详解MySQL中的数据类型和schema优化
时间：2021-05-09 07:47:05 | 栏目：Mysql | 点击：次
最近在学习MySQL优化方面的知识。本文就数据类型和schema方面的优化进行介绍。
1. 选择优化的数据类型
MySQL支持的数据类型有很多，而如何选择出正确的数据类型，对于性能是至关重要的。以下几个原则能够帮助确定数据类型：
- 更小的通常更好
应尽可能使用可以正确存储数据的最小数据类型，够用就好。这样将占用更少的磁盘、内存和缓存，而在处理时也会耗时更少。
- 简单就好
当两种数据类型都能胜任一个字段的存储工作时，选择简单的那一方，往往是最好的选择。例如整型和字符串，由于整型的操作代价要小于字符，所以当在两者之间选择时，选择整型通常能够获得更好的性能。
- 尽量避免NULL
当列可为NULL时，对于MySQL来说，在索引和值比较等方面需要做更多的工作，虽然对性能的影响不是很大，但也应尽量避免设计为可为NULL。
除了以上原则，在选择数据类型时，需遵循的步骤：首先确定合适的大类型，例如数据、字符串、时间等；然后再选择具体的类型。下面将讨论大类型下的一些具体类型，首先是数字，有两种类型：整数和实数。
1.1 整数类型
整数类型和所占用的空间如下：
| 整数类型 | 空间大小（bit） |
|---|---|
| TINYINT | 8 |
| SMALLINT | 16 |
| MEDIUMINT | 24 |
| INT | 32 |
| BIGINT | 64 |
整数类型所能存储的范围和空间大小有关：-2^(N-1)至2^(N-1)-1，其中N为空间大小的位数。
整数类型具有UNSIGNED的可选属性，当声明时，表示不允许负数，则存储范围变为：0至2^(N)-1，扩大了一倍。
在MySQL中，还可以为整数类型指定宽度，例如INT(1)，但这样的意义并不大，并不会限制值的合法范围，仍能存储-2^31至2^31-1的值，所影响的是与MySQL的交互工具显示字符的个数。
1.2 实数类型
实数类型的对比如下：
| 实数类型 | 空间大小（Byte） | 取值范围 | 计算精度 |
|---|---|---|---|
| FLOAT | 4 | 负数：-3.4E+38～-1.17E-38；非负数：0、1.17E-38~3.4E+38 | 近似计算 |
| DOUBLE | 8 | 负数：-1.79E+308～-2.22E-308；非负数：0、2.22E-308~1.79E+308 | 近似计算 |
| DECIMAL | 与精度有关 | 同DOUBLE | 精确计算 |
从上面可以看出，FLOAT和DOUBLE都有固定的空间大小，但同时由于是使用标准的浮点运算，所以只能近似计算。而DECIMAL则可以实现精确计算，与此同时占用的空间会相较更大，所耗费的计算开销也更多。
DECIMAL所占空间大小与指定的精度有关，例如DECIMAL(M,D)：
- M为整个数字的最大长度，取值范围为[1, 65]，默认值为10；
- D为小数点后的长度，取值范围为[0, 30]，且D <= M，默认值为0。
MySQL在存储DECIMAL类型时会作为二进制字符串存储，每4个字节存9个数字，当不足9位时，数字的占用空间如下：
| 数字个数 | 占用空间（Byte） |
|---|---|
| 1、2 | 1 |
| 3、4 | 2 |
| 5、6 | 3 |
| 7、8 | 4 |
小数点前后将分别存储，同时小数点也要占1个字节。下面举两个计算的例子：
- DECIMAL(18, 9)：整数部分长度为9，占用4个字节。小数部分长度为9，占用4个字节。同时加上小数点1个字节，则总共占用9个字节。
- DECIMAL(20, 9)：整数部分长度为14，占用7（4+3）个字节。小数部分长度为9，占用4个字节。同时加上小数点1个字节，则总共占用12个字节。
可以看出DECIMAL的空间占用还是很大的，因此只有当需要对小数进行精确计算时，才需要使用DECIMAL。除此之外，我们还可以使用BIGINT代替DECIMAL，例如需要保证小数点后5位的计算，可以将值乘上10的5次方后作为BIGINT存储，这样能同时避免浮点存储计算不精确和DECIMAL精确计算代价高的问题。
1.3 字符串类型
最常用的字符串类型当属VARCHAR和CHAR。 VARCHAR 作为 可变长字符串 ，会使用1或2个额外字节记录字符串的长度，当最大长度未超过255时，只需1个字节记录长度，超过255，则需2个字节。VARCHAR的 适用场景 ：
- 最大长度比平均长度大很多；
- 列的更新少，避免碎片；
- 使用复杂的字符集，如UTF-8，每个字符能使用不同的字节存储。
CHAR则为 定长字符串 ，根据定义的字符串长度分配足够的空间， 适用场景 ：
- 长度短；
- 长度相近，例如MD5；
- 经常更新。
除了VARCHAR和CHAR，针对存储大字符串，可以使用BLOB和TEXT类型。BLOB和TEXT的区别在于， BLOB 是以 二进制 方式存储，而 TEXT 是以 字符 方式存储。这也导致，BLOB类型的数据没有字符集的概念，无法按字符排序，而TEXT类型则有字符集的概念，可以按字符排序。两者的使用场景，也由存储格式决定了，当存储二进制数据时，例如图片，应使用BLOB，而存储文本时，例如文章，则应使用TEXT类型。
