深入理解索引（二）

1.引言

在数据库和数据结构中，索引（Index）是一种用于提高数据检索速度的重要机制。本文将详细深入介绍索引。

2. 为什么要使用索引

大家在使用索引之前一定要搞清楚使用索引的目的，因为索引的不当使用可能不但起不到正向作用，反而会带来灾难性后果。一般来说使用索引的目的有以下几种：

1. 加速数据检索
   索引可以显著减少查询所需的时间，尤其是在处理大量数据时。例如，在关系数据库中，索引可以加快 SELECT 查询的执行速度。
2. 提高查询效率
   对于复杂的查询（如包含 JOIN、WHERE、ORDER BY、GROUP BY 等子句的查询），索引可以极大地提高查询效率。
3. 唯一性约束
   某些类型的索引（如主键索引和唯一索引）可以确保数据的唯一性，防止重复数据的插入。
4. 强制数据完整性
   通过索引，数据库可以更容易地实施数据完整性约束（如外键约束），确保数据之间的关联关系正确无误。
5. 加快排序操作
   如果索引包含排序信息（如 B-树索引），那么 ORDER BY 查询可以更快地执行，因为数据已经按索引顺序排列。
6. 支持快速查找特定值
   索引允许数据库系统快速定位特定值，而不需要扫描整个数据集。
7. 优化连接操作
   在关系数据库中，索引可以优化表之间的连接操作（如 JOIN），尤其是当连接条件被索引覆盖时。
8. 提高数据更新性能（在某些情况下）
   虽然索引会增加插入、更新和删除操作的开销，但在某些情况下（如批量更新），索引可以加快这些操作的速度，因为数据库系统可以利用索引来快速定位需要更新的记录。

3. 选择适合的索引类型

3.1 考虑查询类型

3.1.1 等值查询

1. B - 树索引：如果经常进行等值查询（如查询工资等于某一具体数值的员工记录），B - 树索引是一个很好的选择。它可以通过从根节点到叶子节点的快速定位来找到对应的记录。例如，在一个员工信息表中，经常根据员工编号查找员工详细信息，对员工编号列建立 B - 树索引能高效地满足查询需求。
2. 哈希索引：对于等值查询，哈希索引的性能也非常出色。在内存数据库或者对查询速度要求极高的场景下，如果主要是精确匹配查询，哈希索引可以在近乎常数时间内返回结果。比如，在一个高速缓存系统中，通过缓存键的精确匹配查询来获取缓存值，哈希索引能提供快速的查找。

3.1.2 范围查询

1. B - 树索引：B - 树索引非常适合范围查询（如查询年龄在某个区间内的用户）。由于其索引键值是有序排列的，数据库可以沿着索引叶子节点顺序读取数据，减少磁盘 I/O 的随机访问。例如，在销售数据表中，查询销售额在一定区间内的订单记录，对销售额列建立 B - 树索引能有效提高查询效率。
2. 位图索引（在一定条件下）：对于低基数（不同取值较少）列的范围查询，位图索引可以通过位运算来合并查询条件，也能有较好的表现。例如，在一个用户状态（活跃 / 不活跃）列上的范围查询，利用位图索引可以快速定位符合条件的用户记录。

3.1.3 全文查询

1. 全文索引：当需要对文本内容进行查询，如查找包含特定关键词的文档或者模糊查询时，全文索引是必不可少的。它可以对文本中的词汇单元进行分析和索引，支持多种文本搜索方式。例如，在一个内容管理系统中，用户搜索文章内容中的特定词汇，全文索引能够提供高效的搜索功能。

3.2 考虑数据列的特点

3.2.1 低基数列

1. 位图索引：如果列的取值范围较小且重复值较多（如性别、状态等列），位图索引是一个不错的选择。它通过位图表示数据分布，在查询这类列时可以快速定位记录。例如，在一个电商用户表中，对于用户会员等级（只有普通、银卡、金卡等几种级别）列，位图索引能够高效地查询不同等级的用户。
2. 不建议 B - 树索引（特殊情况除外）：对于低基数列，B - 树索引可能不是最优的，因为索引的维护成本相对较高，且在查询时可能不会带来显著的性能提升，除非该列经常用于范围查询且与其他条件组合查询。

