PG索引类型

PG索引类型

• 索引类型

CREATE INDEX 在一个指定表或者物化视图的指定列上创建一个索引,索引主要用来提高数据库的效率(尽管不合理的使用将导致较慢的效率)

1. btree

选择性越好(唯一值个数接近记录数)的列，越适合b-tree。

当被索引列存储相关性越接近1或-1时，数据存储越有序，范围查询扫描的HEAP PAGE越少。

 

支持多列索引，默认最多32列，编译可改。（通过调整pg_config_manual.h可以做到更大，但是还有另一个限制，indextuple不能超过约1/4的数据块（索引页）大小，也就是说复合索引列很多的情况下，可能会触发这个限制）

支持唯一索引。

索引策略 ： <,<=,=,>=,>

 

PostgreSQL B-Tree是一种变种(high-concurrency B-tree management algorithm)，算法详情请参考src/backend/access/nbtree/README

可以使用pageinspect插件，内窥B-Tree的结构。

 

https://github.com/digoal/blog/blob/master/201605/20160528_01.md

 

组合索引

虽然b-tree多列索引支持任意列的组合查询，但是最有效的查询还是包含驱动列条件的查询。

对于b-tree的多列索引来说，一个查询要扫描索引的哪些部分呢？

从驱动列开始算，按索引列的顺序算到非驱动列的第一个不相等条件为止（没有任何条件也算）。

（WHERE a = 5 AND b >= 42 AND c < 77），从a=5, b=42开始的所有索引条目，都会被扫描。

其他例子

（WHERE b >= 42 AND c < 77），所有索引条目，都会被扫描。只要不包含驱动列，则扫描所有索引条目。

（WHERE a = 5 AND c < 77），a=5的所有索引条目，都会被扫描。

（WHERE a >= 5 AND b=1 and c < 77），从a=5开始的所有索引条目，都会被扫描。

 

1. hash

只有等值查询，并且被索引的列长度很长，可能超过数据库block的1/3时，建议使用hash索引。 PG 10 hash索引会产生WAL，确保了可靠性，同时支持流复制。PG 10 以前的版本，不建议使用hash index，crash后需要rebuild，不支持流复制。

 

不支持多列索引。

不支持唯一索引。

索引策略 ：=

 

原理src/backend/access/hash/README

 

应用场景

hash索引存储的是被索引字段VALUE的哈希值，只支持等值查询。

hash索引特别适用于字段VALUE非常长（不适合b-tree索引，因为b-tree一个PAGE至少要存储3个ENTRY，所以不支持特别长的VALUE）的场景，例如很长的字符串，并且用户只需要等值搜索，建议使用hash index。

PG10之后的版本hash index会写wal日志了，同时支持流复制。

1. gist

GIST是PG的一种通用索引接口，适合各种数据类型，特别适合异构的类型，例如几何类型，空间类型，范围类型等。

 

支持多列索引，默认最多32列，编译可改。

不支持唯一索引。

索引策略 ：两维R-tree策略

            严格地在...左边,

            不扩展到...右边,

            重叠,

            不延伸到...左边,

            严格地在...右边,

            相同,

            包含,

            包含于,

            不扩展到...上面,

            严格地在...下面,

            严格地在...上面,

            不扩展到...下面

独有参数 BUFFERING

            建立索引时决定是否缓存建立的方法.使用OFF 关闭这个功能,ON 打开这个功         能. 使用AUTO 它初始化时是关闭的,但是当索引的达到effective_cache_size将          会打开.默认使用AUTO.

 

GiST是一个通用的索引接口，可以使用GiST实现b-tree, r-tree等索引结构。

不同的类型，支持的索引检索也各不一样。例如：

1、几何类型，支持位置搜索（包含、相交、在上下左右等），按距离排序。

2、范围类型，支持位置搜索（包含、相交、在左右等）。

3、IP类型，支持位置搜索（包含、相交、在左右等）。

4、空间类型（PostGIS），支持位置搜索（包含、相交、在上下左右等），按距离排序。

5、标量类型，支持按距离排序。

 

 

Generalized Search Tree，或者叫归纳树，用于解决一些b-tree, gin难以解决的数据减少问题，例如，范围是否相交，是否包含，地理位置中的点面相交，或者按点搜索附近的点，当然，它能实现的功能还不仅于此。

 

GiST的灵魂是聚集，所以首先是聚集的动作，聚集后，在单个组内包含的KEY+HEAP行号会放到单个INDEX PAGE中。

聚集的范围作为一级结构，存储在GiST的entry 中，便于检索。

既然灵魂是聚集，那么GiST的性能就和他的聚集算法息息相关，PostgreSQL把这个接口留给了用户，用户在自定义数据类型时，如果要自己实现对应的GIST索引，那么就好好考虑这个类型聚集怎么做吧。

