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とのことですが、FORCE INDEX 構文なら効くかもしれません（これも確実ではありませんが）。
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[https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/index-hints.html](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/index-hints.html)
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> USE INDEX (index_list) と同様の機能を持つが、テーブルスキャンが非常に負荷が大きいと見なされる点が追加された FORCE INDEX を使用することもできます。つまり、テーブルスキャンは、指定されたインデックスのいずれかを使用してテーブル内の行を検索する方法がない場合にのみ使用されます。
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> USE INDEX (index_list) と同様の機能を持つが、テーブルスキャンが非常に負荷が大きいと見なされる点が追加された FORCE INDEX を使用することもできます。つまり、テーブルスキャンは、指定されたインデックスのいずれかを使用してテーブル内の行を検索する方法がない場合にのみ使用されます。
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# 追記
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> ANALYZE TABLEやOPTIMIZE TABLEは１億レコードの場合、処理が終わらないため、
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実行しておりません。
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その代り、定期的（２月に１回程度）に、別テーブルへのデータ移行＆プログラム修正（参照先修正）を２日かけて行っています。
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となると、相当な程度、統計情報が狂っている可能性があります。
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> 更新頻度は毎秒１００件くらいのDELETE / INSERTを２４時間実施。
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ということは 2ヶ月で約5億レコードの DELETE / INSERT が発生するため、
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データ移行をする頃には、前回のデータ移行時からレコードが丸ごと入れ替わっていてもおかしくないからです。
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> check table tb_test_data fast quick;
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にて、テーブルの状態を確認していますが、
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statusは「Table is already up to date」の状態で、問題ない認識です。
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とのことですが、
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「（統計情報が）問題ない認識」
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という意味なら、これは誤りです。
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FAST オプションを指定すると、統計情報の更新は行なわないためです。
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[https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/check-table.html](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/check-table.html)
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> FAST 正しく閉じられていないテーブルのみを検査します。
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可能であれば、ストレージエンジンを InnoDB に変更することも検討してみてください。
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InnoDB であれば統計情報は自動的に更新されます（※1）し、
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```sql
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ALTER TABLE tb_test_data ENGINE InnoDB;
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という SQL で OPTIMIZE TABLE と同じことを、テーブルロック無しに実現できる（※2）からです。
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※1 [http://nippondanji.blogspot.jp/2010/09/innodb.html](http://nippondanji.blogspot.jp/2010/09/innodb.html)
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> InnoDBの場合、ANALYZE TABLEは不要である。なぜなら、InnoDBが自発的に統計情報を更新するからだ。
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※2 同上
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> InnoDBにはOPTIMIZE TABLEに相当する機能は実装されておらず、代わりにALTER TABLEが実行される。
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※2 [https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/innodb-create-index-overview.html](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/ja/innodb-create-index-overview.html)
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> 並列 DML ではあるが、テーブルコピーが引き続き必要
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（中略）
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「null」 ALTER TABLE ... ENGINE=INNODB ステートメントを使用したテーブルの再構築
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