MySQL 窗口函数：功能、使用场景与性能优化
MySQL 8.0 引入了一个强大的新特性——**窗口函数（Window Functions）**。它为数据分析和复杂查询提供了极大的便利，但同时也可能带来性能问题。本文将带你快速了解窗口函数的功能、使用场景以及如何优化性能。
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## **什么是窗口函数？**
窗口函数是一种特殊的 SQL 函数，用于在查询结果集上执行复杂的分析操作。与传统的聚合函数（如 `SUM()`、`AVG()`）不同，窗口函数不会合并行，而是保留每一行的数据，同时允许对一组相关行进行计算。
### **基本语法**
```sql
function_name(expression) OVER (
[PARTITION BY partition_expression]
[ORDER BY sort_expression]
[ROWS|RANGE BETWEEN start AND end]
)
```
- **`function_name`**：窗口函数名称，例如 `ROW_NUMBER()`、`RANK()`、`SUM()`。
- **`OVER()`**：定义窗口范围的关键字。
- **`PARTITION BY`**：分组，类似于 `GROUP BY`，但不会合并行。
- **`ORDER BY`**：指定窗口内的排序规则。
- **`ROWS/RANGE BETWEEN`**：定义窗口的边界范围。
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## **窗口函数的主要功能**
### **1. 排名类函数**
用于计算行的排名或顺序：
- **`ROW_NUMBER()`**：为每一行分配一个唯一的序号。
- **`RANK()`**：根据排序规则分配排名，相同值的行排名相同，后续排名会跳过。
- **`DENSE_RANK()`**：与 `RANK()` 类似，但不会跳过后续排名。
**示例：生成学生分数排名**
```sql
SELECT
id,
score,
RANK() OVER (ORDER BY score DESC) AS rank_num
FROM students;
```
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### **2. 聚合类函数**
用于在窗口范围内进行聚合计算：
- **`SUM()`**：累计求和。
- **`AVG()`**：移动平均。
- **`MIN()` 和 `MAX()`**：最小值和最大值。
**示例：计算累计销售额**
```sql
SELECT
id,
sale_amount,
SUM(sale_amount) OVER (ORDER BY id) AS cumulative_sum
FROM sales;
```
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### **3. 偏移类函数**
用于访问当前行之前或之后的行：
- **`LAG(column)`**：获取当前行之前的值。
- **`LEAD(column)`**：获取当前行之后的值。
**示例：比较当前行与前一行的分数**
```sql
SELECT
id,
score,
LAG(score) OVER (ORDER BY id) AS prev_score
FROM students;
```
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## **窗口函数的使用场景**
1. **排行榜**：按分数或其他指标生成排名。
2. **累计计算**：如累计销售额、累计用户数。
3. **移动平均**：如时间序列数据分析。
4. **前后行比较**：如环比增长率、同比分析。
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## **窗口函数的性能问题**
尽管窗口函数功能强大，但在处理大数据集时可能会遇到性能瓶颈。以下是常见问题及优化方法：
### **1. 全表扫描**
窗口函数通常需要对整个结果集进行排序或分组操作，可能导致全表扫描。
**优化方法**：为排序字段创建索引，减少扫描开销。
```sql
CREATE INDEX idx_score ON students(score);
```
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### **2. 排序开销**
窗口函数的核心操作之一是排序，复杂度为 **O(n log n)**。
**优化方法**：
- 使用索引优化排序。
- 缩小初始数据集，提前过滤掉不需要的行。
```sql
WITH FilteredData AS (
SELECT * FROM students WHERE score > 80
)
SELECT
id,
score,
RANK() OVER (ORDER BY score DESC) AS rank_num
FROM FilteredData;
```
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### **3. 分区计算**
`PARTITION BY` 会增加计算复杂度，只有在必要时才使用。
**优化方法**：避免不必要的分区。
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### **4. 窗口范围定义**
`ROWS BETWEEN` 性能优于 `RANGE BETWEEN`，尽量选择前者。
```sql
-- 高效
SUM(score) OVER (ORDER BY id ROWS BETWEEN UNBOUNDED PRECEDING AND CURRENT ROW)
-- 较低效
SUM(score) OVER (ORDER BY id RANGE BETWEEN UNBOUNDED PRECEDING AND CURRENT ROW)
```
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### **5. 分页优化**
窗口函数与分页结合时，可以通过嵌套查询或临时表优化性能。
```sql
WITH RankedData AS (
SELECT
id,
score,
RANK() OVER (ORDER BY score DESC) AS rank_num
FROM students
)
SELECT *
FROM RankedData
WHERE rank_num BETWEEN 21 AND 30; -- 分页：第 21 到第 30 名
```
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## **总结**
MySQL 窗口函数是一项强大的工具，能够帮助开发者轻松实现复杂的分析操作，如排名、累计计算和前后行比较等。然而，在处理大数据集时需要注意性能问题。通过以下优化策略，可以显著提升查询效率：
1. 使用索引优化排序。
2. 缩小初始数据集。
3. 避免不必要的分区。
4. 选择合适的窗口范围。
5. 优化分页逻辑。
希望本文能帮助你更好地理解和使用 MySQL 窗口函数！如果你正在处理需要复杂计算的查询，不妨尝试一下窗口函数，它会让你的 SQL 查询更加高效和优雅！