青少年编程与数学 02-007 PostgreSQL数据库应用 08课题、索引的操作

课题摘要:本课题探讨了PostgreSQL中索引的操作，包括索引的类型、创建、维护以及与表的关系。索引是提高数据库查询性能的关键，PostgreSQL支持多种索引类型，如B-tree、Hash、GiST、GIN、SP-GiST和BRIN。索引加快查询速度、排序和分组操作，但也会增加写操作的开销、占用磁盘空间，并需要维护。创建索引使用CREATE INDEX语句，而维护包括重建、重组和监控索引碎片化。索引与表关系密切，表存储数据，索引加快数据检索。主键和外键是特殊的数据库约束，确保数据的唯一性和完整性，分别用于唯一标识记录和维护表间关系。通过合理使用和管理索引，可以显著提升数据库性能。

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一、表的索引

在PostgreSQL中，表的索引是一种特殊的数据库对象，它允许数据库系统快速检索表中的数据，而无需扫描整个表。索引类似于书籍的目录，它提供了一种快速定位数据的方法，从而提高查询性能。以下是索引的一些关键特点和作用：

索引的类型

PostgreSQL支持多种索引类型，包括：

1. B-tree索引：最常用的索引类型，适合大多数查询类型，包括等值查询、范围查询和组合条件查询。

2. Hash索引：适用于等值查询，特别是当索引列经常用于等值比较时。

3. GiST索引：适用于复杂数据类型，如GIS空间数据或全文搜索。

4. GIN索引：适用于存储可重复元素的数据类型，如数组或全文搜索。

5. SP-GiST索引：适用于处理大数据集，提供比GiST更高效的空间分区。

6. BRIN索引：适用于大型表，特别是当数据已经按顺序存储时。

索引的创建和使用

索引可以通过以下SQL语句创建：

CREATE INDEX index_name ON table_name (column_name);

这个语句会在table_name表的column_name列上创建一个名为index_name的B-tree索引。

索引的优点

1. 提高查询速度：索引可以显著减少查询所需的数据扫描量，从而加快查询速度。
2. 加速排序和分组操作：索引可以加快ORDER BY和GROUP BY操作，因为索引已经按照特定的顺序存储了数据。
3. 使用索引进行连接：在执行表连接操作时，索引可以提高连接效率。

索引的缺点

1. 增加写操作的开销：每次对表进行插入、更新或删除操作时，相应的索引也需要更新，这会增加写操作的开销。
2. 占用磁盘空间：索引需要额外的磁盘空间来存储。
3. 维护开销：随着数据的增长，索引需要定期维护，如重建或重新组织。

索引的维护

• 索引重建：随着时间的推移，索引可能会变得碎片化，需要定期重建以保持性能。
• 索引监控：监控索引的使用情况，确保索引对查询性能有积极影响。

索引的选择

选择哪种类型的索引取决于数据的特性和查询模式。例如，如果经常进行地理空间查询，可能需要使用GiST索引；如果经常进行全文搜索，可能需要使用GIN索引。

总的来说，索引是优化数据库性能的重要工具，但也需要合理使用和管理，以避免不必要的性能开销。

PostgreSQL和SQL Server在索引方面有一些显著的不同。以下是两者索引类型的主要区别：

1. 索引类型：

   • PostgreSQL支持多种索引类型，包括B-tree、Hash、GiST（Generalized Search Tree）、SP-GiST（Space-Partitioned GiST）、GIN（Generalized Inverted Index）和BRIN（Block Range Index）。
   • SQL Server则主要分为两种索引：Clustered Index（聚集索引）和Non-Clustered Index（非聚集索引）。此外，SQL Server还支持Column Store Index（列存储索引）、Filtered Index（过滤索引）和Hash Index（哈希索引）。

2. 聚集索引（Clustered Index）：

   • 在SQL Server中，聚集索引决定了数据的物理存储顺序，每个表只能有一个聚集索引。
   • PostgreSQL总是使用堆表（Heap Table），并不区分聚集和非聚集索引的概念。PostgreSQL中的B-tree索引类似于SQL Server中的非聚集索引。

