MySQL索引以及结构深入详解

B-tree

B-Tree又叫平衡多路查找树(并不是二叉的)使用B-tree结构可以显著减少定位记录时所经历的中间过程,从而加快存取速度。
左子节点关键字值<该关键字值<右子节点关键字值
在B-Tree中按key检索数据的算法非常直观:首先从根节点进行二分查找,如果找到则返回对应节点的data,否则对相应区间的指针指向的节点递归进行查找,直到找到节点或找到null指针,前者查找成功,后者查找失败。
这里写图片描述
(key为记录的键值,对于不同数据记录,key是互不相同的;data为数据记录除key外的数据)

B+tree

B+Tree是一种改进后的B-tree。
这里写图片描述
(key为记录的键值,对于不同数据记录,key是互不相同的;data为数据记录除key外的数据)

与B-Tree相比,B+Tree有以下不同点:

每个节点的指针上限为2d而不是2d+1。

内节点不存储data,只存储key;叶子节点不存储指针。

那数据库为什么使用B-tree

计算机的机械磁盘,为了摊还机械移动花费的等待时间,磁盘会一次存取多个数据项而不是一个,这样的一次读取的信息单元是page,我们可以用读或写的页数作为磁盘存取总时间的主要近似值,在任何时刻,B树算法都只需在内存中保持一定数量的页面。B树的设计考虑磁盘预读取这点,一个B树的节点通常和一个完整磁盘页(page)一样大,并且磁盘页的大小限制了一个B树节点可以含有的孩子个数(分支因子),当然这个具体也需要取决于一个关键字相对一页的大小。

为了尽量减少I/O操作,磁盘读取每次都会预读,大小通常为页的整数倍。即使只需要读取一个字节,磁盘也会读取一页的数据(通常为4K)放入内存,内存与磁盘以页为单位交换数据。因为局部性原理认为,通常一个数据被用到,其附近的数据也会立马被用到。

B-Tree:如果一次检索需要访问4个节点,数据库系统设计者利用磁盘预读原理,把节点的大小设计为一个页,那读取一个节点只需要一次I/O操作,完成这次检索操作,最多需要3次I/O(根节点常驻内存)。数据记录越小,每个节点存放的数据就越多,树的高度也就越小,I/O操作就少了,检索效率也就上去了

B+Tree:非叶子节点只存key,大大滴减少了非叶子节点的大小,那么每个节点就可以存放更多的记录,树更矮了,I/O操作更少了。所以B+Tree拥有更好的性能。

什么是索引

索引说白了就是一种数据结构。

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索引的代价

索引也是有代价的:索引文件本身要消耗存储空间,同时索引会加重插入、删除和修改记录时的负担,另外,MySQL在运行时也要消耗资源维护索引,因此索引并不是越多越好。一般两种情况下不建议建索引
第一种情况是表记录比较少
另一种不建议建索引的情况是索引的选择性较低。所谓索引的选择性(Selectivity),是指不重复的索引值(也叫基数,Cardinality)与表记录数(#T)的比值

索引的类别

一、普通索引
二、唯一索引
三、主键索引
四、组合索引

MySQL中使用的索引

MySQL中普遍使用B+Tree做索引,但在实现上又根据聚簇索引和非聚簇索引而不同。

聚集索引与非聚集索引

所谓聚簇索引,就是指主索引文件和数据文件为同一份文件,聚簇索引主要用在Innodb存储引擎中。在该索引实现方式中B+Tree的叶子节点上的data就是数据本身,key为主键。如下图:
这里写图片描述
(t1表)
这里写图片描述
(t2表)
这里写图片描述
(数据库对应的文件)
因为InnoDB的数据文件本身要按主键聚集,所以InnoDB要求表必须有主键(MyISAM可以没有),如果没有显式指定,则MySQL系统会自动选择一个可以唯一标识数据记录的列作为主键,如果不存在这种列,则MySQL自动为InnoDB表生成一个隐含字段作为主键,这个字段长度为6个字节,类型为长整形。

MySQL数据库中MyISAM和InnoDB数据存储引擎

主要区别:
MyISAM是非事务安全型的,而InnoDB是事务安全型的。
MyISAM锁的粒度是表级,而InnoDB支持行级锁定。
MyISAM支持全文类型索引,而InnoDB不支持全文索引。
MyISAM相对简单,所以在效率上要优于InnoDB,小型应用可以考虑使用MyISAM。
MyISAM表是保存成文件的形式,在跨平台的数据转移中使用MyISAM存储会省去不少的麻烦。
InnoDB表比MyISAM表更安全,可以在保证数据不会丢失的情况下,切换非事务表到事务表(alter table tablename type=innodb)。
应用场景:
MyISAM管理非事务表。它提供高速存储和检索,以及全文搜索能力。如果应用中需要执行大量的SELECT查询,那么MyISAM是更好的选择。
InnoDB用于事务处理应用程序,具有众多特性,包括ACID事务支持。如果应用中需要执行大量的INSERT或UPDATE操作,则应该使用InnoDB,这样可以提高多用户并发操作的性能。

补充

主存的存

取过程
当系统需要读取主存时,则将地址信号放到地址总线上传给主存,主存读到地址信号后,解析信号并定位到指定存储单元,然后将此存储单元数据放到数据总线上,供其它部件读取。
写主存的过程类似,系统将要写入单元地址和数据分别放在地址总线和数据总线上,主存读取两个总线的内容,做相应的写操作。
这里可以看出,主存存取的时间仅与存取次数呈线性关系,因为不存在机械操作,两次存取的数据的“距离”不会对时间有任何影响,例如,先取A0再取A1和先取A0再取D3的时间消耗是一样的

磁盘存取原理

当需要从磁盘读取数据时,系统会将数据逻辑地址传给磁盘,磁盘的控制电路按照寻址逻辑将逻辑地址翻译成物理地址,即确定要读的数据在哪个磁道,哪个扇区。为了读取这个扇区的数据,需要将磁头放到这个扇区上方,为了实现这一点,磁头需要移动对准相应磁道,这个过程叫做寻道,所耗费时间叫做寻道时间,然后磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下,这个过程耗费的时间叫做旋转时间。

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