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数据库索引 index 介绍

2010-05-04

对数据库索引的关注从未淡出我的们的讨论,那么数据库索引是什么样的?聚集索引与非聚集索引有什么不同?希望本文对各位同仁有一定的帮助。有不少存疑的地方,诚心希望各位不吝赐教指正,共同进步。

B-Tree

我们常见的数据库系统,其索引使用的数据结构多是B-Tree或者B+Tree。例如,MsSql使用的是B+Tree,Oracle及Sysbase使用的是B-Tree。所以在最开始,简单地介绍一下B-Tree。

B-Tree不同于Binary Tree(二叉树,最多有两个子树),一棵M阶的B-Tree满足以下条件:

另外,对于一个结点,其内部的关键字是从小到大排序的。以下是B-Tree(M=4)的样例:

对于每个结点,主要包含一个关键字数组Key[],一个指针数组(指向儿子)Son[]。在B-Tree内,查找的流程是:使用顺序查找(数组长度较短时)或折半查找方法查找Key[]数组,若找到关键字K,则返回该结点的地址及K在Key[]中的位置;否则,可确定K在某个Key[i]和Key[i+1]之间,则从Son[i]所指的子结点继续查找,直到在某结点中查找成功;或直至找到叶结点且叶结点中的查找仍不成功时,查找过程失败。

接着,我们使用以下图片演示如何生成B-Tree(M=4,依次插入1~6):

从图可见,当我们插入关键字4时,由于原结点已经满了,故进行分裂,基本按一半的原则进行分裂,然后取出中间的关键字2,升级(这里是成为根结点)。其它的依类推,就是这样一个大概的过程。

数据库索引

在数据库中,索引的含义与日常意义上的“索引”一词并无多大区别(想想小时候查字典),它是用于提高数据库表数据访问速度的数据库对象。

当然,众所周知,虽然索引可以提高查询速度,但是它们也会导致数据库系统更新数据的性能下降,因为大部分数据更新需要同时更新索引。

一条索引记录中包含的基本信息包括:键值(即你定义索引时指定的所有字段的值)+逻辑指针(指向数据页或者另一索引页)。

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:

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。

索引的类型分为以下两个:

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。

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。

  1. 聚集索引与查询操作
  2. 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。

  3. 聚集索引与插入操作
  4. 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):

    • 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。
    • 调整索引指针,这需要将相应的索引页读入内存并加锁。
    • 大约有一半的数据行被归入新的数据页中。
    • 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。

    特殊情况:

    • 如果新插入的一条记录包含很大的数据,可能会分配两个新数据页,其中之一用来存储新记录,另一存储从原页中拆分出来的数据。
    • 通常数据库系统中会将重复的数据记录存储于相同的页中。
    • 类似于自增列为聚集索引的,数据库系统可能并不拆分数据页,页只是简单的新添数据页。
  5. 聚集索引与删除操作
  6. 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”。

非聚集索引

非聚集索引与聚集索引相比:

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。

对于根与中间级的索引记录,它的结构包括:

对于叶子层的索引对象,它的结构包括:

  1. 非聚集索引与查询操作
  2. 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。

  3. 非聚集索引与插入操作
  4. 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。

  5. 非聚集索引与删除操作
  6. 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。

索引覆盖

索引覆盖是这样一种索引策略:当某一查询中包含的所需字段皆包含于一个索引中,此时索引将大大提高查询性能。

包含多个字段的索引,称为复合索引。索引最多可以包含31个字段,索引记录最大长度为600B。如果你在若干个字段上创建了一个复合的非聚集索引,且你的查询中所需Select字段及Where,Order By,Group By,Having子句中所涉及的字段都包含在索引中,则只搜索索引页即可满足查询,而不需要访问数据页。由于非聚集索引的叶结点包含所有数据行中的索引列值,使用这些结点即可返回真正的数据,这种情况称之为“索引覆盖”。

在索引覆盖的情况下,包含两种索引扫描:

  1. 匹配索引扫描
  2. 此类索引扫描可以让我们省去访问数据页的步骤,当查询仅返回一行数据时,性能提高是有限的,但在范围查询的情况下,性能提高将随结果集数量的增长而增长。

    针对此类扫描,索引必须包含查询中涉及的的所有字段,另外,还需要满足:Where子句中包含索引中的“引导列”(Leading Column),例如一个复合索引包含A,B,C,D四列,则A为“引导列”。如果Where子句中所包含列是BCD或者BD等情况,则只能使用非匹配索引扫描。

  3. 非配置索引扫描
  4. 正如上述,如果Where子句中不包含索引的导引列,那么将使用非配置索引扫描。这最终导致扫描索引树上的所有叶子结点,当然,它的性能通常仍强于扫描所有的数据页。

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