PostgreSQL内置的range, geometry等类型的GIST已经帮你做好了，你只需要做新增的类型，比如你新增了一个存储人体结构的类型，存储图片的类型，或者存储X光片的类型，怎么快速检索它们，那就是你要实现的GIST索引聚集部分了。

 

1. spgist

不支持多列索引。

不支持唯一索引。

索引策略 ： 点策略

            严格在左边,

            严格在右边,

            相同,

            包含,

            严格在下面,

            严格在上面

 

Space-Partitioned GIST

可以理解为GiST的扩展，有以下特点

1. nodes无交叉，（GiST是有交叉的，只是做了聚集，但是nodes（不同的index page)包含的内容是有交叉的）。

2. 索引深度是可变的

 

应用场景

1、几何类型，支持位置搜索（包含、相交、在上下左右等），按距离排序。

2、范围类型，支持位置搜索（包含、相交、在左右等）。

3、IP类型，支持位置搜索（包含、相交、在左右等）。

 

1. gin

与btree相反，选择性越差，采用GIN索引效率越高。

 

支持多列索引，默认最多32列，编译可改。

不支持唯一索引。

索引策略 ： 数组策略

            重叠,

            包含,

            包含于,

            相等

独有参数 FASTUPDATE

            快速更新技术.它是一个布尔类型参数:ON使能快速更新,OFF关闭这个功能

 

GIN的意思是通用倒排索引(Generalized Inverted Index)。 GIN被设计用于这样一种情况：被索引项是组合值，而被索引处理的查询需要搜索出现在这些组合值中的元素值。比如，项目可能是文档，查询可以是搜索包含多个特定单词的文档。

更新效率较差，比较适合静态数据。

 

gin索引，是将列(比如数组，全文检索类型)中的值拿出来，再存储到树形结构中（类似B+TREE，值+行号s），对于高频值，为了减少树的深度，行号s会存储在另外的页中。

由于GIN存储的是元素索引，所以当一条记录被插入或更新时，可能涉及到很多个元素，对GIN索引来说，就会涉及到很多ITEM的变更。

为了提升插入，更新，删除的性能，PostgreSQL支持类似MySQL的索引组织表类似的buffer ，先写入BUFFER，然后再合并到树里去。

而相比MySQL索引组织表更优一些的地方是，查询不会堵塞合并，也不会堵塞写入。因为查询时不需要等待BUFFER中的数据合并到树中，而是直接查询BUFFER（如果BUFFER非常大，可能查询速度会受到一定的影响）。

用户可通过参数来控制BUFFER的大小，GIN会在BUFFER增长到一定程度后自动进行合并。或者等VACUUM来合并。

所以一个完整的GIN索引长这样

使用注意

1. 为了提高更新速度，使用了FASTER UPDATE技术，当BUFFER很大时（可自己设置），查询速度可能会较慢。所以权衡插入和查询，建议设置合理的BUFFER大小。

2. 仅支持bitmap查询，也就是说取到所有的行号之后，排序，然后再去检索，好处显然是可以减少随机的HEAP PAGE扫描，但是坏处是，当涉及的行非常多（比如每行都包含了某个元素）很大时，排序耗费资源较多，耗时较长，从执行到获得第一条的时间较长，如果用户使用了LIMIT，也要等排序结束。

 

应用场景

1、当需要搜索多值类型内的VALUE时，适合多值类型，例如数组、全文检索、TOKEN。（根据不同的类型，支持相交、包含、大于、在左边、在右边等搜索）

2、当用户的数据比较稀疏时，如果要搜索某个VALUE的值，可以适应btree_gin支持普通btree支持的类型。（支持btree的操作符）

3、当用户需要按任意列进行搜索时，gin支持多列展开单独建立索引域，同时支持内部多域索引的bitmapAnd, bitmapOr合并，快速的返回按任意列搜索请求的数据。

 

gin多列索引支持任意列的组合查询。并且任意查询条件的查询效率都是一样的。

使用btree_gin插件，可以对任意标量数据类型创建GIN索引。

 

注意，目前gin还不支持sort，所以如果你有大数据量的ORDER BY limit 小数据输出需求，建议还是使用b-tree。

 

1. BRIN

当数据与堆存储线性相关性很好时，可以采用BRIN索引。

 

支持多列索引，默认最多32列，编译可改。

对插入性能影响小于Btree索引。

brin多列索引支持任意列的组合查询。并且任意查询条件的查询效率都是一样的。

如果有brin组合查询的必要(比如多个与ctid线性相关的列的范围查询，无所谓线性的方向)，任何时候都建议使用BRIN的multi column index，除非想针对不同的列使用不同的pages_per_range（比如有些列10个块的范围和另外一些列100个块的范围覆盖差不多，那么建议它们使用不同的pages_per_range）

