MySQL · 引擎特性 · InnoDB 全文索引简介

## 前言 从MySQL5.6版本开始支持InnoDB引擎的全文索引，语法层面上大多数兼容之前MyISAM的全文索引模式。所谓全文索引，是一种通过建立倒排索引，快速匹配文档的方式。MySQL支持三种模式的全文检索模式： 1. 自然语言模式（[IN NATURAL LANGUAGE MODE](http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/fulltext-natural-language.html)），即通过MATCH AGAINST 传递某个特定的字符串来进行检索。 2. 布尔模式（[IN BOOLEAN MODE](http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/fulltext-boolean.html)），可以为检索的字符串增加操作符，例如“+”表示必须包含，“-”表示不包含，“*”表示通配符（这种情况， 即使传递的字符串较小或出现在停词中，也不会被过滤掉），其他还有很多特殊的布尔操作符，可以通过如下参数控制： ~~~ mysql> show variables like '%ft_boolean_syntax%'; +-------------------+----------------+ | Variable_name | Value | +-------------------+----------------+ | ft_boolean_syntax | + -><()~*:""&| | +-------------------+----------------+ 1 row in set (0.00 sec) ~~~ 3. 查询扩展模式（[WITH QUERY EXPANSION](http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/fulltext-query-expansion.html)）, 这种模式是自然语言模式下的一个变种，会执行两次检索，第一次使用给定的短语进行检索，第二次是结合第一次相关性比较高的行进行检索。 目前MySQL支持在CHAR、VARCHAR、TEXT类型的列上定义全文索引。 本文只是简单的分析了全文索引涉及到的代码模块以及5.7的一些新特性，源码部分基于MySQL5.7.8-rc版本，更细节的部分并未深入。 ## 创建全文索引 如下例所示，一个简单的创建带全文索引表的SQL： ~~~ create table t1 (a int auto_increment primary key, b text, fulltext(b)); ~~~ 磁盘上会产生多个文件： ~~~ $ls -lh /u01/my57/data/test/ total 1.3M FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_1.ibd FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_2.ibd FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_3.ibd FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_4.ibd FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_5.ibd FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_6.ibd FTS_000000000000010b_BEING_DELETED_CACHE.ibd FTS_000000000000010b_BEING_DELETED.ibd FTS_000000000000010b_CONFIG.ibd FTS_000000000000010b_DELETED_CACHE.ibd FTS_000000000000010b_DELETED.ibd t1.frm t1.ibd ~~~ 除了t1.frm和t1.ibd外，共分为以下几类表 1. FTS_000000000000010b_0000000000000154_INDEX_1~6.ibd这6个文件用于存储倒排索引，存储的是分词和位置以及document ID，根据分词的第一个字符值进行分区，映射到不同的文件中； 文件的命名规则为FTS_{TABLE_ID}_{INDEX_ID}_INDEX_{N}.ibd 2. FTS_000000000000010b_DELETED.ibd 包含已经被删除的DOC_ID，但还没从全文索引数据中删掉； FTS_000000000000010b_DELETED_CACHE.ibd 是前者的内存缓存（但是搜索了下代码，只有当`fts_cache_t::deleted_doc_ids`被使用时，才会在sync时转储到该表中，但并没有发现任何地方使用这个对象） 3. FTS_000000000000010b_BEING_DELETED_CACHE.ibd 和 FTS_000000000000010b_BEING_DELETED.ibd，包含了已经被删除索引记录并且正在从全文索引中移除的DOC ID，前者是后者的内存版本，这两个表主要用于辅助进行OPTIMIZE TABLE时将DELETED/DELETED_CACHED表中的记录转储到其中。 4. FTS_000000000000010b_CONFIG.ibd，包含全文索引的内部信息，最重要的存储是FTS_SYNCED_DOC_ID，表示已经解析并刷到磁盘的doc id， 在崩溃恢复时，可以根据这个值判断哪些该重新解析并加入到索引cache中。 