数据库的查询执行计划中的索引合并优化技术（Index Merge Optimization）深入扩展

1. 问题描述

索引合并优化（Index Merge Optimization）是数据库查询优化器处理复杂查询条件的一种高级技术。当查询的WHERE子句包含多个独立条件，且每个条件可能匹配不同索引时，优化器会尝试合并多个索引的扫描结果，而非仅选择一个索引或全表扫描。例如：

SELECT * FROM employees WHERE department_id = 10 OR salary > 5000;  

若department_id和salary列分别有索引，优化器可能同时使用两个索引，再合并结果。

2. 索引合并的适用场景

索引合并通常用于以下情况：

1. 多个条件的逻辑组合：
   • OR条件（如上述例子），需合并多个索引的并集（Union）。
   • AND条件（如department_id = 10 AND salary > 5000），需合并多个索引的交集（Intersection）。
2. 条件涉及不同列：每列有独立索引，且无联合索引覆盖所有条件。
3. 避免全表扫描：当单个索引过滤效率不足时，合并索引可能更高效。

3. 索引合并的算法类型

数据库（如MySQL）支持三种主要的索引合并算法：

3.1 交集合并（Index Merge Intersection）

• 适用场景：AND连接的等值或范围条件。
• 过程：
  1. 分别扫描每个索引，获取满足条件的行ID（或主键）集合。
  2. 求这些集合的交集。
  3. 根据交集结果回表读取数据行。
• 示例：

  SELECT * FROM employees WHERE department_id = 10 AND salary > 5000;  
  

  假设idx_dept和idx_salary分别扫描得到集合A和B，最终结果 = A ∩ B。

3.2 并集合并（Index Merge Union）

• 适用场景：OR连接的等值或范围条件。
• 过程：
  1. 分别扫描每个索引，获取行ID集合。
  2. 求这些集合的并集（自动去重）。
  3. 回表读取数据行。
• 示例：

  SELECT * FROM employees WHERE department_id = 10 OR salary > 5000;  
  

  结果 = A ∪ B。

3.3 排序并集合并（Index Merge Sort-Union）

• 适用场景：OR条件且索引扫描结果未按行ID排序时（例如范围查询）。
• 过程：
  1. 扫描每个索引，获取行ID集合。
  2. 对每个集合按行ID排序（因范围查询可能导致乱序）。
  3. 合并排序后的集合（类似归并排序的去重合并）。
• 与并集合并的区别：并集合并要求索引扫描结果天然有序（如等值查询），而排序并集适用于无序场景。

4. 索引合并的代价模型与限制

4.1 代价计算

优化器需权衡以下成本：

1. 索引扫描成本：每个索引的I/O和CPU开销。
2. 集合操作成本：交集/并集的计算开销（如哈希或排序）。
3. 回表成本：根据行ID读取数据页的随机I/O开销。
   若合并成本高于全表扫描或使用单个索引，则优化器会放弃索引合并。

4.2 常见限制

1. 索引覆盖度：若合并后需回表的行数过多，可能不如全表扫描。
2. 索引类型限制：部分数据库仅支持B-Tree索引的合并。
3. 条件独立性：合并要求条件能完全独立使用不同索引（例如，col1 = 10 OR col2 = 20可行，但col1 = 10 OR col1 = 20不会触发合并）。

5. 优化器决策与调优建议

5.1 触发条件

• 数据库统计信息需准确（如索引区分度、数据分布），否则优化器可能错误选择合并策略。
• 可通过执行计划查看是否触发索引合并（如MySQL的EXPLAIN中type字段显示index_merge）。

5.2 调优策略

1. 创建联合索引：若查询模式固定，直接创建覆盖多列的联合索引，避免合并开销。
2. 调整查询条件：重写查询以减少OR条件（如使用UNION拆分）。
3. 统计信息维护：定期更新统计信息，确保优化器准确估算成本。

6. 实际案例演示

以MySQL为例：

-- 表结构  
CREATE TABLE employees (  
  id INT PRIMARY KEY,  
  department_id INT,  
  salary INT,  
  INDEX idx_dept (department_id),  
  INDEX idx_salary (salary)  
);  

-- 查询  
EXPLAIN SELECT * FROM employees WHERE department_id = 10 OR salary > 5000;  

执行计划可能显示：

• type: index_merge
• key: idx_dept,idx_salary
• Extra: Using union(idx_dept,idx_salary)

7. 总结

索引合并优化通过组合多个索引的扫描结果，平衡了索引选择与复杂查询条件的矛盾。但其性能依赖于数据分布、索引设计及代价模型的准确性。在实际应用中，需结合执行计划分析，优先考虑联合索引或查询重写以简化优化器决策。