我们日常写 SQL 时，子查询应该算是常客了。MySQL 为子查询执行准备了各种优化策略，接下来我会写子查询各种优化策略是怎么执行的系列文章。
本文以包含最简单的 in 条件的查询入手，介绍 where field in (8,18,88,...) 这种值都是常量的 in 条件是怎么执行的。
这虽然不是子查询，我们就把它当成子查询的邻居好了，用它作为子查询系列的开篇，算是离子查询又近了一步 ^_^。
本文内容基于 MySQL 8.0.29 源码。
目录
- 1. 概述
- 2. 二分法查找
- 2.1 构造二分法查找数组
- 2.2 填充数组并排序
- 2.3 判断记录是否匹配 in 条件
- 3. 循环比较
- 4. 总结
正文
1. 概述
MySQL 为了能让 SQL 语句执行得更快一点，费尽心思进行了各种优化。
where field in (8,18,88,...) 这种值都是常量的 in 条件，看起来已经是最简单的形式了，执行过程似乎也没有什么可以优化的，但 MySQL 还是对它进行了优化。
这种 in 条件会有 2 种执行方式：
- 二分法查找
- 循环比较
MySQL 会优先使用二分法查找方式执行，如果不满足条件，再退而使用循环比较方式。
2. 二分法查找
判断 in 条件括号中的值和记录字段值是否匹配，相比于循环比较方式，二分法查找把时间复杂度从 O(N) 降为 O(logN)，大大减少了需要比较的次数，提升了 SQL 的执行效率。
2.1 构造二分法查找数组
二分法查找虽好，但需要满足一定条件才能使用：
- in 条件括号中的所有值都是
常量，也就是说不能包含任何表中的字段、也不能包含系统变量（如@@tmp_table_size）或自定义变量（如@a），总之是不能包含任何可以变化的东西。 - in 条件括号中所有值的数据类型必须
相同。举个反例：where field in (1,8,'10')这种既包含整数又包含字符串的 in 条件就是不行的。 - in 条件括号中所有值的类型，以及
字段本身的类型都不能是json。
如果以上 3 个条件都满足，就具备使用二分法查找的基础了。
接下来我们看看判断上述 3 个条件是否满足的主要流程：
第 1 步，循环 in 条件括号中的每个值，看看是否都是常量，只要碰到一个不是常量的值，就结束循环。
bool Item_func_in::resolve_type(THD *thd) {
......
// 判断 in 条件字段本身是不是 json 类型
bool compare_as_json = (args[0]->data_type() == MYSQL_TYPE_JSON);
......
bool values_are_const = true;
Item **arg_end = args arg_count;
for (Item **arg = args 1; arg != arg_end; arg ) {
// 判断 in 条件括号中的值是不是 json 类型
compare_as_json |= (arg[0]->data_type() == MYSQL_TYPE_JSON);
// 判断 in 条件括号中的值是不是常量
if (!(*arg)->const_item()) {
// in 条件括号中的值，只要有一个不是常量，就记录下来
values_are_const = false;
// @todo - rewrite as has_subquery() ???
if ((*arg)->real_item()->type() == Item::SUBSELECT_ITEM)
dep_subq_in_list = true;
// 然后结束循环
break;
}
}
......
}
上面代码里面还干了另一件事，就是判断 in 条件括号中的所有值，以及 in 条件字段是不是 json 类型。
args[0]表示 in 条件字段，args[1~N]是 in 条件括号中的值。
第 2 步，计算 in 条件括号中的所有值总共有几种数据类型。
bool Item_func_in::resolve_type(THD *thd) {
......
uint type_cnt = 0;
for (uint i = 0; i <= (uint)DECIMAL_RESULT; i ) {
if (found_types & (1U << i)) {
(type_cnt) ;
cmp_type = (Item_result)i;
}
}
......
}
第 3 步，基于前两步的结果，综合起来判断是否满足二分法查找的 3 个前提条件。
bool Item_func_in::resolve_type(THD *thd) {
......
/*
First conditions for bisection to be possible:
1. All types are similar, and
2. All expressions in <in value list> are const
3. No JSON is compared (in such case universal JSON comparator is used)
*/
bool bisection_possible = type_cnt == 1 && // 1
values_are_const && // 2
!compare_as_json; // 3
......