3.2.2 高基数列

1. B - 树索引：当列的取值非常多（如身份证号码、产品序列号等），B - 树索引通常更合适。例如，在一个产品库存表中，产品序列号是唯一标识产品的高基数列，对该列建立 B - 树索引可以方便地通过产品序列号查询产品的库存信息。
2. 哈希索引（有条件使用）：在等值查询为主且对范围查询没有要求的情况下，对于高基数列也可以考虑哈希索引。但要注意哈希冲突问题以及哈希索引不支持范围查询等限制。

3.2.3 包含函数操作的列

1. 函数索引：如果查询经常涉及对列的函数操作（如对日期列查询某一年的记录，需要提取年份函数），则应该建立函数索引。这样在查询时可以直接利用索引，而不需要每次都对列进行函数计算。例如，在一个财务报表表中，对日期列建立提取季度的函数索引，方便查询每个季度的财务数据。

3.3 考虑数据更新频率

3.3.1 更新频繁的数据列

1. 谨慎使用索引：对于数据更新频繁的列，要谨慎使用索引。因为每次数据更新都可能导致索引的更新，增加系统的负担。例如，在一个实时交易记录表中，交易金额列可能频繁更新，如果对该列建立过多索引，会导致插入、更新和删除操作的性能下降。
2. 哈希索引（特殊情况）：哈希索引在更新操作方面有一定的特殊性。虽然它在等值查询上高效，但在数据更新时也需要重新计算哈希值并调整哈希桶。如果更新操作涉及哈希冲突的调整，可能会比较复杂，不过在某些场景下（如内存数据库的快速更新和查找平衡），仍然可以考虑使用。

3.3.2 相对稳定的数据列

1. 可以积极使用索引：对于相对稳定的数据列，如系统配置参数表、数据字典表等，应该积极考虑使用索引来提高查询性能。例如，在一个软件系统的配置参数表中，参数名称列建立 B - 树索引后，在系统读取配置参数时可以快速定位，而不用担心频繁更新导致的索引维护问题。

3.4 考虑数据库的存储和性能要求

3.4.1 存储资源有限的情况

1. 位图索引优势：如果存储资源有限，对于低基数列，位图索引可以在节省存储空间的同时提供较好的查询性能。因为它不需要像 B - 树索引那样存储每个索引键值和对应的行标识符，而是通过位图来表示数据分布。

3.4.2 性能要求极高的情况

1. 哈希索引或 B - 树索引（根据查询类型）：在对性能要求极高的场景下，如高并发的实时查询系统，需要根据主要的查询类型来选择。如果是等值查询为主，哈希索引可能更合适；如果涉及范围查询等多种查询类型，B - 树索引可能是更好的选择。同时，要考虑数据库的缓存机制和硬件性能（如内存大小、磁盘 I/O 速度等）对索引性能的影响。

4. 选择索引类型时，如何权衡空间和时间的开销

4.1 B - 树索引

4.1.1 时间开销

1. 查询性能优势：B - 树索引在范围查询和等值查询方面都有较好的时间性能。对于范围查询，由于其键值是有序存储的，在查询一个区间内的值时，数据库可以沿着索引的叶子节点顺序读取数据，减少磁盘 I/O 的随机访问次数，从而提高查询效率。例如，在一个销售记录表中查询销售额在一定区间内的订单，B - 树索引能够快速定位到起始位置，然后顺序读取符合条件的记录。在等值查询时，也能通过从根节点到叶子节点的快速路径定位到目标记录。
2. 更新性能影响：但 B - 树索引在数据更新操作（插入、删除和更新索引列）时，会产生一定的时间开销。当插入新数据时，可能会导致索引节点的分裂或合并操作，以保持树的平衡性。删除数据时也可能引起节点的调整。这些操作需要额外的时间来重新组织索引结构。例如，在一个高并发的在线交易系统中，如果频繁插入新订单记录，B - 树索引的维护可能会导致一定的性能延迟。

