面试题：MySQL复杂业务场景下的表与索引维护策略

Question

设想一个具有高并发读写操作、数据频繁更新且涉及多表关联复杂查询的MySQL应用场景。在这种场景下，如何设计表结构以及制定索引维护策略，以确保系统的高性能、高可用性和数据一致性？请结合实际案例或模拟数据进行详细分析。

Answer 1

表结构设计

1. 范式与反范式结合
   • 遵循范式：在设计表结构初期，应遵循数据库范式（如三范式），确保数据的原子性、一致性等特性。例如，在一个电商系统中，有用户表（user）存储用户基本信息（user_id, username, email等），商品表（product）存储商品详情（product_id, product_name, price等）。这样可以避免数据冗余，减少数据不一致的风险。
   • 适当反范式：考虑到多表关联复杂查询的性能问题，在一些情况下需要适当引入反范式设计。比如订单表（order），除了存储订单基本信息（order_id, user_id, order_date等），还可以冗余一些用户和商品的常用信息，如用户名和商品名称，这样在查询订单相关信息时，可以减少多表关联，提高查询性能。但要注意冗余字段的更新一致性，可通过数据库触发器等机制来维护。
2. 分表策略
   • 水平分表：基于高并发读写操作和数据频繁更新的特点，水平分表是常用策略。例如，以时间维度进行水平分表，对于订单表，可以按月份将订单数据分表存储，如order_202301, order_202302等。这样在查询特定时间段订单数据时，只需要查询对应的表，减少单表数据量，提高查询和更新性能。同时，也有利于负载均衡，不同时间段的读写请求可以分布到不同的分表上。
   • 垂直分表：根据业务功能和数据访问频率进行垂直分表。比如将用户表中访问频率高的基本信息（user_id, username, mobile）放在一张表（user_basic），而将访问频率低的扩展信息（user_profile, registration_source等）放在另一张表（user_extended）。这样可以将不同类型的读写操作分离，提高系统整体性能。

索引维护策略

1. 创建合适索引
   • 主键索引：每张表都应设置合理的主键，如订单表的order_id，商品表的product_id等。主键索引能够保证数据的唯一性，并且在查询中可以快速定位到具体记录，对于单表查询性能提升明显。
   • 联合索引：针对多表关联复杂查询，创建联合索引。例如在订单表、用户表和商品表关联查询订单信息时，假设经常按照用户ID和订单时间查询订单，可以在订单表上创建联合索引（user_id, order_date）。联合索引的顺序要根据查询条件的使用频率和选择性来确定，一般将选择性高的字段放在前面。
   • 覆盖索引：对于一些查询操作，如果索引包含了查询所需的所有字段，就可以直接从索引中获取数据，而不需要回表操作，大大提高查询性能。例如查询订单表中订单金额和订单状态，若创建索引（order_id, order_amount, order_status），且查询语句为SELECT order_amount, order_status FROM order WHERE order_id =?，则可以使用覆盖索引。
2. 索引监控与优化
   • 定期分析索引使用情况：使用MySQL提供的工具，如SHOW STATUS LIKE 'Handler_read%'等，监控索引的使用频率和效率。如果发现某些索引很少被使用，可以考虑删除，以减少索引维护的开销。
   • 根据数据变化调整索引：随着数据的不断更新和业务需求的变化，索引的性能可能会受到影响。例如，当某张表的数据量大幅增长，原有的索引策略可能不再最优，需要重新评估和调整索引。比如原来的联合索引选择性下降，可能需要增加字段或者调整字段顺序。

实际案例分析

假设我们正在开发一个在线教育平台，有课程表（course）、学生表（student）、选课表（enrollment）。课程表存储课程基本信息（course_id, course_name, teacher_id等），学生表存储学生信息（student_id, student_name, grade等），选课表记录学生选课关系（enrollment_id, student_id, course_id, enrollment_date等）。

1. 表结构设计
   • 范式设计：三张表遵循基本范式，各自存储独立的业务数据，避免数据冗余。
   • 反范式考虑：在选课表中，可以冗余课程名称和学生姓名，方便快速查询选课详情，同时通过触发器维护冗余字段的更新一致性。例如，当课程名称在课程表中更新时，通过触发器同步更新选课表中的冗余课程名称字段。
   • 分表策略：对于选课表，由于数据量可能随时间快速增长且读写频繁，可以按学期进行水平分表，如enrollment_2023_1（表示2023年第一学期选课数据），enrollment_2023_2等。
2. 索引维护策略
   • 主键索引：课程表以course_id为主键，学生表以student_id为主键，选课表以enrollment_id为主键。
   • 联合索引：在选课表上创建联合索引（student_id, enrollment_date），方便查询某个学生在不同时间段的选课情况；创建联合索引（course_id, enrollment_date），方便查询某门课程在不同时间段的选课人数等。
   • 索引监控与优化：定期使用SHOW INDEX FROM enrollment查看选课表索引情况，使用EXPLAIN分析涉及选课表的查询语句执行计划。如果发现某个联合索引使用效率低，比如查询中该索引的选择性下降，根据实际情况考虑调整索引结构，如增加或删除字段等。