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全局索引

在引入全局索引 (Global Index) 之前，TiDB 会为每个分区创建一个本地索引 (Local Index)，即一个分区对应一个本地索引。这种索引方式存在一个使用限制：主键和唯一键必须包含所有的分区键，以确保数据的全局唯一性。此外，当查询的数据跨越多个分区时，TiDB 需要扫描各个分区的数据才能返回结果。

为解决这些问题，TiDB 从 v8.3.0 开始引入全局索引。全局索引能覆盖整个表的数据，使得主键和唯一键在不包含分区键的情况下仍能保持全局唯一性。此外，全局索引可以在一次操作中访问多个分区的索引数据，而无需对每个分区的本地索引逐一查找，显著提升了针对非分区键的查询性能。从 v8.5.4 开始，非唯一索引也可以创建为全局索引。

优势

全局索引可以显著提升查询性能，增强索引设计灵活性，降低数据迁移和应用修改成本。

提升查询性能

全局索引能够有效提高检索非分区列的效率。当查询涉及非分区列时，全局索引可以快速定位相关数据，避免了对所有分区的全表扫描，可以显著降低协处理任务 (Coprocessor Task) 的数量，这对于分区数量庞大的场景尤为有效。

经过测试，在分区数量为 100 的情况下，sysbench select_random_points 场景的性能提升了 53 倍。

增强索引设计灵活性

全局索引消除了分区表中唯一键必须包含所有分区列的限制。这让你在设计索引时更加灵活，可以根据实际的查询需求和业务逻辑来创建索引，而不再受限于表的分区方案。这种灵活性不仅有助于优化查询性能，还能更好地满足多样化的业务需求。

降低数据迁移和应用修改成本

在数据迁移和应用修改过程中，全局索引可以显著减少额外的调整工作。如果没有全局索引，你可能需要更改分区方案或者重写查询语句，以适应索引的限制。而使用全局索引之后，可以避免这些修改，从而降低开发和维护成本。

例如，将 Oracle 数据库中的某张表迁移到 TiDB 时，因为 Oracle 支持全局索引，某些表中可能存在一些不包含分区列的唯一索引。在 TiDB 引入全局索引之前，你需要调整表结构以适应 TiDB 的分区表限制。在 TiDB 支持全局索引后，你只需在迁移时简单地修改索引定义，将其设置为全局索引，即可与 Oracle 保持一致，从而大幅降低迁移成本。

使用限制

  • 如果索引定义中未显式指定 GLOBAL 关键字，TiDB 将默认创建本地索引 (Local Index)。
  • GLOBAL 和 LOCAL 关键字仅适用于分区表，对非分区表没有影响。即在非分区表中，全局索引和本地索引之间没有区别。
  • 以下 DDL 操作会触发全局索引的更新：DROP PARTITION、TRUNCATE PARTITION 和 REORGANIZE PARTITION。这些 DDL 需等待全局索引更新完成后才会返回结果，因此耗时会相应增加。尤其是在数据归档场景下，如 DROP PARTITION 和 TRUNCATE PARTITION，如果没有全局索引，通常可以立即完成；但使用全局索引后，耗时会随着需要更新的索引数量的增加而增加。
  • 包含全局索引的表不支持 EXCHANGE PARTITION。
  • 默认情况下，分区表的主键为聚簇索引，且必须包含分区键。如果要求主键不包含分区建，可以在建表时显式指定主键为非聚簇的全局索引，例如：PRIMARY KEY(col1, col2) NONCLUSTERED GLOBAL。
  • 如果全局索引建立在表达式列上，或者全局索引同时也是前缀索引（例如 UNIQUE KEY idx_id_prefix (id(10)) GLOBAL），则需要手动为该全局索引收集统计信息。

功能演进

  • v7.6.0 之前：TiDB 仅支持分区表的本地索引。这意味着，分区表上的唯一键必须包含分区表达式中的所有列。如果查询条件中没有使用分区键，则查询需要扫描所有分区，导致查询性能下降。
  • v7.6.0：引入了系统变量 tidb_enable_global_index，用于开启全局索引功能。然而，当时该功能仍在开发中，不推荐启用。
  • v8.3.0：全局索引作为实验特性发布。你可以在创建索引时使用 GLOBAL 关键字来显式创建全局索引。
  • v8.4.0：全局索引功能正式发布 (GA)。你可以直接使用 GLOBAL 关键字创建全局索引，无需再设置系统变量 tidb_enable_global_index。从该版本开始，该系统变量被废弃，且变量值固定为 ON，即默认启用全局索引。
  • v8.5.0：全局索引支持包含分区表达式中的所有列。