建全文索引辅助表函数参考： ~~~ ha_innobase::create |--> create_table_info_t::create_table |--> fts_create_common_tables ~~~ 当对一个已经存在的表上创建全文索引时，InnoDB采用了fork多个线程进行并发构建全文索引项的方法，并发度由参数 `innodb_ft_sort_pll_degree` 控制。因此在restore一个全文索引表时，我们建议先建表、导入数据，再在表上创建全文索引。 参考函数：`row_merge_read_clustered_index --> row_fts_start_psort` 线程回调函数为`fts_parallel_tokenization`。 当表上存在全文索引时，就会隐式的建立一个名为FTS_DOC_ID的列，并在其上创建一个唯一索引，用于标识分词出现的记录行。你也可以显式的创建一个名为FTS_DOC_ID的列，但需要和隐式创建的列类型保持一致。 为了维护表上的全文索引信息，全文索引模块定义了大量的类来进行管理，总的来说如下图所示：  图1\. 全文索引模块 ## 普通DML及查询操作 ### 插入 我们可以通过INNODB_FT_INDEX_CACHE来检查插入记录的分词： ~~~ mysql> insert into t1 values (NULL, 'hello, welcome to mysql world'); Query OK, 1 row affected (1.87 sec) mysql> set global innodb_ft_aux_table = 'test/t1'; Query OK, 0 rows affected (0.00 sec) mysql> select * from INNODB_FT_INDEX_CACHE; +---------+--------------+-------------+-----------+--------+----------+ | WORD | FIRST_DOC_ID | LAST_DOC_ID | DOC_COUNT | DOC_ID | POSITION | +---------+--------------+-------------+-----------+--------+----------+ | hello | 2 | 2 | 1 | 2 | 0 | | mysql | 2 | 2 | 1 | 2 | 18 | | welcome | 2 | 2 | 1 | 2 | 7 | | world | 2 | 2 | 1 | 2 | 24 | +---------+--------------+-------------+-----------+--------+----------+ 4 rows in set (0.00 sec) ~~~ 在插入一条记录时，对应的堆栈如下： ~~~ row_insert_for_mysql |--> row_insert_for_mysql_using_ins_graph |--> fts_trx_add_op // state = FTS_INSERT ~~~ 在向原表上插入完成记录后，会去判断表上是否有全文索引（DICT_TF2_FTS），如果有的话，则将插入记录对应的doc id提取出来(`fts_get_doc_id_from_row`)，并缓存到事务对象中。 ### 删除 删除操作不会直接从全文索引里直接删除，因此依然可以从INNODB_FT_INDEX_CACHE中查到分词信息。 相关堆栈： ~~~ ha_innobase::delete_row |--> row_update_for_mysql |--> row_update_for_mysql_using_upd_graph |--> row_fts_update_or_delete |--> fts_trx_add_op // state = FTS_DELETE ~~~ ### 更新 更新非全文索引列，不会修改FTS_DOC_ID列的值。如果更新了全文索引列，在InnoDB的实现是删除老的DOC，并插入新的DOC。 堆栈为： ~~~ ha_innobase::update_row |--> row_update_for_mysql |--> row_update_for_mysql_using_upd_graph |--> row_fts_update_or_delete |--> row_fts_do_update |--> fts_trx_add_op // state = FTS_DELETE |--> fts_trx_add_op // state = FTS_INSERT ~~~ 可见所有DML的操作，都走接口函数`fts_trx_add_op`，划分为两种操作: FTS_INSERT及FTS_DELETE；当前事务涉及的doc id被存储到`trx->fts_trx`中，在执行SQL的过程中并没有更新全文索引，而是在事务提交时进行的。 在缓存操作时，维护了两个结构，一个是`trx->fts_trx->savepoints`，维护了事务全局的全文索引操作，另外一个是`trx->fts_trx->last_stmt`，维护的是当前SQL操作的doc id，前者在事务结束时处理，后者在SQL结束时清空。 ### 查询 对于全文索引的查询，采用新的接口函数，分为两步: 1. 根据检索词搜集符合条件的doc id。 ~~~ JOIN::optimize |--> init_ftfuncs |--> Item_func_match::init_search |--> ha_innobase::ft_init_ext |--> fts_query ~~~ 在搜集满足查询条件的doc id时，首先读取DELETED表中记录的doc id，这些doc id随后被用做过滤。 2. 根据搜集到的doc id，找到对应的记录，使用的索引是`dict_table_t::fts_doc_id_index`，也就是建立在隐藏列FTS_DOC_ID上的唯一索引。 ~~~ sub_select |--> join_ft_read_first |--> ha_innobase::ft_init |--> ha_innobase::ft_read |--> join_ft_read_next |--> ha_innobase::ft_read ~~~ 通常查询返回的结果是根据rank排序的，InnoDB的全文检索排序规则和sphinx类似，基于 BM25 和 TF-IDF算法。 rank的计算算法如下： ~~~ ${IDF} = log10( ${total_records} / ${matching_records} ) // total_records表示总的行记录数，matching_records表示匹配到检索字的行记录数 ${TF} 表示单词在文档中出现的次数 ${rank} = ${TF} * ${IDF} * ${IDF} ~~~ IDF的计算参阅函数：`fts_query_calculate_idf` ranking计算：`fts_query_calculate_ranking` 如果使用多个单词匹配，则把各个单词各自的rank累加起来。官方博客有[一篇文章](http://mysqlserverteam.com/rankings-with-innodb-full-text-search/)专门对此进行了介绍。 ## 事务操作 事务内回滚 正在事务内回滚某个语句，或者回滚到某个savepoint时，需要将对应的操作记录也要删除。维护了`trx->fts_trx->last_stmt`，在单条SQL结束时释放(`trx_mark_sql_stat_end`)。如果SQL回滚，就根据last_stmt中维护的doc id从全局savepoints中清理掉本条SQL的doc id。 相关堆栈： ~~~ innobase_rollback --> trx_rollback_last_sql_stat_for_mysql |--> fts_savepoint_rollback_last_stmt |--> fts_undo_last_stmt |--> trx_mark_sql_stat_end |--> fts_savepoint_laststmt_refresh ~~~ 回滚到savepoint ~~~ innobase_rollback_to_savepoint |--> fts_savepoint_rollback ~~~ 事务提交 相关堆栈： ~~~ trx_commit_low |--> fts_commit // 处理trx->fts_trx->savepoints中缓存的全文索引操作 |--> fts_commit_table |--> fts_add |--> fts_add_doc_by_id |--> fts_delete |--> trx_commit_in_memory |--> trx_finalize_for_fts |--> trx_finalize_for_fts_table ~~~ 在调用fts_commit时，会根据不同的操作类型，调用fts_add增加全文索引项，调用fts_delete删除全文索引项。 由于在插入记录时，先分词、分解成多个词插入辅助表中，因此一条insert可能产生多个小的插入，这种写入放大可能是不可承受的。InnoDB采用了一种优化的方案：创建一个内存cache，临时缓存插入操作，当cache满时再批量刷到磁盘，这样做的好处是： * 避免重复存储相同的单词； * cache size 通过参数`innodb_ft_cache_size`控制； * 查询会将cache和磁盘数据进行merge。 在事务提交时，调用函数`fts_add_doc_by_id`： * 首先根据doc id，使用doc_id所在的索引进行查询，找到刚刚插入的记录项对应的聚集索引记录； * 遍历表上全部的聚集索引，根据全文索引对应的`fts_get_doc_t`(`fts_cache_t::get_docs`)构建`fts_doc_t`，对文档根据选择的parser进行分词(`fts_tokenize_document`函数或者`fts_tokenize_document_next`)，具体的文档存储到`fts_doc_t::text`中； * 将上一步获得的分词加入到cache中（`fts_cache_add_doc`）； * 如果当前cache的大小超过配置的`innodb_ft_cache_size`，或者全局cache的大小超过`innodb_ft_total_cache_size`(`fts_need_sync`被设置为true)，则进行一次sync，将该表缓存的数据刷到全文索引文件中(fts_sync)，并清空cache。 和插入相似，删除操作也可能产生大量小的删除操作，为了避免这种情况，维持一个表，来记录被删除的doc id，但记录依然存在于原文件中。删除操作的提交函数为`fts_delete`，将被删除的记录doc_id插入到DELETED辅助表中。 事务模块涉及的几个关键类包括：  图2\. 全文索引事务模块 ## 同步缓存 在满足一定条件时，全文索引需要进行一次sync操作，将数据同步到全文索引文件中，大概包含以下集中情况需要sync： * cache数据占用的内存超过限制； * 后台线程`fts_optimize_thread`在shutdown调用，将所有表进行一次sync； * `ha_innobase::optimize`调用（执行optimize table）； * `row_merge_read_clustered_index`：创建一个新的临时表并读入数据后，进行一次sync调用。 同步操作的入口函数为fts_sync，大体流程为： * 针对每个索引，调用函数`fts_sync_index`：通过函数`fts_select_index`计算写入的索引文件，再将分词节点信息写入到文件（函数`fts_write_node`）, 倒排索引的记录内容使用结构体`fts_node_t`进行描述，存储结构如下图所示：  图3\. 