 

BRIN 索引是块级索引，有别于B-TREE等索引，BRIN记录并不是以行号为单位记录索引明细，而是记录每个数据块或者每段连续的数据块的统计信息。因此BRIN索引空间占用特别的小，对数据写入、更新、删除的影响也很小。

BRIN属于LOSSLY索引，当被索引列的值与物理存储相关性很强时，BRIN索引的效果非常的好。

例如时序数据，在时间或序列字段创建BRIN索引，进行等值、范围查询时效果很棒。

 

 

1. BLOOM

bloom filter是一个有损过滤器，使用有限的比特位存储一些唯一值集合所产生的bits。

通过这些bits可以满足这样的场景需求，给定一个值，判断这个值是否属于这个集合。

由于bloom filter是有损过滤器，并且真的不一定为真，但是假的一定为假。

目前已实现的场景是，支持=查询，但是这个=会包含一些假的值，所以需要recheck。

 

CREATE EXTENSION bloom;

CREATE INDEX score_idx ON score USING bloom(s1,s2,s3,s4);

SELECT * FROM score WHERE s1 = 86 AND s4 = 70;

 

对于Bloom索引的大小和精度有一个取舍。选择大的索引会花更长的时间去扫描，但是选择较少的列数以供后续检测。选择小的索引会使扫描变快但是选择的用于检测的行数较多。

使用Bloom索引的优势是与利用过滤器选择性的查询位数紧密相关的。如果选择性太低，例如只有一列用于查询，或者有太少的位数被分配到索引列中，数据库可能会选择回归到扫描整个表。

这个效果对于不同类型的硬盘（例如SSD和机械硬盘）来说差别很大。使用bloom索引的优势在SSD上被增强了，随机访问惩罚在SSD上会降低。

 

 

1. btree_gist

对gist索引的补充扩展，支持标量类型建立btree_gist索引和排序

CREATE EXTENSION btree_gist;

1. btree_gin

对GIN的补充扩展，支持标量数据

CREATE EXTENSION btree_gin;

直接使用原先的gin索引的定义方法即可定义标量数据的GIN索引。

create index idx_tbl_tmp_lpj_gin_c2 on tbl_tmp_lpj  using gin(c2);

1. rum（第三方索引插件）

https://github.com/postgrespro/rum

 

RUM 参考了GIN的实现，并改进了GIN在全文检索时的一些弱点，不过建立索引和数据变更的时间比GIN长。

rum检索支持近似度排行，通过相似度分值表示文本和检索条件的相似度。

 

 

 

1. zombodb（第三方索引插件）

zombodb是PostgreSQL与ElasticSearch结合的一个索引接口，可以直接读写ES。

https://github.com/zombodb/zombodb

 

应用场景

与ES结合，实现SQL接口的搜索引擎，实现数据的透明搜索。

 

1. 用户自定义索引

难度较大，暂不考虑。

 

下面是其他的一些第三方索引

 

bitmap索引是Greenplum的索引接口，类似GIN倒排，只是bitmap的KEY是列的值，VALUE是BIT（每个BIT对应一行），而不是行号list或tree。

 

varbitx是阿里云RDS的扩展包，丰富bit类型的函数接口，实际上并不是索引接口，但是在PostgreSQL中使用varbitx可以代替bitmap索引，达到同样的效果。

 

• 验证性能

1. hash索引和b-tree索引在等值检索时的性能差异

 

 

 

结论等值检索上hash索引效率高于btree索引，不过hash索引因为不记录wal日志不建议使用。

PG10的hash索引会写wal日志。

 

• 使用场景

1. 全文搜索

CREATE INDEX name ON table USING gist(column);

创建以GiST（通用搜索树）为基础的索引，column可以是tsvector or tsquery 类型。

CREATE INDEX name ON table USING gin(column);

创建以GIN（倒排索引）为基础的索引，column必须是tsvector类型。

 

 

GiST索引是有损耗的，这意味着该索引可能会产生错误的匹配，并且有必要检查实际的表行消除这种错误匹配（PostgreSQL需要时自动执行）。

GIN索引并没有损耗标准查询，但它们的性能取决于对数独特的单词数。（然而，GIN索引只存储tsvector值的字（词），而不是它们的权重标签。因此，当使用涉及权重的查询时，需要复查一个表行。）

 

在选择要使用的索引类型时，GiST或者GIN考虑这些性能上的差异：

• GIN索引查找比GiST快约三倍
• GIN索引建立比GIST需要大约三倍的时间。
• GIN索引更新比GiST索引速度慢，但如果快速更新支持无效，则慢了大约10倍
• GIN索引比GiST索引大两到三倍

