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理解数据库索引

一、引言

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。[最近首页之争沸沸扬扬,也不知道这个放在这合适么,苦劳?功劳?……]

 

二、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:

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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。

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三、数据库索引

1.什么是索引

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。
A)索引可以避免全表扫描。多数查询可以仅扫描少量索引页及数据页,而不是遍历所有数据页。
B)对于非聚集索引,有些查询甚至可以不访问数据页。
C)聚集索引可以避免数据插入操作集中于表的最后一个数据页。
D)一些情况下,索引还可用于避免排序操作。

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。

 

2.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)。

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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。

 

3.索引的类型

A)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。
B)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

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