1.4 日期和时间类型
MySQL中所能存储的最小时间粒度为秒，常用的日期类型有DATETIME和TIMESTAMP。
| 类型 | 存储内容 | 空间大小（Byte） | 时区概念 |
|---|---|---|---|
| DATETIME | 格式为YYYYMMDDHHMMSS的整数 | 8 | 无 |
| TIMESTAMP | 从1970年1月1日零点以来的秒数 | 4 | 有 |
TIMESTAMP显示的值将依赖于时区，意味在不同时区查询到的值将不一样。除了以上列出的不同，TIMESTAMP还具有一个特殊属性，在插入和更新时，如果没有指定第一个TIMESTAMP列的值，将会设置这个列的值为当前时间。
我们在开发过程中，应尽量使用TIMESTAMP，主要是因为其空间大小仅需DATETIME的一半，空间效率更高。
如果我们想存储的日期和时间精确到秒之后，怎么办？由于MySQL并未提供，所以我们可以使用BIGINT存储微妙级别的时间戳，或者使用DOUBLE存储秒之后的小数部分。
1.5 选择标识符
通常来说整数是标识符的最好选择，主要是因为其简单，计算快，且可使用AUTO_INCREMENT。
2. 范式和反范式
简单来说，范式就是一张数据表的表结构所符合的某种设计标准的级别。第一范式，属性不可分割，现在的RDBMS系统建成的表都是符合第一范式的。而第二范式，则是消除非主属性对码（可以理解为主键）的部分依赖。第三范式消除非主属性对码的传递依赖。
严格 范式化 的数据库中，每个事实数据会出现且只出现一次， 不会出现数据冗余 ，这样所能带能带来的好处有：
- 更新操作更快；
- 修改更少的数据；
- 表更小，更好地放内存中，执行操作更快；
- 更少需要DISTINCT或GROUP BY。
但也由于数据分散存在各张表中，查询时需要对表进行关联。而 反范式 的优点则是 不用进行关联 ，将数据冗余存储。
在实际应用中，不会出现完全的范式化或完全的反范式化，时常需要 混用范式和反范式 ，使用部分范式化的schema，往往是最好的选择。关于数据库设计，在网上看到这样一段话，大家可以感受下。
数据库设计应该分为三个境界：
第一境界：刚入门数据库设计，范式的重要性还未深刻理解。这时候出现的反范式设计，一般会出问题。
第二境界：随着遇到问题解决问题，渐渐了解到范式的真正好处，从而能快速设计出低冗余、高效率的数据库。
第三境界：再经过N年的锻炼，是一定会发觉范式的局限性的。此时再去打破范式，设计更合理的反范式部分。
范式就像武侠里面的招数，初学者妄想不按招数来，只能死的很难堪。毕竟招数都是高手总结归纳的精华。而随着武功提高，招数熟练之后，必然是发现招数的局限性，要么忘掉招数，要么自创招数。
只要努力，加上多熬几年，总能达到第二个境界，总会觉得范式是经典。此时能不过分依赖范式，快速突破范式局限性的人，自然是高手。
3. 缓存表和汇总表
除了上述说到的反范式，在表中存储冗余数据，我们还可以创建一张完全独立的汇总表或缓存表，来满足检索的需要。
缓存表，指的是存储可以从schema其他表中获取数据的表，也就是逻辑上冗余的数据。而 汇总表 ，则指的是存储使用GROUP BY等语句聚合数据，计算出的不冗余的数据。
缓存表，可用于 优化搜索和检索查询语句 ，这里可以使用的技巧有对缓存表使用不同的存储引擎，例如主表使用InnoDB，而缓存表则可使用MyISAM，获得更小的索引占用空间。甚至可以将缓存表放到专门的搜索系统中，例如Lucene。
汇总表，则是为了 避免实时计算统计值所带来的高昂代价 ，代价来自两方面，一是需要扫描表中的大部分数据，二是建立特定的索引，会对UPDATE操作有影响。例如，查询微信过去24小时的朋友圈数量，则可固定每1小时扫描全表，统计后写一条记录到汇总表，当查询时，只需查询汇总表上最新的24条记录，而不必每次查询时都去扫描全表进行统计。
在使用缓存表和汇总表时，必须决定是 实时维护数据 还是 定期重建 ，这取决于我们的需求。定期重建相比实时维护，能节省更多的资源，表的碎片更少。而在重建时，我们仍需保证数据在操作时可用，需要通过“ 影子表 ”来实现。在真实表后创建一张影子表，当填充好数据后，通过原子的重命名操作来切换影子表和原表。
4. 加快ALTER TABLE操作的速度
当MySQL在执行ALTER TABLE操作时，往往是新建一张表，然后把数据从旧表查出并插入到新表中，再删除旧表，如果表很大，这样需要花费很长时间，且会导致MySQL的服务中断。为了避免服务中断，通常可以使用 两种技巧 ：
在一台不提供服务的机器上执行ALTER TABLE操作，然后再与提供服务的主库进行切换；
“影子拷贝”，建立一张与原表无关的新表，在数据迁移完成后，通过重命名操作进行切换。
但也 不是所有的ALTER TABLE操作会引起表重建 ，例如在修改字段的默认值时，使用MODIFY COLUMN会进行表重建，而使用ALTER COLUMN则不会进行表重建，操作速度很快。这是因为ALTER COLUMN在修改默认值时，会直接修改了存在表的.frm文件（存储字段的默认值），而并未重建表。
参考