数据库索引详解

来源:互联网 发布:追风打印软件 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 00:25

1 为什么需要索引

首先看一下为什么需要索引,因为有索引快啊!相当于在偌大的仓库里找东西的时候有本本子告诉你东西藏哪里了,开销也就是写多一本而已。
关于使用索引的好处可以看这篇博文,说的挺明白的,作者没说可以转载,所以我就直接发链接了。

博文: 为什么数据库索引查询会快

2 怎么索引

强大的B树,不仅用于数据库索引,文件系统索引也常用。


————————————有一篇博文写的不错——————————
[By GavinHacker]

转载请标明出处:http://www.cnblogs.com/gavinsp/p/5513536.html

关于数据库索引,相信大家用到最多的一定是数据库设计和数据库查询,本篇深度解析一下数据库索引的原理,涉及数据库本身的设计原理,对设计应用的数据库结构,和数据库查询也大有益处。

(一)在了解数据库索引之前,首先了解一下数据库索引的数据结构基础,B+tree

B+tree 是一个n叉树,每个节点有多个叶子节点,一颗B+树包含根节点,内部节点,叶子节点。根节点可能是一个叶子节点,也可能是一个包含两个或两个以上叶子节点的节点。

B+tree的性质:

  1. n棵子tree的节点包含n个关键字,不用来保存数据而是保存数据的索引。
  2. 所有的叶子结点中包含了全部关键字的信息,及指向含这些关键字记录的指针,且叶子结点本身依关键字的大小自小而大顺序链接。
  3. 所有的非终端结点可以看成是索引部分,结点中仅含其子树中的最大(或最小)关键字。

B+tree结构原型图大概如下(引用):
这里写图片描述

这里还有一篇百度文库文章可以参考:B+树

由于B+tree的性质, 它通常被用于数据库和操作系统的文件系统中。NTFS, ReiserFS, NSS, XFS, JFS, ReFS 和BFS等文件系统都在使用B+树作为元数据索引,因为B+ 树的特点是能够保持数据稳定有序,其插入与修改拥有较稳定的对数时间复杂度(B+ 树元素自底向上插入)。

(二)数据库索引

数据库索引是用于提高数据库表的数据访问速度的。

数据库索引的特点:

  • a)避免进行数据库全表的扫描,大多数情况,只需要扫描较少的索引页和数据页,而不是查询所有数据页。而且对于非聚集索引,有时不需要访问数据页即可得到数据。
  • b)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面。
  • c)在某些情况下,索引可以避免排序操作。

数据库索引的存储方式,类型,在运行时的操作原理,我制作成了下图:
这里写图片描述

————————————以上是转载的内容——————————


3 B+树的插入和删除

为表设置索引要付出代价的:一是增加了数据库的存储空间,二是在插入和修改数据时要花费较多的时间(因为索引也要随之变动)

有一篇文库图解插入和删除,看完基本懂了

图解B+树的插入和删除

4 局部性原理与磁盘预读

由于存储介质的特性,磁盘本身存取就比主存慢很多,再加上机械运动耗费,磁盘的存取速度往往是主存的几百分分之一,因此为了提高效率,要尽量减少磁盘I/O。

为了达到这个目的,磁盘往往不是严格按需读取,而是每次都会预读,即使只需要一个字节,磁盘也会从这个位置开始,顺序向后读取一定长度的数据放入内存。这样做的理论依据是计算机科学中著名的局部性原理:当一个数据被用到时,其附近的数据也通常会马上被使用。程序运行期间所需要的数据通常比较集中。

由于磁盘顺序读取的效率很高(不需要寻道时间,只需很少的旋转时间),因此对于具有局部性的程序来说,预读可以提高I/O效率。

预读的长度一般为页(page)的整倍数。页是计算机管理存储器的逻辑块,硬件及操作系统往往将主存和磁盘存储区分割为连续的大小相等的块,每个存储块称为一页(在许多操作系统中,页得大小通常为4k),主存和磁盘以页为单位交换数据。当程序要读取的数据不在主存中时,会触发一个缺页异常,此时系统会向磁盘发出读盘信号,磁盘会找到数据的起始位置并向后连续读取一页或几页载入内存中,然后异常返回,程序继续运行。

5 B-/+Tree索引的性能分析

到这里终于可以分析B-/+Tree索引的性能了。

上文说过一般使用磁盘I/O次数评价索引结构的优劣。先从B-Tree分析,根据B-Tree的定义,可知检索一次最多需要访问h个节点。数据库系统的设计者巧妙利用了磁盘预读原理,将一个节点的大小设为等于一个页,这样每个节点只需要一次I/O就可以完全载入。为了达到这个目的,在实际实现B-Tree还需要使用如下技巧:

  • 每次新建节点时,直接申请一个页的空间,这样就保证一个节点物理上也存储在一个页里,加之计算机存储分配都是按页对齐的,就实现了一个node只需一次I/O。

B-Tree中一次检索最多需要h-1次I/O(根节点常驻内存),渐进复杂度为O(h)=O(logdN)。一般实际应用中,出度d是非常大的数字,通常超过100,因此h非常小(通常不超过3)。

红黑树这种结构,h明显要深的多。由于逻辑上很近的节点(父子)物理上可能很远,无法利用局部性,所以红黑树的I/O渐进复杂度也为O(h)效率明显比B-Tree差很多

综上所述,用B-Tree作为索引结构效率是非常高的。

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