倒排索引结点存储结构 * 调用`fts_sync_commit`提交sync操作： * 更新CONFIG表记录的最大SYNC的DOC ID（`fts_cmp_set_sync_doc_id`）； * 若`fts_cache_t::deleted_doc_ids`不为空，将其加入到DELETED_CACHE辅助表中（`fts_sync_add_deleted_cache`）； * 清空cache 并重新初始化。 ## Optimize table 当你修改了某些配置（例如最小token size时），或者希望重组全文索引时，可以执行optimize table。由于原始optimize table操作会产生整个表的重建，耗时太久，因此InnoDB引入了一个参数`innodb_optimize_fulltext_only`来控制该行为。当开启该选项时，如果执行optimize table，就只优化全文索引，而不会去重建表，入口函数为ha_innobase::optimize： ~~~ ha_innobase::optimize |--> fts_sync_table |--> fts_optimize_table ~~~ 首先调用函数`fts_sync_table`，将表上在内存中cache的数据刷到全文索引文件中； 然后调用函数`fts_optimize_table`，我们主要分析集中在第二步。 `fts_optimize_table`函数流程如下： * 如果BEGING_DELETED表中没有数据（例如第一次调用optimized table），则将DELETED表中的数据转储到BEING_DELETED表中，相当于拿到了一个快照，执行的SQL操作为： ~~~ static const char* fts_init_delete_sql = "BEGIN\n" "\n" "INSERT INTO $BEING_DELETED\n" "SELECT doc_id FROM $DELETED;\n" "\n" "INSERT INTO $BEING_DELETED_CACHE\n" "SELECT doc_id FROM $DELETED_CACHE;\n"; ~~~ 参考函数：`fts_optimize_create_deleted_doc_id_snapshot` * 从BEING_DELETED/BEING_DELETED_CACHE表中读取已经被删除的doc id，这些doc id在随后的索引优化中将被忽略掉。 参考函数：`fts_optimize_read_deleted_doc_id_snapshot` * 调用`fts_optimize_indexes` 对每个索引进行优化，相关堆栈如下： ~~~ fts_optimize_indexes |--> fts_optimize_index |--> fts_optimize_index_read_words // 读入需要进行优化的分词，一轮优化的个数不超过innodb_ft_num_word_optimize的配置值 // 缓存的分词数据采用zlib进行压缩 |--> fts_optimize_words // 读取分词，将已经删除的doc id从其中清除，并回写到db |--> fts_index_fetch_nodes // 逐个读取分词对应的全文索引项 |--> fts_optimize_compact |--> fts_optimize_word // 判断是否包含被删除的doc id，并重组记录 |--> fts_optimize_write_word // 将记录写回索引，具体操作为先删除老的记录，再插入新的记录 |--> fts_config_set_index_value //更新CONFIG表的FTS_LAST_OPTIMIZED_WORD列，记录最近重组优化的分词 |--> fts_optimize_index_completed // 若上述步骤将读取的分词全部处理完了，则本轮optimize操作完成 ~~~ * 当在所有索引上完成optimize后，调用fts_optimize_purge_snapshot，主要操作包括： * 从DELETE和DELETE_CACHE表中将doc id删除，参考函数fts_optimize_purge_deleted_doc_ids ~~~ static const char* fts_delete_doc_ids_sql = "BEGIN\n" "\n" "DELETE FROM $DELETED WHERE doc_id = :doc_id1;\n" "DELETE FROM $DELETED_CACHE WHERE doc_id = :doc_id2;\n"; ~~~ * 从BEING_DELETED及BEING_DELETED_CACHE中删除对应的doc id。 ~~~ static const char* fts_end_delete_sql = "BEGIN\n" "\n" "DELETE FROM $BEING_DELETED;\n" "DELETE FROM $BEING_DELETED_CACHE;\n"; ~~~ 参考函数： `fts_optimize_purge_deleted_doc_id_snapshot` ## 后台线程 InnoDB启动时，会创建一个后台线程，线程函数为`fts_optimize_thread`，工作队列为`fts_optimize_wq`，其主要目的是在满足一定条件时，对表自动进行optimize操作。 在如下两种情况，会向`fts_optimize_wq`中增加元组： * `fts_optimize_add_table`: 创建或打开一个新的带全文索引的表时，创建一个类型为`FTS_MSG_ADD_TABLE`并包含表对象指针的MSG，加入到`fts_optimize_wq`中，这些表禁止被从数据词典中驱逐； * `fts_optimize_remove_table`: 删除表、DDL、释放表对象(`dict_mem_table_free`)、删除全文索引(`fts_drop_index`)等操作时，会创建一个类型为`FTS_MSG_DEL_TABLE的MEG`，加入到`fts_optimize_wq`队列中。 