MySQL主键优化：顺序插入与乱序插入的性能差异及设计原则
MySQL主键优化：顺序插入与乱序插入的性能差异及设计原则
在数据库设计中，主键的选择和优化对系统性能有着至关重要的影响。本文将深入探讨MySQL InnoDB存储引擎中主键顺序插入与乱序插入的性能差异，并总结出实用的主键设计原则。
一、数据组织方式
在InnoDB存储引擎中，表数据都是根据主键顺序组织存放的，这种存储方式的表称为索引组织表（Index Organized Table，简称IOT）。
要理解表数据都是根据主键顺序组织存放的这句话，就需要回想下，InnoDB存储引擎的表，它的索引分为两类：聚集索引和二级索引。
聚集索引叶子结点下面挂的是行数据，对于聚集索引来说，一张表默认主键索引就是聚集索引，所以最终我们的表当中的数据在存放的时候，它就是根据主键进行顺序存放的，例如6下面存放的就是6主键对应的这一行的数据，12存放的就是12主键对应的这一行的数据……
行数据，都是存储在聚集索引的叶子节点上的，而非叶子结点仅仅起到一个索引数据的作用；而非叶子结点的索引以及叶子结点当中的数据最终都是存放在一个逻辑结构，叫页配置中的。
而大家所看到的黄色的这些块，实际上都是一个一个的page(页)，一个页大小是固定的，我们前面在讲解InnoDB引擎的时候，讲到过InnoDB的逻辑存储结构。
InnoDB的逻辑结构图：
在InnoDB引擎中，数据行是记录在逻辑结构 page 页中的，而每一个页的大小是固定的，默认16K。 那也就意味着， 一个页中所存储的行也是有限的，如果插入的数据行row在该页存储不小，将会存储到下一个页中，页与页之间会通过指针连接。
二、往数据库插入数据时的流程
大家首先要明确，我们刚刚所提到的页中存放的就是具体的行数据，而一个页它是可以为空的。
1）页分裂
页可以为空，也可以填充一半，也可以填充100%。每个页包含了2-N行数据(如果一行数据过大，会行溢出)，根据主键排列。
为什么至少包含2行数据呢？原因是如果一个页中只包含一行的话，那就相当于是一个链表了。所以在InnoDB中规定，每个页中至少包含两行数据，如果某一行数据比较大，此时超出了一定的阈值后，就会产生行溢出的现象。
我们先来演示一下主键顺序插入的时候，页是什么情况。
A. 主键顺序插入效果
①. 从磁盘中申请页， 主键顺序插入
②. 第一个页没有满，继续往第一页插入
③. 当第一个也写满之后，再写入第二个页，页与页之间会通过指针连接
④. 当第二页写满了，再往第三页写入
B. 主键乱序插入效果
①. 加入1#,2#页都已经写满了，存放了如图所示的数据
②. 此时再插入id为50的记录，我们来看看会发生什么现象
会再次开启一个页，写入新的页中吗？
不会。因为，索引结构的叶子节点是有顺序的。按照顺序，应该存储在47之后。
但是47所在的1#页，已经写满了，存储不了50对应的数据了。 那么此时会开辟一个新的页 3#。
但是并不会直接将50存入3#页，而是会将1#页后一半的数据，移动到3#页，然后在3#页，插入50。
移动数据，并插入id为50的数据之后，那么此时，这三个页之间的数据顺序是有问题的。 1#的下一个 页，应该是3#， 3#的下一个页是2#。 所以，此时，需要重新设置链表指针。
上述的这种现象，称之为 “页分裂”，因此主键乱序插入的时候可能会发生页分裂现象，是比较耗费性能的操作。
介绍了页分裂现象，还需要再介绍一个对应的现象，称之为页合并。
2）页合并
目前表中已有数据的索引结构(叶子节点)如下：
当我们对已有数据进行删除时，具体的效果如下：
当删除一行记录时，实际上记录并没有被物理删除(从磁盘中将这一行数据删掉)，只是记录被标记（flaged）为删除，并且它的空间变得允许被其他记录声明使用。
当我们继续删除2#的数据记录
当页中删除的记录达到MERGE_THRESHOLD（默认为页的50%），InnoDB会开始寻找最靠近的页（前 或 后）看看是否可以将两个页合并以优化空间使用。
删除数据，并将页合并之后，再次插入新的数据21，则直接插入3#页
这个里面所发生的合并页的这个现象，就称之为 “页合并”。
知识小贴士： MERGE_THRESHOLD：合并页的阈值，默认为页的50%，也可以自己设置，在创建表或者创建索引时指定。
三、主键设计原则
- 满足业务需求的情况下，尽量降低主键的长度。
这个需要从聚集索引和二级索引的结构说起，因为对于一张表来说，主键索引 / 聚集索引它只有一个，但是二级索引会有很多个。
在二级索引的叶子结点中挂的就是数据的主键，所以如果主键长度比较长，二级索引比较多，那么将会占用大量的磁盘空间，而且在搜索的时候会耗费大量的磁盘IO，所以我们要尽量降低主键的长度。
插入数据时，尽量选择顺序插入，选择使用AUTO_INCREMENT自增主键。
尽量不要使用UUID做主键或者是其他自然主键，如身份证号。
因为UUID和身份证是无序的，在插入的时候就会乱序，那么就看你会存在页分裂现象；并且UUID或身份证长度相对来讲也比较长，那么我们在检索的时候也会耗费大量的磁盘IO。
- 业务操作时，避免对主键的修改。
主键作为一行的唯一标识，一般来说我们很少去修改，因为修改主键还需要去动对应的索引结构，代价是比较高的。