4.1.2 空间开销

B - 树索引需要存储索引键值、对应的行标识符（ROWID）以及用于维护树结构的节点信息。随着表中数据量的增加和索引列的增多，索引的大小会逐渐增大。例如，对于一个包含大量列的员工信息表，对多个列建立 B - 树索引，可能会占用相当可观的磁盘空间。

4.2 位图索引

4.2.1 时间开销

1. 查询性能优势（低基数列）：对于低基数（不同取值较少）列的查询，位图索引在时间性能上表现出色。通过位运算可以快速合并查询条件，定位到符合条件的记录。例如，在一个用户状态（活跃 / 不活跃）列上进行查询，位图索引可以快速扫描位图来确定状态为活跃的用户记录。然而，在高并发的更新环境下，位图索引的更新操作会比较复杂，因为插入或删除数据可能需要更新多个位图，这可能会导致锁竞争等问题，增加时间开销。

4.2.2 空间开销

位图索引对于低基数列可以节省空间。它不需要像 B - 树索引那样为每个键值存储 ROWID 等信息，而是通过位图来表示数据分布。但如果列的基数较高，位图索引的空间开销可能会急剧增加，因为每个不同的取值都需要一个单独的位图来表示。例如，对于一个取值范围很广的产品序列号列，使用位图索引可能会占用大量的空间。

4.3 哈希索引

4.3.1 时间开销

1. 查询性能优势（等值查询）：哈希索引在等值查询时时间性能极佳，几乎可以在常数时间内返回结果。例如，在一个内存数据库的键 - 值存储系统中，通过键的精确匹配查询，哈希索引可以快速定位到对应的存储位置。但哈希索引不支持范围查询，在这种情况下，可能需要进行全表扫描，这会带来巨大的时间开销。另外，哈希索引在处理哈希冲突时也会产生时间开销，尤其是当冲突严重时，在哈希桶内的查找时间会增加。

4.3.2 空间开销

哈希索引的空间开销主要取决于哈希桶的大小和数据量。为了减少哈希冲突，可能需要较大的哈希桶，但这会增加空间占用。同时，哈希索引也需要存储键 - 行映射关系，随着数据量的增加，空间开销也会相应增加。

4.4 函数索引

4.4.1 时间开销

1. 查询性能优势（函数操作相关查询）：函数索引在查询经常涉及对列的函数操作时，可以显著提高时间性能。例如，在一个日期列上建立提取月份的函数索引，查询某个月份的记录时，无需每次对日期列进行函数计算，直接利用索引即可快速定位。但在更新索引列时，由于需要重新计算函数值来更新索引，会增加时间开销。如果函数计算比较复杂，这种时间开销会更加明显。

4.4.2 空间开销

函数索引的空间开销类似于 B - 树索引，需要存储函数计算后的结果、对应的 ROWID 以及索引结构信息。其空间大小会随着数据量和函数的复杂程度而变化。

4.5 权衡策略

4.5.1 以时间性能为主的场景

如果应用场景对查询响应时间要求极高，且主要是等值查询，在空间允许的情况下，可以优先考虑哈希索引。如果涉及范围查询，B - 树索引可能是更好的选择。对于文本搜索，全文索引能够提供较好的时间性能，但要注意其更新成本。在数据更新操作相对较少的情况下，为了优化查询时间，可以积极建立合适的索引。

4.5.2 以空间性能为主的场景

当存储资源有限时，对于低基数列，位图索引是一个较好的空间 - 时间权衡选择。如果对空间占用要求非常严格，且查询性能可以适当牺牲，可以减少不必要的索引创建。例如，在一个嵌入式数据库系统中，由于存储设备容量有限，可能会谨慎使用索引，仅对最关键的查询列建立索引。

4.5.3 综合权衡场景

在大多数实际应用中，需要综合考虑时间和空间开销。可以通过性能测试和监控来确定最优的索引策略。例如，在一个企业级数据库应用中，先对主要的查询操作进行分析，根据数据列的特点和更新频率，初步选择可能合适的索引类型。然后，通过模拟实际负载进行性能测试，观察时间和空间的占用情况，对索引类型和数量进行调整，以达到最佳的平衡。