3. 哈希索引（Hash Index）：

   • PostgreSQL支持哈希索引，适用于等值查询。
   • SQL Server不提供哈希索引。

4. GiST和GIN索引：

   • PostgreSQL特有的GiST和GIN索引允许对复杂数据类型（如几何形状、全文文档）进行索引。
   • SQL Server没有直接对应的索引类型。

5. BRIN索引：

   • PostgreSQL特有的BRIN索引适用于大型表，通过存储数据块的范围信息来优化查询性能。
   • SQL Server没有直接对应的索引类型。

6. 列存储索引（Column Store Index）：

   • SQL Server支持列存储索引，这种索引类型适用于数据仓库场景，可以极大提高数据聚合操作的性能。
   • PostgreSQL没有直接对应的索引类型。

7. 过滤索引（Filtered Index）：

   • SQL Server支持过滤索引，允许在表的一个子集上创建索引，这可以减少索引的大小并提高查询性能。
   • PostgreSQL没有直接对应的索引类型。

8. 索引表达式：

   • 在PostgreSQL中，可以基于列上的表达式创建索引，这称为表达式索引。
   • SQL Server也支持基于表达式的索引，但实现和使用可能有所不同。

9. 索引管理：

   • SQL Server提供丰富的自动化索引管理功能，包括自动更新统计信息和自动重新组织或重建索引。
   • PostgreSQL在索引管理方面相对不那么自动化，可能需要更多的手动维护。

这些差异反映了两个数据库系统在设计和优化查询性能方面的不同哲学和方法。开发者在选择数据库系统时，应根据具体的应用场景和需求来决定使用哪种类型的索引。

二、索引的类型

PostgreSQL 提供了多种索引类型，每种类型都适用于特定的数据类型和查询模式。以下是 PostgreSQL 中常见的索引类型：

1. B-tree 索引：

   • 最基本和常用的索引类型，支持等值查询、范围查询和多列索引。
   • 适用于大多数数据类型的索引，包括数值类型、字符串类型等。
   • 支持索引扫描、范围扫描和索引唯一性检查。

2. Hash 索引：

   • 适用于等值查询，不适用于范围查询。
   • PostgreSQL 会自动为某些数据类型（如整数类型）创建 Hash 索引。
   • 只包含等值比较操作符。

3. GiST（Generalized Search Tree）索引：

   • 用于空间数据类型和全文检索等复杂查询。
   • 允许开发者定义自己的索引操作符和函数，以适应特定的数据类型。
   • 例如，PostgreSQL 内置了对 PostGIS 扩展的 GiST 索引支持。

4. GIN（Generalized Inverted Index）索引：

   • 用于存储可重复元素的数据类型，如数组或全文搜索。
   • 允许快速检索数组中的元素或全文搜索中的关键词。
   • 例如，PostgreSQL 内置了对数组和全文搜索数据类型的 GIN 索引支持。

5. SP-GiST（Space-Partitioned Generalized Search Tree）索引：

   • 用于处理大数据集，提供比 GiST 更高效的空间分区。
   • 可以处理多维数据，并且可以自定义数据类型的索引策略。

6. BRIN（Block Range INdex）索引：

   • 适用于大型表，特别是当数据已经按顺序存储时。
   • 存储数据块的范围信息，而不是单个行的信息，因此可以非常高效地处理大量数据。
   • 不支持等值查询，主要用于范围查询。

7. Partial Index：

   • 部分索引只索引表中满足特定条件的行。
   • 这可以减少索引的大小，提高索引的效率。
   • 例如：

     CREATE INDEX idx_columnname_partial ON tablename (columnname) WHERE condition;
     

8. Expression Indexes：

   • 索引不是基于单个列，而是基于列上的表达式。
   • 可以创建更复杂的索引，例如基于函数或操作的结果。
   • 例如：

     CREATE INDEX idx_expression ON tablename (function(columnname));
     

9. Composite Indexes：

   • 索引多个列。
   • 可以提高涉及多个列的查询性能。
   • 例如：

     CREATE INDEX idx_composite ON tablename (columnname1, columnname2);
     

