数据库索引设计与优化
内容简介
《数据库索引设计与优化》提供了一种简单、高效、通用的关系型数据库索引设计方法。作者通过系统的讲解及大量的案例清晰地阐释了关系型数据库的访问路径选择原理，以及表和索引的扫描方式，详尽地讲解了如何快速地估算SQL 运行的CPU 时间及执行时间，帮助读者从原理上理解SQL、表及索引结构、访问方式等对关系型数据库造成的影响，并能够运用量化的方法进行判断和优化，指导关系型数据库的索引设计。
《数据库索引设计与优化》适用于已经具备了SQL 这一关系型语言相关知识，希望通过理解SQL 性能相关的内容，或者希望通过了解如何有效地设计表和索引而从中获益的人员。另外，《数据库索引设计与优化》也同样适用于希望对新硬件的引入所可能带来的变化做出更好判断的资深人士。
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作者简介
Tapio Lahdenmaki，数据库性能顾问，教授通用索引设计课程。他在IBM公司工作了三十多年，是公司全球课程中有关DB2 (for z/OS)性能相关课程的主要作者。Michael Leach，关系型数据库顾问，已从IBM公司退休，他拥有二十年的应用系统及数据库课程的教授经验。两位作者的文章均被翻译成了多国语言广为传播。他们有关索引设计的方法被成功应用于许多核心系统。
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目录
第1 章 概述 ........................ 1
关于SQL 性能的另一本书 ......... 1
不合适的索引 .............................. 3
误区和误解 ........... 4
误区1：索引层级不要超过5 层 ...................... 5
误区2：单表的索引数不要超过6 个 ............... 6
误区3：不应该索引不稳定的列 ...................... 6
示例..... 7
磁盘驱动器使用率 .............. 7
系统化的索引设计 ...................... 8
第２章 表和索引结构 ........ 10
介绍 .......... 10
索引页和表页 .................... 11
索引行 ...... 11
索引结构... 12
表行 .......... 12
缓冲池和磁盘I/O ...................... 12
从DBMS 缓冲池进行的读取 .......................... 13
从磁盘驱动器进行的随机I/O ......................... 13
从磁盘服务器缓存进行的读取 ....................... 14
从磁盘驱动器进行的顺序读取 ....................... 15
辅助式随机读 .................... 15
辅助式顺序读 .................... 18
同步I/O 和异步I/O ........... 18
硬件特性... 19
DBMS 特性 ............................... 20
页 ...... 20
表聚簇 ................................ 21
索引行 ................................ 21
表行... 22
索引组织表 ........................ 22
页邻接 ................................ 23
B 树索引的替代品 ............. 24
聚簇的许多含义 ................ 25
第3 章 SQL 处理过程 ....... 27
简介 .......... 27
谓词 .......... 27
评注... 28
优化器及访问路径 .................... 28
索引片及匹配列 ................ 29
索引过滤及过滤列 ............ 29
访问路径术语 .................... 31
监控优化器 ........................ 32
帮助优化器（统计信息） . 32
帮助优化器（FETCH 调用的次数） .............. 32
何时确定访问路径 ............ 33
过滤因子... 34
组合谓词的过滤因子 ......... 35
过滤因子对索引设计的影响 ........................... 37
物化结果集 ................................ 39
游标回顾 ............................ 39
方式1：一次FETCH 调用物化一条记录 ...... 40
方式2：提前物化 ............. 41
数据库设计人员必须牢记 . 41
练习 .......... 41
第4 章 为SELETE 语句创建理想的索引 ........ 43
简介 .......... 43
磁盘及CPU 时间的基础假设 ... 44
不合适的索引 ............................ 44
三星索引——查询语句的理想索引 ....................... 45
星级是如何给定的 ............ 46
范围谓词和三星索引 ......... 48
为查询语句设计最佳索引的算法 ........................... 49
候选A ................................ 50
候选B ................................ 50
现今排序速度很快——为什么我们还需要候选B .......................... 51
需要为所有查询语句都设计理想索引吗 ................ 52
完全多余的索引 ................ 52
近乎多余的索引 ................ 53
可能多余的索引 ................ 53
新增一个索引的代价 ................ 54
响应时间 ............................ 54
磁盘负载 ............................ 55
磁盘空间 ............................ 56
一些建议... 57
练习 .......... 58
第5 章 前瞻性的索引设计 . 59
发现不合适的索引 .................... 59
基本问题法（BQ） ................... 59
注意... 60
快速上限估算法（QUBE） ...... 61
服务时间 ............................ 62
排队时间 ............................ 62
基本概念：访问 ................ 63
计算访问次数 .................... 65
FETCH 处理....................... 66
