查询返回多个列，或者子查询包含 GROUP BY 或 HAVING 子句，则无法将其转换为 Semi-Join。
优化器可能做出错误的选择： MySQL 优化器是基于代价估算来选择最佳的执行计划。在某些情况下，优化器可能会做出错误的选择，导致 Semi-Join 的性能低于预期。
Semi-Join 的实现策略可能不适用所有情况： 不同的 Semi-Join 实现策略适用于不同的场景。如果 MySQL 选择了不合适的策略，可能会导致查询性能下降。

9. 总结：高效利用Semi-Join，优化子查询性能

Semi-Join 是 MySQL 优化 IN 和 EXISTS 子查询的重要技术，它通过避免全表扫描、减少数据传输和避免重复行等方式来提高查询性能。理解 Semi-Join 的工作原理和实现策略，以及如何通过 EXPLAIN 命令来分析查询执行计划，可以帮助我们编写更高效的 SQL 语句。通过创建合适的索引、重写查询和调整 MySQL 参数等方式，我们可以影响 MySQL 的 Semi-Join 优化，从而获得更好的性能。

MySQL Semi-Join 深度解析：IN/EXISTS 子查询的性能优化利器

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