数据库索引

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数据库

正文

一、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：
1）每个结点至多有M个孩子；
2）除根结点和叶结点外，其它每个结点至少有M/2个孩子；
3）根结点至少有两个孩子（除非该树仅包含一个结点）；
4）所有叶结点在同一层，叶结点不包含任何关键字信息；
5）有K个关键字的非叶结点恰好包含K+1个孩子；

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。

二、索引的存储

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）。

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。

三、索引的类型

（1）聚集索引，表数据按照索引的顺序来存储的。对于聚集索引，叶子结点即存储了真实的数据行，不再有另外单独的数据页。

（2）非聚集索引，表数据存储顺序与索引顺序无关。对于非聚集索引，叶结点包含索引字段值及指向数据页数据行的逻辑指针。

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。

四、聚集索引

（1）查询

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）插入

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。

特殊情况：
A）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。
B）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。（便于压缩存储）
C）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。

（3）删除

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”。

五、非聚集索引

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。

（1）查询

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）插入

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）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。

六、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。

七、Mysql中的索引

1、mysql索引类型

（1）从索引存储结构划分： B Tree索引、Hash索引、FullText全文索引、R Tree索引

（2）从应用层次划分：普通索引、唯一索引、主键索引、复合索引

（3）从索引键值类型划分：主键索引、辅助索引（二级索引）

（4）从数据存储和索引键值逻辑关系划分：聚集索引、非聚集索引

2、普通索引

这是最基本的索引类型，基于普通字段建立的索引，没有任何限制。

CREATE INDEX <索引的名字> ON tablename (字段名);
ALTER TABLE tablename ADD INDEX [索引的名字] (字段名);
CREATE TABLE tablename ( [...], INDEX [索引的名字] (字段名) );

3、唯一索引

与“普通索引”类似，不同的是：索引字段的值必须唯一，但允许有空值。在创建或修改表时追加唯一约束，就会自动创建对应的唯一索引。

CREATE UNIQUE INDEX <索引的名字> ON tablename (字段名);
ALTER TABLE tablename ADD UNIQUE INDEX [索引的名字] (字段名);
CREATE TABLE tablename ( [...], UNIQUE [索引的名字] (字段名) ;

4、主键索引

它是一种特殊的唯一索引，不允许有空值。在创建或修改表时追加主键约束即可，每个表只能有一个主键。

CREATE TABLE tablename ( [...], PRIMARY KEY (字段名) );
ALTER TABLE tablename ADD PRIMARY KEY (字段名);

5、复合索引

复合索引可以代替多个单一索引，相比多个单一索引所需的开销更小。索引同时有两个概念叫做窄索引和宽索引，窄索引是指索引为1-2列的索引，宽索引也就是索引列超过2列的索引，设计索引的一个重要原则是能用窄索引不用宽索引，因为窄索引的往往比组合索引更有效。

CREATE INDEX <索引的名字> ON tablename (字段名1，字段名2...);
ALTER TABLE tablename ADD INDEX [索引的名字] (字段名1，字段名2...);
CREATE TABLE tablename ( [...], INDEX [索引的名字] (字段名1，字段名2...) );

（1）过多的使用索引，会对更新操作效率有很大影响。

6、全文索引

这个和json数据类型有没有什么关系，需要以后研究。

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