10. Functional Indexes：

    • 索引列的函数或表达式的结果。
    • 允许基于列的转换或计算结果创建索引。
    • 例如：

      CREATE INDEX idx_functional ON tablename (lower(columnname));
      

每种索引类型都有其特定的用途和优势，选择合适的索引类型可以显著提高数据库查询的性能。在实际应用中，应根据数据的特性和查询需求来选择最合适的索引类型。

三、创建索引

在PostgreSQL中创建索引是一个相对直接的过程，可以通过SQL命令CREATE INDEX来完成。以下是创建索引的基本语法和一些示例。

基本语法

CREATE INDEX index_name ON table_name (column_name);

• index_name：你想要创建的索引的名称。
• table_name：你想要为其创建索引的表的名称。
• column_name：你想要索引的列的名称。

示例

1. 为单个列创建B-tree索引：

CREATE INDEX idx_employee_last_name ON employees (last_name);

这个命令会在employees表的last_name列上创建一个名为idx_employee_last_name的B-tree索引。

2. 为多个列创建复合索引：

CREATE INDEX idx_employee_name ON employees (first_name, last_name);

这个命令会在employees表的first_name和last_name列上创建一个复合索引idx_employee_name。

3. 创建表达式索引：

CREATE INDEX idx_employee_name_lower ON employees (LOWER(first_name));

这个命令会在employees表的first_name列的值转换为小写后创建一个索引idx_employee_name_lower。

4. 创建部分索引：

CREATE INDEX idx_employee_active ON employees (last_name) WHERE active = true;

这个命令会在employees表的last_name列上创建一个部分索引idx_employee_active，只包含active字段为true的行。

5. 创建唯一索引：

CREATE UNIQUE INDEX idx_employee_email ON employees (email);

这个命令会在employees表的email列上创建一个唯一索引idx_employee_email，确保每个邮箱地址都是唯一的。

6. 创建全文索引：

CREATE INDEX idx_employee_name_text ON employees USING gin (to_tsvector('english', first_name || ' ' || last_name));

这个命令会在employees表的first_name和last_name列的组合上创建一个GIN索引idx_employee_name_text，用于全文搜索。

注意事项

• 创建索引可以提高查询性能，但过多的索引会增加写操作的开销，因为每次插入、更新或删除操作时，索引也需要更新。
• 索引会占用额外的磁盘空间。
• 在创建索引之前，应该考虑表的使用模式，确定哪些查询将从索引中受益最大。
• 可以使用EXPLAIN命令来分析查询计划，查看是否有效地使用了索引。

创建索引是一个需要根据实际情况和需求来决定的操作，合理地使用索引可以显著提高数据库的性能。

四、所属关系

索引和表之间的关系是密切且互补的。以下是它们之间的关系和相互作用的详细说明：

1. 数据组织：

   • 表：表是数据库中存储数据的基本结构，它由行（记录）和列（字段）组成，用于组织和存储数据。
   • 索引：索引是表的一个辅助对象，它包含了指向表中数据的引用，而不是数据本身。索引用于加快数据检索的速度。

2. 性能优化：

   • 表：表的查询性能可能会因为数据量的增加而降低，特别是全表扫描（Full Table Scan）时。
   • 索引：索引可以显著提高查询性能，通过索引，数据库可以快速定位到表中的数据，而不需要扫描整个表。

3. 存储：

   • 表：表本身存储实际的数据。
   • 索引：索引存储指向表中数据的指针或键值，这些指针或键值指向表中的数据行。

4. 维护：

   • 表：对表进行插入、删除、更新操作时，表的结构和数据会直接受到影响。
   • 索引：对表进行数据操作时，相关的索引也需要更新，以保持索引的准确性和有效性。

5. 查询优化：

   • 表：数据库查询优化器（Query Optimizer）会根据查询条件和表的结构来决定最佳的查询路径。
   • 索引：查询优化器会考虑可用的索引来决定是否使用索引以及如何使用索引来优化查询。

6. 唯一性约束：

   • 表：表可以定义唯一性约束（Unique Constraints），确保列的值在表中是唯一的。
   • 索引：唯一索引（Unique Index）是实现唯一性约束的一种方式，它确保索引列的值不会重复。

