資料庫索引如何顯著提高查詢效能？

資料庫索引在資料管理中的重要性

在資料管理領域，索引在最佳化資料庫效能方面起著至關重要的作用，尤其是在資料集規模不斷增長的情況下。本文深入探討資料庫索引的基礎知識，提供一個與特定資料庫平台無關的全面解釋。

索引為何至關重要

儲存在基於磁碟的儲存裝置上的資料被組織成資料區塊。每個區塊包含實際資料的一部分和指向後續區塊的指標。與鍊錶不同，磁碟區塊不需要連續儲存。

根據非排序欄位搜尋記錄時，需要進行線性搜索，平均需要 (N 1)/2 次區塊存取。對於非鍵字段（缺少唯一條目），必須掃描整個表空間，需要 N 次區塊存取。

相反，排序欄位允許進行二分搜索，這只需要 log2 N 次區塊存取。此外，對於非鍵字段，一旦遇到較高的值，就可以終止搜索，從而減少所需的區塊訪問次數。

什麼是資料庫索引？

索引是一種根據多個欄位對資料表中記錄進行排序的技術。為特定欄位建立一個索引，其中包含欄位值和指向相應記錄的指標。然後將這個索引結構排序，以便進行二分搜尋。

但是，索引會引入額外的磁碟空間開銷，因為它們會儲存一個包含欄位值和記錄指標的單獨表。當對錶中的多個欄位進行索引時，這個空間需求變得非常重要，尤其是在使用 MyISAM 引擎時，索引檔案可能超過檔案系統限制。

索引的工作原理

讓我們考慮一個範例資料庫模式，其中一個表格包含五個欄位：id（主鍵）、firstName、lastName 和 emailAddress。我們假設有 500 萬行，每行固定大小為 204 字節，區塊大小為 1024 位元組。

場景 1：排序欄位與未排序欄位

• 沒有索引的情況下，對 id 欄位（已排序且為鍵欄位）進行線性搜尋大約需要 500,000 次區塊存取。
• 使用索引的情況下，對 id 欄位進行二分搜尋將區塊存取次數減少到大約 20 次。
• 對於 firstName 欄位（未排序且非鍵欄位），線性搜尋需要 1,000,000 次區塊存取。

場景 2：索引

• firstName 欄位上的索引會建立一個較小的表，記錄大小為 54 位元組。
• 索引表大約需要 277,778 個區塊，而原始表需要 1,000,000 個區塊。
• 對索引進行二分搜尋需要 19 次區塊訪問，然後還需要 1 次區塊訪問來檢索實際記錄，總共 20 次區塊訪問。

何時使用索引

索引可以提高經常用於搜尋條件的欄位的查詢效能。但是，在決定是否為欄位建立索引時，請務必考慮以下幾點：

• 避免對僅輸出欄位進行索引。
• 確保索引欄位具有高基數，因為低基數可能會抵消索引的有效性。
• 考慮過度索引可能帶來的檔案系統大小限制。

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