全局索引和本地索引

下图展示了本地索引和全局索引的区别：

Global Index vs. Local Index

全局索引的适用场景：

  • 数据归档不频繁：例如，医疗行业的部分业务数据需要保存 30 年，通常按月分区，然后一次性创建 360 个分区，且很少进行 DROP 或 TRUNCATE 操作。在这种情况下，使用全局索引更为合适，能够提供跨分区的一致性和查询性能。
  • 查询需要跨分区的数据：当查询需要访问多个分区的数据时，全局索引可以避免跨分区扫描，提高查询效率。

本地索引的适用场景：

  • 数据归档需求：如果数据归档操作很频繁，且主要查询集中在单个分区内，本地索引可以提供更好的性能。
  • 需要使用分区交换功能：在银行等行业，可能会将处理后的数据先写入普通表，确认无误后再交换到分区表，以减少对分区表性能的影响。此时，本地索引更为适用，因为一旦使用了全局索引，分区表将不再支持分区交换功能。

全局索引和聚簇索引

由于聚簇索引和全局索引的原理限制，一个索引不能同时作为聚簇索引和全局索引。然而，这两种索引在不同查询场景中能提供不同的性能优化。在遇到需要同时兼顾两者的需求时，你可以将分区列添加到聚簇索引中，同时创建一个不包含分区列的全局索引。

假设有如下表结构：

CREATE TABLE `t` (
  `id` int DEFAULT NULL,
  `ts` timestamp NULL DEFAULT NULL,
  `data` varchar(100) DEFAULT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin
PARTITION BY RANGE (UNIX_TIMESTAMP(`ts`))
(PARTITION `p0` VALUES LESS THAN (1735660800)
 PARTITION `p1` VALUES LESS THAN (1738339200)
 ...)

在上面的 t 表中，id 列的值是唯一的。为了优化点查和范围查询的性能，可以选择在建表语句中定义一个聚簇索引 PRIMARY KEY(id, ts) 和一个不包含分区列的全局索引 UNIQUE KEY id(id)。这样在进行基于 id 的点查询时，会采用全局索引 id，选择 PointGet 的执行计划；而在进行范围查询时，聚簇索引则会被选中，因为聚簇索引相比全局索引少了一次回表操作，从而提升查询效率。

修改后的表结构如下所示：

CREATE TABLE `t` (
  `id` int NOT NULL,
  `ts` timestamp NOT NULL,
  `data` varchar(100) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`, `ts`) /*T![clustered_index] CLUSTERED */,
  UNIQUE KEY `id` (`id`) /*T![global_index] GLOBAL */
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin
PARTITION BY RANGE (UNIX_TIMESTAMP(`ts`))
(PARTITION `p0` VALUES LESS THAN (1735660800),
 PARTITION `p1` VALUES LESS THAN (1738339200)
 ...)

这种方式既能优化基于 id 的点查询，又能提升范围查询的性能，同时确保表的分区列在基于时间戳的查询中能得到有效利用。

使用方法

如果你需要创建全局索引，则在索引定义中添加 GLOBAL 关键字。

CREATE TABLE t1 (
    col1 INT NOT NULL,
    col2 DATE NOT NULL,
    col3 INT NOT NULL,
    col4 INT NOT NULL,
    UNIQUE KEY uidx12(col1, col2) GLOBAL,
    UNIQUE KEY uidx3(col3),
    KEY idx1(col1) GLOBAL
)
PARTITION BY HASH(col3)
PARTITIONS 4;

在上述示例中，唯一索引 uidx12 和非唯一索引 idx1 将成为全局索引，但 uidx3 仍是常规的唯一索引。

请注意，聚簇索引不能成为全局索引，示例如下：

CREATE TABLE t2 (
    col1 INT NOT NULL,
    col2 DATE NOT NULL,
    PRIMARY KEY (col2) CLUSTERED GLOBAL
) PARTITION BY HASH(col1) PARTITIONS 5;