7. 空间占用：

   • 表：表占用的存储空间主要由实际存储的数据决定。
   • 索引：索引也会占用额外的存储空间，尽管通常比表本身要小，但是随着索引数量的增加，存储需求也会增加。

8. 数据一致性：

   • 表：表中的数据需要保持一致性和完整性。
   • 索引：索引需要与表中的数据保持一致，任何数据的变更都需要同步更新索引。

9. 备份和恢复：

   • 表：备份和恢复操作通常涉及表级别的操作。
   • 索引：索引作为表的一部分，会在表的备份和恢复过程中被一同处理。

10. 依赖关系：

    • 表：索引依赖于表，没有表就没有索引。
    • 索引：索引提供了一种快速访问表中数据的方式，增强了表的可用性和性能。

总的来说，索引和表是相互依赖的。表提供了存储数据的场所，而索引提供了一种快速访问这些数据的机制。合理地使用索引可以显著提高数据库的性能，但也需要考虑到索引的维护成本和存储开销。

五、索引维护

索引维护是确保数据库性能和稳定性的重要任务。以下是一些关键的索引维护操作：

1. 索引重建（Rebuild）：

   • 当索引严重碎片化时，需要进行重建。重建索引可以彻底重构索引，恢复其性能。
   • 可以使用T-SQL命令进行索引重建，例如：ALTER INDEX IndexName ON YourTableName REBUILD WITH (FILLFACTOR = 80, ONLINE = ON);

2. 索引重组（Reorganize）：

   • 索引重组是一种在线操作，用于减少索引的碎片化。它消耗的资源相对较少，适用于轻度到中度的碎片化。
   • 可以通过T-SQL命令进行索引重组，例如：ALTER INDEX ALL ON YourTableName REORGANIZE WITH (LOB_COMPACTION = ON);

3. 监控索引碎片化：

   • 定期监控索引的碎片化程度是索引维护的重要部分。可以使用系统视图查询索引碎片化信息，例如：

     SELECT
         OBJECT_NAME(i.OBJECT_ID) AS TableName,
         i.name AS IndexName,
         p.index_id,
         p.avg_fragmentation_in_percent
     FROM
         sys.dm_db_index_physical_stats(DB_ID(), NULL, NULL, NULL, NULL) p
     JOIN
         sys.indexes i ON p.OBJECT_ID = i.OBJECT_ID AND p.index_id = i.index_id
     WHERE
         p.avg_fragmentation_in_percent > 5
         AND p.page_count > 50;
     

4. 删除无用索引：

   • 删除那些不再使用或很少使用的索引可以释放资源并提高性能。例如：DROP INDEX IndexName ON YourTableName;

5. 更新统计信息：

   • 统计信息对于数据库查询优化器选择最佳查询计划至关重要。可以更新所有索引的统计信息，例如：UPDATE STATISTICS YourTableName WITH FULLSCAN;

6. 使用数据库引擎优化顾问（DEOA）：

   • DEOA可以分析查询性能并推荐索引操作。

7. 自动化索引维护：

   • 可以使用SQL Server代理作业自动执行索引维护任务。

8. 索引优化：

   • 根据查询模式创建索引，避免过度索引，并使用覆盖索引以减少数据访问次数。

9. 索引的高级应用：

   • 部分索引可以针对满足特定条件的数据创建索引，减少索引的大小和维护成本。

10. 索引监控：

    • 监控索引的健康状况对于维护数据库性能至关重要。可以使用DBCC SHOWCONTIG (table_name);来查看索引的碎片信息。

这些维护操作有助于保持索引的最佳状态，提高性能并降低资源占用量。

六、表的主键

在PostgreSQL中，表的主键（Primary Key）的概念与关系数据库理论中的主键概念是一致的。主键用于唯一标识表中的每条记录，确保数据的唯一性和完整性。以下是PostgreSQL中主键的关键特性和作用：

