数据库索引

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数据库索引的作用和优点缺点
漫谈数据库索引

B-Tree

常见的数据库系统,其索引使用的数据结构多是B-Tree或者是B+Tree。
简单说下B-Tree的特点:

  1. 每个节点至多有M个孩子
  2. 除根节点外,其他每个节点至少有M/2个孩子
  3. 根节点至少有两个孩子(除非该树仅包含一个节点)
  4. 所有叶节点在同一层,叶节点不包含任何关键字信息
  5. 有K个关键字的非叶节点恰好包含k+1个孩子
  6. 对于一个节点,其内部的关键字是从小到大排好序的

数据库索引

1)索引可以避免全表扫描
2)对于非聚集索引,有些查询甚至可以不访问数据页
3)聚集索引可以避免数据插入操作集中与最后一个数据页

1.索引的存储

一条索引记录中包含的基本信息包括:键值+逻辑指针
数据库索引_第1张图片
当你为一张空表创建索引时,数据库系统将为你分配一个索引页,该索引页在你插入数据前一直是空的。此页此时既是根结点,也是叶结点。每当你往表中插入一行数据,数据库系统即向此根结点中插入一行索引记录。当根结点满时,数据库系统大抵按以下步骤进行分裂:
A)创建两个儿子结点
B)将原根结点中的数据近似地拆成两半,分别写入新的两个儿子结点
C)根结点中加上指向两个儿子结点的指针
通常状况下,由于索引记录仅包含索引字段值(以及4-9字节的指针),索引实体比真实的数据行要小许多,索引页相较数据页来说要密集许多。一个索引页可以存储数量更多的索引记录,这意味着在索引中查找时在I/O上占很大的优势,理解这一点有助于从本质上了解使用索引的优势。

2.索引的类型

1)聚集索引:表数据按照索引的顺序来存储。对于聚集索引,叶子节点即存储了真实的数据行,不再有另外单独的数据页。所以可以避免每次都在表数据的最后一项插入。
2)非聚集索引:表数据与存储顺序与索引顺序无关。对于非聚集索引,叶节点包含索引字段值及指向数据页数据行的逻辑指针,该层邻数据页,其行数量与数据表行数据量一致。
在一张表上只能创建一个聚集索引,因为真实数据的物理顺序只可能是一种。如果一张表没有聚集索引,那么它被称为“堆集”(Heap)。这样的表中的数据行没有特定的顺序,所有的新行将被添加的表的末尾位置。

3.聚集索引

在聚集索引中,叶结点也即数据结点,所有数据行的存储顺序与索引的存储顺序一致。
数据库索引_第2张图片
1)聚集索引与查询操作
如上图,我们在名字字段上建立聚集索引,当需要在根据此字段查找特定的记录时,数据库系统会根据特定的系统表查找的此索引的根,然后根据指针查找下一个,直到找到。例如我们要查询“Green”,由于它介于[Bennet,Karsen],据此我们找到了索引页1007,在该页中“Green”介于[Greane, Hunter]间,据此我们找到叶结点1133(也即数据结点),并最终在此页中找以了目标数据行。
此次查询的IO包括3个索引页的查询(其中最后一次实际上是在数据页中查询)。这里的查找可能是从磁盘读取(Physical Read)或是从缓存中读取(Logical Read),如果此表访问频率较高,那么索引树中较高层的索引很可能在缓存中被找到。所以真正的IO可能小于上面的情况。
2)聚集索引与插入操作
最简单的情况下,插入操作根据索引找到对应的数据页,然后通过挪动已有的记录为新数据腾出空间,最后插入数据。
如果数据页已满,则需要拆分数据页(页拆分是一种耗费资源的操作,一般数据库系统中会有相应的机制要尽量减少页拆分的次数,通常是通过为每页预留空间来实现):
A)在该使用的数据段(extent)上分配新的数据页,如果数据段已满,则需要分配新段。
B)调整索引指针,这需要将相应的索引页读入内存并加锁。
C)大约有一半的数据行被归入新的数据页中。
D)如果表还有非聚集索引,则需要更新这些索引指向新的数据页。
3)聚集索引与删除操作
删除行将导致其下方的数据行向上移动以填充删除记录造成的空白。
如果删除的行是该数据页中的最后一行,那么该数据页将被回收,相应的索引页中的记录将被删除。如果回收的数据页位于跟该表的其它数据页相同的段上,那么它可能在随后的时间内被利用。如果该数据页是该段的唯一一个数据页,则该段也被回收。
对于数据的删除操作,可能导致索引页中仅有一条记录,这时,该记录可能会被移至邻近的索引页中,原索引页将被回收,即所谓的“索引合并”。