5. 索引的优化

5.1 定期评估索引的使用情况

5.1.1 查询索引使用统计信息：

在 Oracle 中，可以使用数据字典视图来查看索引的使用情况。例如，V$OBJECT_USAGE视图提供了有关索引是否被使用的信息。通过查询这个视图，可以了解哪些索引在实际的查询操作中被使用，哪些没有被使用。
示例查询语句如下：

SELECT * FROM V$OBJECT_USAGE WHERE INDEX_NAME = 'your_index_name';

5.1.2 识别未使用的索引：

如果发现某些索引长时间未被使用，那么这些索引可能是优化的对象。未使用的索引会占用磁盘空间，并且在数据更新时还会增加不必要的维护开销。
不过，需要注意的是，仅仅因为某个索引在一段时间内未被查询统计信息记录为使用，并不一定意味着它完全没有价值。可能是因为应用程序的查询模式尚未触发对该索引的使用，或者是查询优化器在某些情况下选择不使用该索引。

5.2 优化索引列的选择

5.2.1 选择高选择性列：

高选择性列是指那些在表中不同值的数量与总行数的比例较高的列。例如，在一个包含员工信息的表中，员工编号（假设是唯一的）列就是高选择性列。
对于高选择性列建立索引，在进行等值查询（如查询特定员工编号的员工信息）时，能够更精准地定位到目标数据行，减少查询时需要扫描的数据量，从而提高查询效率。

5.2.2 避免对低选择性列过度索引：

低选择性列是指那些取值重复率高的列，如性别列（只有男和女两种取值）。对于这样的列，除非有特殊的查询需求（如频繁查询某一性别的所有记录，且数据量巨大），否则过度建立索引可能不会带来显著的查询性能提升，反而会增加数据更新时的索引维护成本。

5.2.3 考虑组合索引的列顺序：

当创建组合索引时，列的顺序至关重要。应该将最常用于过滤数据的列放在组合索引的最前面。
例如，在一个订单表中，有客户编号（customer_id）和订单日期（order_date）两个列。如果大多数查询首先是根据客户编号进行筛选，然后才考虑订单日期，那么组合索引应该按照(customer_id, order_date)的顺序创建。这样，在查询时可以更有效地利用索引，先通过客户编号快速定位到一部分数据，再在这部分数据中根据订单日期进一步筛选。

5.3 处理索引碎片

5.3.1 识别索引碎片程度：

可以使用 Oracle 提供的工具或查询来评估索引的碎片程度。例如，通过查询数据字典视图或者使用 Oracle 的分析工具（如 DBMS_STATS）来获取索引的物理存储信息，包括索引块的使用情况、叶子节点的填充程度等。
如果发现索引块的空闲空间过多，或者叶子节点的数据分布不均匀，就可能存在索引碎片问题。

5.3.2 重建或重组索引：

当索引碎片严重影响性能时，可以采取重建或重组索引的措施。
重建索引（ALTER INDEX index_name REBUILD;）会重新创建索引结构，将数据重新组织，消除碎片。重组索引（如使用ALTER INDEX index_name COALESCE;对于 B - 树索引）是一种相对温和的方式，它主要是将索引的相邻空闲空间合并，在一定程度上减少碎片，同时对系统的影响相对较小。不过，重组索引可能无法完全消除碎片，对于严重碎片化的索引，重建可能是更有效的方法。

5.4 优化索引参数设置（针对 B - 树索引）

5.4.1 调整索引块大小（PCTFREE 和 PCTUSED）：

PCTFREE 参数用于指定在索引块中为将来的更新操作（如插入新的索引键值）预留的空闲空间百分比。较高的 PCTFREE 值可以减少更新索引时的块分裂操作，但会增加索引的存储空间占用。
PCTUSED 参数用于确定当索引块的使用空间低于多少百分比时，可以重新插入数据。合理设置这两个参数可以优化索引块的空间利用效率，减少索引结构的频繁调整。

5.4.2 考虑索引的存储参数（如 TABLESPACE）：

根据数据的访问频率和重要性，将索引存储在合适的表空间（TABLESPACE）中。例如，对于频繁访问的索引，可以将其存储在性能较好的表空间（如存储在高速磁盘设备上的表空间），以提高查询响应速度。

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