主要访问路径的QUBE 示例 .......................... 67
使用满足需求的成本最低的索引还是所能达到的最优索引：示例1 ..... 72
该事务的基本问题 ............ 73
对该事务上限的快速估算 . 73
使用满足需求的成本最低的索引还是所能达到的最优索引 .......... 74
该事务的最佳索引 ............ 75
半宽索引（最大化索引过滤） ....................... 75
宽索引（只需访问索引） . 76
使用满足需求的成本最低的索引还是所能达到的最优索引：示例2 .... 77
范围事务的BQ 及QUBE .. 78
该事务的最佳索引 ............ 79
半宽索引（最大化索引过滤） ....................... 80
宽索引（只需访问索引） . 81
何时使用QUBE ........................ 82
第6 章 影响索引设计过程的因素 .................... 83
I/O 时间估算的验证 .................. 83
多个窄索引片 ............................ 84
简单就是美（和安全） ..... 86
困难谓词... 87
LIKE 谓词 .......................... 87
OR 操作符和布尔谓词 ...... 88
IN 谓词............................... 89
过滤因子隐患 ............................ 90
过滤因子隐患的例子 ................ 92
最佳索引 ............................ 95
半宽索引（最大化索引过滤） ....................... 96
宽索引（只需访问索引） . 97
总结... 97
练习 .......... 99
第7 章 被动式索引设计 .. 100
简介 ........ 100
EXPLAIN 描述了所选择的访问路径 ................... 101
全表扫描或全索引扫描 ... 101
对结果集排序 .................. 101
成本估算 .......................... 102
数据库管理系统特定的EXPLAIN 选项及限制 ............................ 102
监视揭示现实 .......................... 103
性能监视器的演进 .......... 104
LRT 级别的异常监视 .............. 106
程序粒度的均值是不够的 ............................. 106
异常报告举例：每个尖刺一行 ..................... 106
问题制造者和受害者 ....... 108
有优化空间的问题制造者和无优化空间的问题制造者 ................ 108
有优化空间的问题制造者 ............................. 109
调优的潜在空间 .............. 111
无优化空间的问题制造者 ............................. 114
受害者 .............................. 115
查找慢的SQL 调用 ......... 117
调用级别的异常监视 .............. 118
Oracle 举例 ...................... 121
SQL Server 举例 .............. 123
结论. 125
数据库管理系统特定的监视问题 ......................... 126
尖刺报告 .......................... 127
练习 ........ 127
第8 章 为表连接设计索引 ............................. 129
简介 ........ 129
两个简单的表连接 .................. 131
例8.1：CUST 表作为外层表 ........................ 131
例8.2：INVOICE 表作为外层表 .................. 132
表访问顺序对索引设计的影响 ............................. 133
案例研究 .......................... 133
现有索引 .......................... 136
理想索引 .......................... 142
理想索引，每事务物化一屏结果集 .............. 146
理想索引，每事务物化一屏结果集且遇到FF 缺陷 ..................... 149
基本连接的问题（BJQ） ........ 151
结论：嵌套循环连接 ....... 153
预测表的访问顺序 .................. 153
合并扫描连接和哈希连接 ....... 155
合并扫描连接 .................. 155
例8.3：合并扫描连接 ..... 155
哈希连接 .......................... 157
程序C：由优化器选择MS/HJ（在现有索引条件下） ................ 158
理想索引 .......................... 159
嵌套循环连接VS. MS/HJ 及理想索引 ................. 161
嵌套循环连接VS. MS/HJ ...........161
嵌套循环连接VS.理想索引 .......................... 162
连接两张以上的表 .................. 163
为什么连接的性能表现较差 ... 166
模糊的索引设计 .............. 166
优化器可能选择错误的表访问路径 .............. 166
乐观的表设计 .................. 166
为子查询设计索引 .................. 167
为UNION 语句设计索引 ........ 167
对于表设计的思考 .................. 167
冗余数据 .......................... 167
无意识的表设计 .............. 171
练习 ........ 173
第9 章 星型连接 ............. 175
介绍 ........ 175
维度表的索引设计 .................. 177
表访问顺序的影响 .................. 178
事实表的索引 .......................... 179
汇总表 .... 182
第10 章 多索引访问 ....... 184
简介 ........ 184
索引与 .... 184
与查询表一同使用索引与 ............................. 186
多索引访问和事实数据表 ............................. 187