4.非聚集索引
非聚集索引与聚集索引相比:
A)叶子结点并非数据结点
B)叶子结点为每一真正的数据行存储一个“键-指针”对
C)叶子结点中还存储了一个指针偏移量,根据页指针及指针偏移量可以定位到具体的数据行。
D)类似的,在除叶结点外的其它索引结点,存储的也是类似的内容,只不过它是指向下一级的索引页的。
聚集索引是一种稀疏索引,数据页上一级的索引页存储的是页指针,而不是行指针。而对于非聚集索引,则是密集索引,在数据页的上一级索引页它为每一个数据行存储一条索引记录。
数据库索引_第3张图片
1)非聚集索引与查询操作
针对上图,如果我们同样查找“Green”,那么一次查询操作将包含以下IO:3个索引页的读取+1个数据页的读取。同样,由于缓存的关系,真实的IO实际可能要小于上面列出的。
2)非聚集索引与插入操作
如果一张表包含一个非聚集索引但没有聚集索引,则新的数据将被插入到最末一个数据页中,然后非聚集索引将被更新。如果也包含聚集索引,该聚集索引将被用于查找新行将要处于什么位置,随后,聚集索引、以及非聚集索引将被更新。
3)非聚集索引与删除操作
如果在删除命令的Where子句中包含的列上,建有非聚集索引,那么该非聚集索引将被用于查找数据行的位置,数据删除之后,位于索引叶子上的对应记录也将被删除。如果该表上有其它非聚集索引,则它们叶子结点上的相应数据也要删除。
如果删除的数据是该数所页中的唯一一条,则该页也被回收,同时需要更新各个索引树上的指针。
由于没有自动的合并功能,如果应用程序中有频繁的随机删除操作,最后可能导致表包含多个数据页,但每个页中只有少量数据。

5.索引的两个特征
1)唯一性索引:
保证在索引列中的全部数据是唯一的,不会包含冗余数据
2)复合索引
就是一个索引创建在两个列或多个列上。在搜索时,当两个或多个列作为一个关键字时,最好在这些列上创建复合索引。

6.索引的优点

  • 第一,通过创建唯一性索引,可以保证数据库表中每一行数据的唯一性。
  • 第二,可以大大加快 数据的检索速度,这也是创建索引的最主要的原因。
  • 第三,可以加速表和表之间的连接,特别是在实现数据的参考完整性方面特别有意义。
  • 第四,在使用分组和排序 子句进行数据检索时,同样可以显著减少查询中分组和排序的时间。
  • 第五,通过使用索引,可以在查询的过程中,使用优化隐藏器,提高系统的性能。

7.索引的缺点

  • 第一,创建索引和维护索引要耗费时间,这种时间随着数据 量的增加而增加。
  • 第二,索引需要占物理空间,除了数据表占数据空间之外,每一个索引还要占一定的物理空间,如果要建立聚簇索引,那么需要的空间就会更大。
  • 第三,当对表中的数据进行增加、删除和修改的时候,索引也要动态的维护,这样就降低了数据的维护速度。

8.需要在那些列上建立索引

  • 在作为主键的列上,强制该列的唯一性和组织表中数据的排列结构;
  • 在经常用在连接的列上,这 些列主要是一些外键,可以加快连接的速度;
  • 在经常需要根据范围进行搜索的列上创建索引,因为索引已经排序,其指定的范围是连续的;
  • 在经常需要排序的列上创 建索引,因为索引已经排序,这样查询可以利用索引的排序, 加快排序查询时间
  • 在经常使用在WHERE子句中的列上面创建索引,加快条件的判断速度。

9.不需要在哪些列上建立索引

  • 第一,对于那些在查询中很少使用或者参考的列不应该创建索引。这是因
    为,既然这些列很少使用到,因此有索引或者无索引,并不能提高查询速度。相反,由于增加了索引,反而降低了系统的维护速度和增大了空间需求。
  • 第二,对于那
    些只有很少数据值的列也不应该增加索引。这是因为,由于这些列的取值很少,例如人事表的性别列,在查询的结果中,结果集的数据行占了表中数据行的很大比
    例,即需要在表中搜索的数据行的比例很大。增加索引,并不能明显加快检索速度。
  • 第三,对于那些定义为text, image和bit数据类型的列不应该增加索引。这是因为,这些列的数据量要么相当大,要么取值很少。
  • 第四,当修改性能远远大于检索性能时,不应该创建索
    引。这是因为,修改性能和检索性能是互相矛盾的。当增加索引时,会提高检索性能,但是会降低修改性能。当减少索引时,会提高修改性能,降低检索性能。因
    此,当修改性能远远大于检索性能时,不应该创建索引。

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