1. 唯一性：

   • 主键字段的值必须在表中是唯一的，不能有两条记录的主键值相同。

2. 非空性：

   • 主键字段不能包含NULL值，每个记录都必须有一个有效的主键值。

3. 标识性：

   • 主键作为表中每行数据的唯一标识符，用于区分不同的记录。

4. 索引：

   • PostgreSQL会自动为主键字段创建一个唯一索引，这有助于提高基于主键的查询性能。

5. 外键关联：

   • 主键通常被其他表用作外键，以建立表之间的关系，实现数据的参照完整性。

6. 数据完整性：

   • 主键有助于维护表的数据完整性，确保每条记录都可以被唯一地区分。

7. 查询优化：

   • 主键可以作为查询优化的基础，提高数据库操作的性能。

8. 数据恢复和同步：

   • 在数据恢复和同步过程中，主键可以作为重建表结构和数据关系的依据。

在PostgreSQL中创建表时指定主键的语法如下：

CREATE TABLE table_name (
    column1 data_type PRIMARY KEY,
    column2 data_type,
    -- 其他列定义
);

或者，如果主键是由多个列组成的复合主键，可以这样定义：

CREATE TABLE table_name (
    column1 data_type,
    column2 data_type,
    -- 其他列定义
    PRIMARY KEY (column1, column2)
);

例如，创建一个名为employees的表，其中employee_id作为主键：

CREATE TABLE employees (
    employee_id SERIAL PRIMARY KEY,
    first_name VARCHAR(50),
    last_name VARCHAR(50)
    -- 其他列定义
);

在这个例子中，employee_id字段被指定为主键，并且使用SERIAL数据类型自动生成唯一的标识符。如果需要指定复合主键，可以如下操作：

CREATE TABLE students (
    student_number VARCHAR(10),
    class_id INT,
    student_name VARCHAR(50),
    -- 其他列定义
    PRIMARY KEY (student_number, class_id)
);

在这个例子中，student_number和class_id共同作为复合主键，唯一标识students表中的每条学生记录。

七、表的外键

在PostgreSQL中，表的外键（Foreign Key）是一种数据库完整性约束，用于维护两个表之间的关系。外键确保引用表中的数据与主表中的数据保持一致性。具体来说，外键用于以下目的：

1. 引用完整性：

   • 外键确保引用表中的每个外键值都必须在主表的主键或唯一键中存在，从而维护数据的完整性。

2. 表关联：

   • 外键用于建立两个表之间的逻辑关系，通常是父子表关系，其中子表的外键列引用父表的主键列。

3. 数据一致性：

   • 外键约束确保在插入或更新引用表时，相关的数据在主表中也存在，从而保持数据的一致性。

4. 级联操作：

   • 可以定义外键的级联规则，比如在删除或更新主表中的记录时，自动更新或删除引用表中的相关记录。

5. 查询和连接：

   • 外键关系可以用于优化查询和连接操作，因为数据库系统知道这些表之间的关系。

在PostgreSQL中创建外键的语法如下：

ALTER TABLE child_table
ADD CONSTRAINT constraint_name
FOREIGN KEY (column_name) REFERENCES parent_table (primary_key_column)
[ON DELETE action] [ON UPDATE action];

这里的child_table是引用外键的表，parent_table是包含相关主键的表，column_name是子表中的外键列，primary_key_column是父表的主键列。constraint_name是外键约束的名称，action可以是NO ACTION、RESTRICT、CASCADE、SET NULL或SET DEFAULT，它们定义了在父表中的记录被删除或更新时，子表中的记录应该如何处理。

例如，假设有两个表orders和customers，其中orders表需要引用customers表中的customer_id：

CREATE TABLE customers (
    customer_id SERIAL PRIMARY KEY,
    customer_name VARCHAR(100)
);

CREATE TABLE orders (
    order_id SERIAL PRIMARY KEY,
    customer_id INT,
    order_date DATE,
    CONSTRAINT fk_customer_order FOREIGN KEY (customer_id) REFERENCES customers(customer_id)
);

在这个例子中，orders表中的customer_id列被定义为外键，它引用customers表中的customer_id主键列。这样，任何在orders表中插入的customer_id都必须在customers表中存在，否则数据库将拒绝插入操作。

外键是数据库设计中的一个重要概念，它有助于保持数据库的规范化和数据的完整性。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_40071585/article/details/145236422

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