ERROR 1503 (HY000): A CLUSTERED INDEX must include all columns in the table's partitioning function

聚簇索引不能同时作为全局索引。原因在于，如果聚簇索引是全局索引，则表将不再分区。聚簇索引的键是分区级别的行数据的键，但全局索引是表级别的，这就产生了冲突。如果需要将主键设置为全局索引，则需要显式设置该主键为非聚簇索引，例如：

PRIMARY KEY(col1, col2) NONCLUSTERED GLOBAL

你可以通过 SHOW CREATE TABLE 输出中的 GLOBAL 索引选项来识别全局索引。

SHOW CREATE TABLE t1\G

       Table: t1
Create Table: CREATE TABLE `t1` (
  `col1` int NOT NULL,
  `col2` date NOT NULL,
  `col3` int NOT NULL,
  `col4` int NOT NULL,
  UNIQUE KEY `uidx12` (`col1`,`col2`) /*T![global_index] GLOBAL */,
  UNIQUE KEY `uidx3` (`col3`),
  KEY `idx1` (`col1`) /*T![global_index] GLOBAL */
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin
PARTITION BY HASH (`col3`) PARTITIONS 4
1 row in set (0.00 sec)

或查询 INFORMATION_SCHEMA.TIDB_INDEXES 表并查看输出中的 IS_GLOBAL 列来识别全局索引。

SELECT * FROM information_schema.tidb_indexes WHERE table_name='t1';

+--------------+------------+------------+----------+--------------+-------------+----------+---------------+------------+----------+------------+-----------+-----------+
| TABLE_SCHEMA | TABLE_NAME | NON_UNIQUE | KEY_NAME | SEQ_IN_INDEX | COLUMN_NAME | SUB_PART | INDEX_COMMENT | Expression | INDEX_ID | IS_VISIBLE | CLUSTERED | IS_GLOBAL |
+--------------+------------+------------+----------+--------------+-------------+----------+---------------+------------+----------+------------+-----------+-----------+
| test         | t1         |          0 | uidx12   |            1 | col1        |     NULL |               | NULL       |        1 | YES        | NO        |         1 |
| test         | t1         |          0 | uidx12   |            2 | col2        |     NULL |               | NULL       |        1 | YES        | NO        |         1 |
| test         | t1         |          0 | uidx3    |            1 | col3        |     NULL |               | NULL       |        2 | YES        | NO        |         0 |
| test         | t1         |          1 | idx1     |            1 | col1        |     NULL |               | NULL       |        3 | YES        | NO        |         1 |
+--------------+------------+------------+----------+--------------+-------------+----------+---------------+------------+----------+------------+-----------+-----------+
3 rows in set (0.00 sec)

在对普通表进行分区或者对分区表进行重新分区时，可以根据需要将索引更新为全局索引或本地索引。

例如，下面的 SQL 语句会基于 col1 列对表 t1 进行重新分区，并将该表中的全局索引 uidx12 和 idx1 更新为本地索引，将本地索引 uidx3 更新为全局索引。uidx3 是基于 col3 列的唯一索引，为了保证 col3 在所有分区中的唯一性，uidx3 必须为全局索引；uidx12 和 idx1 是基于 col1 列的索引，因此可以是全局索引或本地索引。

ALTER TABLE t1 PARTITION BY HASH (col1) PARTITIONS 3 UPDATE INDEXES (uidx12 LOCAL, uidx3 GLOBAL, idx1 LOCAL);

工作原理

本节介绍全局索引的工作机制，包括其设计理念与编码方式。

设计理念

在 TiDB 的分区表中，本地索引的键值前缀是分区表的 ID，而全局索引的前缀是表的 ID。这样的改进能够确保全局索引的数据在 TiKV 上连续分布，从而减少查询索引时的 RPC 请求数量。

CREATE TABLE `sbtest` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `k` int(11) NOT NULL DEFAULT '0',
  `c` char(120) NOT NULL DEFAULT '',
  KEY idx(k),
  KEY global_idx(k) GLOBAL
) partition by hash(id) partitions 5;