用位图索引进行多索引访问 ......................... 187
索引或 .... 188
索引连接. 189
练习 ........ 190
第11 章 索引和索引重组 191
B 树索引的物理结构 ............... 191
DBMS 如何查找索引行 .......... 192
插入一行时会发生什么 .......... 193
叶子页的分裂严重吗 .............. 194
什么时候应该对索引进行重组 ............................. 196
插入模式 .......................... 196
索引列的稳定性 ...................... 205
长索引行............207
举例：对顺序敏感的批处理任务 ......................... 208
表乱序（存在聚簇索引） ............................. 211
表乱序（没有以CNO 开头的聚簇索引） .... 212
存储在叶子页中的表行 .......... 212
SQL Server ....................... 212
Oracle ............................... 213
索引重组的代价 ...................... 214
分裂的监控 .............................. 215
总结 ........ 216
第12 章 数据库管理系统相关的索引限制 ..... 219
简介 ........ 219
索引列的数量 .......................... 219
索引列的总长度 ...................... 220
变长列 .... 220
单表索引数量上限 .................. 220
索引大小上限 .......................... 220
索引锁定. 221
索引行压缩 .............................. 221
数据库管理系统索引创建举例 ............................. 222
第13 章 数据库索引选项 224
简介 ........ 224
索引行压缩 .............................. 224
索引键以外的其他索引列 ....... 225
唯一约束 ........... 227
从不同的方向扫描数据库索引 ............................. 227
索引键截断 .............................. 228
基于函数的索引 ...................... 228
索引跳跃式扫描 ...................... 229
块索引 .... 230
数据分区的二级索引 .............. 230
练习 ........ 231
第14 章 优化器不是完美的 ........................... 232
简介 ........ 232
优化器并不总能看见最佳方案 ............................. 234
匹配及过滤问题 .............. 234
非BT 谓词 ....................... 234
无法避免的排序 .............. 237
不必要的表访问 .............. 238
优化器的成本估算可能错得离谱 ......................... 239
使用绑定变量的范围谓词 ............................. 239
偏斜分布 .......................... 241
相关列 .............................. 242
部分索引键的警示故事 ... 243
成本估算公式 .......................... 246
估算I/O 时间 ................... 247
估算CPU 时间 ................. 248
协助优化器处理估算相关的问题 ................. 249
优化器的问题是否会影响索引设计 ..................... 252
练习 ........ 253
第15 章 其他评估事项 .... 254
QUBE 公式背后的假设条件 ... 254
内存中的非叶子索引页 .......... 255
例子. 255
磁盘服务器读缓存的影响 ............................. 256
缓冲子池 .......................... 258
长记录 .............................. 259
慢速顺序读 ...................... 259
实际的响应时间可能比QUBE 评估值短得多 ..... 259
叶子页和表页缓存在缓冲池中 ..................... 260
识别低成本的随机访问 ... 262
辅助式随机读取 .............. 262
辅助式顺序读 .................. 265
评估CPU 时间（CQUBE） .... 265
单次顺序访问的CPU 时间 ........................... 265
单次随机访问的CPU 时间 ........................... 267
单次FETCH 调用的CPU 时间 ..................... 269
每排序一行的平均CPU 时间........................ 270
CPU 评估举例 ......................... 270
宽索引还是理想索引 ....... 270
嵌套循环（及反范式化）还是MS/HJ.......... 271
合并扫描与哈希连接的比较 ......................... 274
跳跃式顺序扫描 .............. 275
CPU 时间仍然不可忽视 .. 276
第16 章 组织索引设计过程 ........................... 277
简介 ........ 277
计算机辅助式索引设计 .......... 278
设计出色索引的9 个步骤 ....... 280
参考文献 ........................... 282
术语表 ................ 283
索引 ................291
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读书文摘
如果与一个查询相关的索引行是相邻的，或者至少足够靠近的话，那这个索引就可以被标记上第一颗星。这最小化了必须扫描的索引片的宽度。 如果索引行的顺序与查询语句的需求一致，则索引可以被标记上第二颗星。这排除了排序操作。 如果索引行包含查询语句中的所有列——那么索引就可以被标记上第三颗星。这避免了访问表的操作，仅访问索引就可以了。
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