19.Index Access Methods
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发布时间：2024-10-23 19:43
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时间：2024-11-08 11:42
索引是一种用于加速数据访问的数据库对象。它们通过创建辅助结构实现，以实现快速的数据查找，同时可以用于执行完整性约束。PostgreSQL提供六种内置的索引访问方法。为了增加新的索引类型，PostgreSQL允许通过创建扩展来实现，如contrib下的Bloom。尽管不同索引类型存在差异，它们的核心功能是将键值与堆元组进行匹配，通过6字节的tuple ID（如itempointer）进行索引。这使得在知道特定键值或部分信息时，可以快速读取包含所需数据的元组，而无需扫描整个表。
为了保证新的索引方法可以通过扩展方式加入，PostgreSQL提供了一个统一的索引引擎。该引擎的主要目标是检索和处理特定访问方法返回的TIDs。索引引擎参与优化阶段构建执行计划，评估各种执行路径时，优化器需要了解访问方法的属性，包括是否可以按照要求的顺序返回数据、是否需要单独的排序操作、是否可以立即返回前几条数据或需要等待所有结果。除了优化器，索引创建过程还需要回答更多问题，如访问方法是否支持多列索引、该索引是否能保证唯一性。
访问方法必须实现一个特定的接口来声明其特性和属性。这个接口用于执行以下任务：构建和管理索引、在页面间分配索引条目、执行Vacuum算法、获取锁以保证并发访问、生成WAL日志以及通过键搜索数据。此外，访问方法还负责评估索引扫描的代价估计。访问方法的可扩展性还体现在添加新数据类型的能力上，尽管访问方法对此并不了解。访问方法必须定义其自己的接口来适配任意的数据类型，并实现特定操作符和函数的接口，称为operator class。
每个访问方法由多个operator class支持，这些operator class定义了操作符和函数，用于处理特定数据类型。operator class存放在pg_opclass系统表中，根据pg_am的oid，可以看到每种访问方法对应的不同函数和操作符。默认情况下，我们通常不需要关注operator class，只需创建一个使用某些操作符的索引即可。例如，对于text类型的B-TREE operator class，通常都有一个默认的op class。
为特定访问方法和数据类型定义的operator class必须包含一组操作符，这些操作符接受对应类型的参数并实现访问方法的语义。例如，B-TREE访问方法定义了五个比较运算符，任何btree operator class都必须包含这五个运算符。这些操作符的语义通常映射到特定的策略（如小于、小于等于等），并且可以有不同的名字。例如，text_pattern_ops操作符用于解决支持~~操作符的问题，它对应于LIKE。
为了加速访问速度，索引表达式只能依赖于堆元组值，并且必须不受其他数据或配置参数的影响。这意味着如果表达式中包含函数，这些函数必须是IMMUTABLE的，否则索引扫描可能会返回不同的结果。除了常规操作符，op class还可以提供访问方法所需的支持函数。例如，Btree访问方法定义了五个支持函数，其中一个是强制性的，其他的都可以不存在。
每个operator class属于某个operator family，这些op family在pg_opfamily表中可以查看。将各种op class分组到一个op family中，当索引用于涉及不同类型的值的条件时，规划器可以不进行类型转换，从而提高效率。
索引引擎接口与表的访问方法类似，pg_am表的amhandler列包含了实现接口的函数名称。这些函数填充接口结构中的占位符，并负责完成与索引访问相关的任务。索引引擎接口分为三类：访问方法属性、特定索引属性、列级别的索引属性。访问方法属性，如can order（支持指定顺序的数据获取）、can unique（支持唯一主键约束）、can multi col（支持多列索引）等。这些属性定义了访问方法的特性，影响索引的创建和使用。
通过了解访问方法的属性，索引创建者可以更好地优化索引设计，以提高查询性能。例如，can order属性表明访问方法是否支持获取特定顺序的数据，这对于需要按照特定顺序返回数据的查询非常有用。can unique属性表明访问方法是否支持唯一性约束，这对于创建唯一或主键索引至关重要。can multi col属性表明访问方法是否支持多列索引，这对于处理复合主键或其他复杂查询场景至关重要。通过这些属性，索引引擎可以更高效地构建执行计划，选择最佳的索引访问方法，从而加快查询速度。
总之，索引的正确设计和使用对于提高数据库性能至关重要。通过理解不同的索引访问方法、operator class和属性，数据库管理员和开发人员可以构建高效、灵活的索引策略，以满足复杂查询需求，同时优化数据存储和访问效率。