以上述表结构为例，idx 为本地索引（普通索引），global_idx 为全局索引。索引 idx 的数据会分布在 5 个不同的 Range 中，如 PartitionID1_i_xxx、PartitionID2_i_xxx 等，而索引 global_idx 的数据则会集中在一个 Range (TableID_i_xxx) 内。

当执行与 k 相关的查询时，如 SELECT * FROM sbtest WHERE k > 1，通过普通索引 idx 会构造 5 个不同的 Range，而通过全局索引 global_idx 则只会构造 1 个 Range。每个 Range 在 TiDB 中对应一个或多个 RPC 请求。因此，使用全局索引可以降低数倍的 RPC 请求数，从而提升查询索引的性能。

下图直观地展示了在使用 idx 和 global_idx 两个不同索引执行 SELECT * FROM sbtest WHERE k > 1 查询语句时，在 RPC 请求和数据流转过程中的差异：

Mechanism of Global Indexes

编码方式

在 TiDB 中，索引项被编码为键值对。对于分区表，每个分区在 TiKV 层被视为一个独立的物理表，拥有自己的 partitionID。因此，分区表的索引项编码如下：

唯一键
Key:
- PartitionID_indexID_ColumnValues

Value:
- IntHandle
 - TailLen_IntHandle

- CommonHandle
 - TailLen_IndexVersion_CommonHandle

非唯一键
Key:
- PartitionID_indexID_ColumnValues_Handle

Value:
- IntHandle
 - TailLen_Padding

- CommonHandle
 - TailLen_IndexVersion

在全局索引中，索引项的编码方式有所不同。为了使全局索引的键布局与当前索引键编码保持兼容，新的索引编码布局如下：

唯一键
Key:
- TableID_indexID_ColumnValues

Value:
- IntHandle
 - TailLen_PartitionID_IntHandle

- CommonHandle
 - TailLen_IndexVersion_CommonHandle_PartitionID

非唯一键
Key:
- TableID_indexID_ColumnValues_Handle

Value:
- IntHandle
 - TailLen_PartitionID

- CommonHandle
 - TailLen_IndexVersion_PartitionID

这种编码方式使得全局索引的键以 TableID 开头，而 PartitionID 被放置在 Value 中。这样设计的优点是与现有的索引键编码方式兼容。然而，这也带来了一些挑战，例如在执行 DROP PARTITION、TRUNCATE PARTITION 等 DDL 操作时，由于索引项不连续，需要进行额外处理。

性能测试数据

以下测试基于 sysbench 的 select_random_points 场景，主要用于对比不同分区策略与索引方式下的查询性能。

测试表的表结构如下：

CREATE TABLE `sbtest` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `k` int(11) NOT NULL DEFAULT '0',
  `c` char(120) NOT NULL DEFAULT '',
  `pad` char(60) NOT NULL DEFAULT '',
  PRIMARY KEY (`id`) /*T![clustered_index] CLUSTERED */,
  KEY `k_1` (`k`)
  /* Key `k_1` (`k`, `c`) GLOBAL */
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin
/* Partition by hash(`id`) partitions 100 */
/* Partition by range(`id`) xxxx */

负载 SQL 如下：

SELECT id, k, c, pad
FROM sbtest
WHERE k IN (xx, xx, xx)

Range Partition (100 partitions):

Table typeConcurrency 1Concurrency 32Concurrency 64Average RU
Clustered non-partitioned table22519,99930,2937.92
Clustered table range partitioned by PK68480511114.87
Clustered table range partitioned by PK, with Global Index on k, c20717,79827,70711.73

Hash Partition (100 partitions):

Table typeConcurrency 1Concurrency 32Concurrency 64Average RU
Clustered non-partitioned table16620,36128,9227.86
Clustered table hash partitioned by PK60244283119.73
Clustered table hash partitioned by PK, with Global Index on k, c15618,23315,58110.77

通过上述测试可以看出，在高并发环境下，全局索引能够显著提升分区表查询性能，提升幅度可达 50 倍。同时，全局索引还能够显著降低资源 (RU) 消耗。随着分区数量的增加，这种性能提升的效果将愈加明显。

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