一般来说，GIN索引对静态数据是最好的，因为查找速度很快。对于动态数据， GiST索引更新比较快。具体而言，GiST索引非常适合动态数据，并且如果独特的字（词）在100,000以下，则比较快，而GIN索引将处理100,000+词汇，但是更新比较慢。

 

1. 模糊查询

模糊查询，是一个需求量很大，同时也是一个对数据库来说非常难缠的需求。

对于前模糊(like '%xxx')，可以使用倒排B-TREE索引解决，对于后模糊(like 'xxx%')，可以使用B-TREE索引解决。

B-TREE索引通常支持的查询包括 > , < , = , <= , >= 以及排序。 目前大多数数据库都支持B-TREE索引方法。

但是对于前后模糊(like '%xxxx%')，对于以及前后模糊的正则表达式(~ '.ab?cd[e-f]{1,10}-0.')，则很多数据库无从下手，无法优化，只能全表扫描，对每条记录进行单独的处理。

PostgreSQL数据库的开放性使得这一切成为了可能，在数据库中进行前后模糊，正则表达查询的索引检索成为可能。

原因是PostgreSQL开放的索引接口，数据类型。（比如支持GIN, GIST, RUM, 自定义索引方法，你可以认为这是PG的独门绝技之一，目前还没有其他数据库支持这一特性 2016-12-31）。

前后模糊：

gin, gist, rum

正则表达：

gin, gist

 

• 执行计划改变插件pg_hint_plan

https://github.com/ossc-db/pg_hint_plan/releases

 

安装

# export PATH= /home/postgres/pgsql/bin:$PATH

# gmake clean 

# gmake 

# gmake install 

 

vi $PGDATA/postgresql.conf  

shared_preload_libraries = 'pg_hint_plan'  

pg_hint_plan.enable_hint = on  

pg_hint_plan.debug_print = on  

pg_hint_plan.message_level = log 

 

postgres=# create extension pg_hint_plan; 

 

 

 

• 表达式索引

表达式索引也是PostgreSQL特有的特性，例如用户的数据需要转换后查询，例如某些设备上传的地理坐标的坐标系不符合国标，需要转换为国内的空间坐标来查询。

那么可以针对这类字段，创建表达式索引，将转换过程放到表达式中，查询时也使用表达式进行查询。

create index idx_t_express_1 on t_express using gist ( ( ST_Transform(pos, 26986) ) );    

select * from t_express order by ST_Transform(pos, 26986) <-> ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT(108.50000000001 22.8)', 4326), 26986) limit 10; 

 

• 函数索引

必须是IMMUTABLE的函数，STABLE和VOLATILE无法创建索引

• 部分索引

应对常用组合筛选条件或是只对热数据加索引

create index idx_test_id on test(id) where active;    

select * from test where active and id=?;  -- 可以使用部分索引    

 

• 多列索引

多列索引每个列的operator class必须和实际查询匹配，在创建索引时可以指定。

b-tree, gin都支持任意组合查询。

但是b-tree推荐使用包含驱动列的查询条件，如果查询条件未包含驱动列，则需要扫描整个复合索引。

而gin则通吃，可以输入任意组合列作为查询条件，并且效率一致。

例如

index on (a,b,c)

b-tree 对于包含驱动列a查询条件的SQL，效率可能比较好，不包括a查询条件的SQL，即使走索引，也要扫描整个索引的所有条目。

而gin 则无论任何查询条件，效果都一样。

仅仅当多列组合查询时，gin效率可能比不上b-tree的带驱动列的查询（因为b-tree索引不需要bitmapAnd，而gin需要内部bitmapAnd）。

 

 

• PG的数据扫描方法

PostgreSQL中数据的扫描方法很多，常见的有：

1、全表顺序扫描(seqscan)

2、索引+回表扫描(index scan)

3、索引扫描(index only scan)

4、bitmap扫描(bitmap index + block sorted heap scan)

那么对于同一张表，返回同样的记录数，不同的索引，效率有什么差别呢？

回答是和数据的存储线性相关性有关。(PostgreSQL的bitmap scan就是用来解这个问题的)

除了考虑数据存储的离散性，索引页本身的组织也是离散的

 

• 读取数据页面内容的插件pageinspect

PG自带，可用于读取索引页信息，用于调试，仅超级用户使用。

详见官方文档。

 

• 参考文档

https://yq.aliyun.com/articles/68244#1

https://github.com/digoal/blog/blob/master/201809/20180903_03.md

https://github.com/digoal/blog/blob/master/201602/20160203_01.md?spm=a2c4e.11153940.blogcont68244.70.29035625nnzqPA&file=20160203_01.md

https://github.com/ossc-db/pg_hint_plan/releases

https://github.com/digoal/blog/blob/master/201804/20180402_01.md

https://github.com/digoal/blog/blob/master/201706/20170627_01.md