面试题：MongoDB索引优化之覆盖索引的应用

Question

解释MongoDB中覆盖索引的概念，如何判断一个查询是否利用了覆盖索引？请举例说明在实际开发中，怎样设计查询和索引以利用覆盖索引来提升查询性能。如果查询中包含排序操作，覆盖索引还能生效吗，为什么？

Answer 1

1. 覆盖索引的概念

覆盖索引指的是查询所需的所有数据都可以从索引本身获取，而无需再去读取文档。在MongoDB中，索引是一种特殊的数据结构，它以某种特定顺序存储文档中字段的值，便于快速查找。当索引包含了查询所需要的所有字段时，MongoDB可以直接从索引中提取数据返回给客户端，而不必再通过索引定位到文档然后读取文档内容，这样可以极大地减少I/O操作，提高查询性能。

2. 判断查询是否利用了覆盖索引

可以使用explain()方法来判断查询是否利用了覆盖索引。例如，假设有一个集合students，包含字段name、age和grade，并在name和age上建立了复合索引{name: 1, age: 1}。

// 查询语句
db.students.find({name: "Alice", age: 20}, {name: 1, age: 1, _id: 0})
// 使用explain查看执行计划
db.students.find({name: "Alice", age: 20}, {name: 1, age: 1, _id: 0}).explain("executionStats")

在explain的输出结果中，如果"stage": "IXSCAN"（表示使用了索引扫描）且"indexOnly": true，则说明该查询利用了覆盖索引。

3. 实际开发中利用覆盖索引提升查询性能

假设在一个电商系统中，有一个products集合，包含字段productName、price、description等。如果经常需要根据productName查询price，可以这样设计：

• 创建索引：

db.products.createIndex({productName: 1, price: 1})

• 编写查询：

db.products.find({productName: "iPhone 14"}, {productName: 1, price: 1, _id: 0})

这样的查询就可以利用覆盖索引，因为索引中包含了查询所需的productName和price字段，无需再读取文档。

4. 排序操作与覆盖索引

如果查询中包含排序操作，覆盖索引仍然可以生效，但有一定条件。

• 条件满足时生效：当排序字段包含在覆盖索引中，且索引顺序与排序顺序一致时，覆盖索引可以生效。例如，集合users有字段name、age，建立索引{name: 1, age: 1}。查询db.users.find({name: /^A/}, {name: 1, age: 1, _id: 0}).sort({name: 1, age: 1})，由于排序字段name和age都在索引中且顺序与索引一致，所以覆盖索引生效。
• 条件不满足时失效：如果排序字段不在覆盖索引中，或者索引顺序与排序顺序不一致，覆盖索引可能失效。比如查询db.users.find({name: /^A/}, {name: 1, age: 1, _id: 0}).sort({age: -1})，虽然age在索引中，但索引顺序是{name: 1, age: 1}，而排序是{age: -1}，此时覆盖索引可能无法生效，MongoDB可能需要读取文档来进行排序操作。