}
判断是否满足二分法查找的 3 个前提条件，逻辑就是上面这些了，不算太复杂。
MySQL 对于
where row(filed1,field2) in ((1,5), (8,10), ...)这种row 类型的 in 条件也会尽量使用二分法查找，本文内容不会涉及这些逻辑。
2.2 填充数组并排序
要使用二分法查找，只满足 3 个前提条件不算完事，还要求 in 条件括号中的值必须是已经排好序的，接下来就该再往前推进一步了，那就是对 in 条件括号中的值进行排序。
排序流程分为 2 步：
第 1 步，依然是用一个循环，把 in 条件括号中的每个值都依次加入到数组中。
第 2 步，所有值都加入数组之后，对数组元素进行排序。
// items 就是用于存放 in 条件括号中所有值的数组
bool in_vector::fill(Item **items, uint item_count) {
used_count = 0;
for (uint i = 0; i < item_count; i ) {
// in 条件括号中的值加入数组
set(used_count, items[i]);
/*
We don't put NULL values in array, to avoid erroneous matches in
bisection.
*/
// include this cell in the array.
if (!items[i]->null_value) used_count ;
}
assert(used_count <= count);
// 对数组元素进行排序
resize_and_sort();
// True = at least one null value found.
return used_count < item_count;
}
不知道大家有没有这样的疑问：如果 in 条件括号中存在重复值，MySQL 会对数组中的元素去重吗？
答案是：MySQL 只会把 in 条件括号中的值原样加入数组，不会对数组中的元素去重。
到这里，使用二分法查找的准备工作都已完成，这些准备工作都是在查询准备阶段进行的。
2.3 判断记录是否匹配 in 条件
server 层每从存储引擎读取到一条记录，都会判断记录是否和 in 条件匹配。
有了前面构造的有序数组，判断是否匹配的逻辑就很简单了，就是从读取出来的记录中拿到 in 条件字段的值，然后用有序数组进行二分法查找。
如果找到了，就说明记录和 in 条件匹配。
以 in 条件括号中所有值都是整数为例，二分法查找代码如下：
代码语言：javascript复制bool in_longlong::find_item(Item *item) {
if (used_count == 0) return false;
packed_longlong result;
// 从记录中读取 in 字段的值到 result
val_item(item, &result);
// 读取出来的记录中，in 字段值为 null 就不用二分法查找了
if (item->null_value) return false;
// 对于非 null 值进行二分法查找
return std::binary_search(base.begin(), base.end(), result, Cmp_longlong());
}
3. 循环比较
前面介绍过，使用二分法查找执行 in 条件判断是有前提条件的，如果不满足条件，那就只能退而使用原始的执行方式了。
原始执行方式就是循环 in 条件括号中的值，逐个和存储引擎读取出来的记录字段值进行比较。
只要碰到一个相等的值，说明记录和 in 条件匹配，就结束循环，这条记录需要返回给客户端。
如果一直循环到 in 条件括号中的最后一个值，都没有碰到和存储引擎读取出来的记录字段值一样的，说明记录和 in 条件不匹配，这条记录不需要发送给客户端。
代码语言：javascript复制longlong Item_func_in::val_int() {
......
for (uint i = 1; i < arg_count; i ) {
// in 条件括号中当前循环的值是 null，跳过
if (args[i]->real_item()->type() == NULL_ITEM) {
have_null = true;
continue;
}
// 获取 in 条件括号中的值，用什么类型进行比较，记为 cmp_type
Item_result cmp_type =
item_cmp_type(left_result_type, args[i]->result_type());
in_item = cmp_items[(uint)cmp_type];
assert(in_item);
if (!(value_added_map & (1U << (uint)cmp_type))) {
// 把读取出来的记录的 in 字段值转换为 cmp_type 类型
in_item->store_value(args[0]);
value_added_map |= 1U << (uint)cmp_type;
if (current_thd->is_error()) return error_int();
}
// 比较读取出来的记录的 in 字段值和当前循环的值是否相等
const int rc = in_item->cmp(args[i]);
// rc 就是比较结果，false 表示相等
if (rc == false) return (longlong)(!negated);
have_null |= (rc == UNKNOWN);
if (current_thd->is_error()) return error_int();
}
......
}
4. 总结
不包含子查询的 in 条件，和存储引擎读取出来的记录字段值进行比较，有二分法查找、循环比较两种方式。
二分法查找虽然有 3 个条件限制，但实际上这些条件还是很容易满足的，所以，多数情况下都能够使用二分法查找以获得更高执行效率。