fts optimize线程对于FTS_MSG_ADD_TABLE类型的会将相应的表加入到调度队列，对于FTS_MSG_DEL_TABLE，则从调度队列中删除。其调度队列的成员类型为`fts_slot_t`。 当表上删除的数据量超过一千万(FTS_OPTIMIZE_THRESHOLD)行时，就会触发一次自动optimize table，但两次optimize的间隔不应低于300秒（FTS_OPTIMIZE_INTERVAL_IN_SECS）。 ## 监控 我们可以通过几个INFORMATION_SCHEMA下的全文索引表来监控全文索引状态。 ~~~ mysql> show tables like '%ft%'; +-------------------------------------+ | Tables_in_information_schema (%ft%) | +-------------------------------------+ | INNODB_FT_CONFIG | | INNODB_FT_BEING_DELETED | | INNODB_FT_DELETED | | INNODB_FT_DEFAULT_STOPWORD | | INNODB_FT_INDEX_TABLE | | INNODB_FT_INDEX_CACHE | +-------------------------------------+ 6 rows in set (0.00 sec) ~~~ 想要从information_schema表中查询信息，需要先设置变量`innodb_ft_aux_table`，值为你要查询表的”dbname/tablename”。 ## 全文索引停词 停词(STOP WORD)用于在分词时忽略那些常见的不重要的单词，InnoDB目前内建的停词可以从information_schema.INNODB_FT_DEFAULT_STOPWORD读取，用户也可以自己定义停词列表，方法很简单：创建一个和nformation_schema.INNODB_FT_DEFAULT_STOPWORD一模一样的表，将你想要的停词加入到其中，然后设置`innodb_ft_server_stopword_table`值为你创建的表名：”dbname/tabname”。 你也可以使用会话级别的参数`innodb_ft_user_stopword_table`来指定你想要的停词表，和上述创建规则一致，具体的参阅[官方文档](http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/fulltext-stopwords.html)。 另外配置项`innodb_ft_min_token_size`及`innodb_ft_max_token_size` 用于表示一个单词的字符长度范围，在这个范围的连续字符串才会被当作一个单词。然而如果使用ngram解析器的话，有效单词长度受参数`ngram_token_size`控制。 可以关闭参数`innodb_ft_enable_stopword`，这样在分词时也会把预设的停词考虑进去。 ## InnoDB全文索引插件 从MySQL 5.7.3开始InnoDB支持全文索引插件，用户可以以Plugin的模式来定义自己的分词规则，或是引入社区开发的全文索引解析器，例如某些专业领域的分词，可能具有不同的规则。 全文索引插件有两种角色：第一种是替换内建的parser，读取输入文档，进行解析后，将分词传送给server；另一种角色是作为内建parser的协作者，可以把输入文档处理过后，再传送给内建parser。 如果你已经有一个基于MYISAM的全文索引插件了，也可以根据[这篇官方文档](http://mysqlserverteam.com/innodb-supports-plugin-parser-in-fulltext-index/)的介绍，将其修改成InnoDB全文索引插件。 ## InnoDB N-gram parser 从MySQL5.7.6版本开始提供了一种内建的全文索引ngram parser，可以很好的支持CJK字符集（中文、日文、韩文），CJK有个共同点就是单词不像英语习惯那样根据空格进行分解的，因此传统的内建分词方式无法准确的对类似中文进行分词。 ngram parser内建在代码中，该解析器默安装，你可以通过指定索引属性（`WITH PARSER ngram`）来利用该parser，例如： ~~~ mysql> create table ft_test(id int, content text, fulltext (content) with parser ngram); Query OK, 0 rows affected (0.26 sec) ~~~ N-Gram使用一种特殊的方式来进行分词，举个简单的例子，假设要对单词’abcd’进行分词，那么其分词结果为： ~~~ N=1 : 'a', 'b', 'c', 'd'; N=2 : 'ab', 'bc', 'cd'; N=3 : 'abc', 'bcd'; N=4 : 'abcd'; ~~~ N取决于`ngram_token_size`的设置，默认值为2。 对于停词的处理，N-Gram和默认的parser不同，即只要每个token包含了（而不是精确匹配）停词，就不对其进行索引；另外空格总是作为一个停词，因此在分词取token时，空格会被忽略掉。 在执行查询时，用户传递的搜索词也会基于N-Gram进行分解后进行检索。 具体的例子可以参阅[官方博客](http://mysqlserverteam.com/innodb-full-text-n-gram-parser/)的描述。 除了N-gram parser外，官方也支持了另外一种名为[MeCab Parser](http://mysqlserverteam.com/innodb-full-text-mecab-parser/)的插件，主要用于日语分词，但需要手动安装。