数据库索引原理

浅浅的花香味﹌ 2023-09-24 22:59 21阅读 0赞

数据库索引的作用是做数据的快速检索，而快速检索实现的本质是数据结构。像二叉树、红黑树、AVL树、B树、B+树、哈希等数据结构都可以实现索引，但其中B+树效率最高。

**MySQL数据库索引使用的是B+树。**

**二叉树：**二叉树中，左子树比根节点小，右子树比根节点大，每次寻找目标值都是二分查找的方式，所以二叉树的时间复杂度为O（logn）。但当大量数据发生倾斜的时候，极端情况下，二叉树会形成链表一样的线性结构，其时间复杂度为O（n），降低了查询效率；而且每次从磁盘读取一个节点到内存就进行一次IO，当二叉树深度越深，IO次数就越多，所以综上两点，二叉树不利于做索引。

**红黑树：**红黑树是二叉树的进阶版，当二叉树处于不平衡的状态时，红黑树就会自动左旋右旋节点使二叉树保持基本的平衡状态，也保证了查询效率不会明显地降低。但当大量数据发生倾斜时，红黑树并没有从根本上解决数据倾斜的问题，只是不会像二叉树一样变成线性结构那么夸张。

比如数据库主键递增，主键一般都有上百上千万个，红黑树存在这种倾斜问题，那对查询性能而言也是巨大的消耗，数据库不可能忍受这种毫无意义的等待。

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**AVL树：**AVL树是个绝对的平衡二叉树，所以AVL树不存在二叉树、红黑树的数据倾斜问题。大量的顺序插入不会导致查询性能的降低，这从根本上解决了二叉树、红黑树的数据倾斜问题。**但数据库查询数据的瓶颈在于磁盘 IO， AVL 树是二叉树的一种，每一个树节点只存储了一个数据，随着插入的数据越多，树的深度也越深，意味着IO次数就越多，所以也影响读取的效率。**

这就引入了B树、B+树，一个树节点上尽可能多地存储数据，这样一次磁盘 IO 就可以加载多个数据到内存中，提高查询效率。

**B树：B树又叫平衡多路查找树，一棵m阶的B树有如下性质:**

（1）树中每个结点至多有m个孩子节点（即至多有m-1个关键字）

（2）每个结点中包括“n：记录结点中关键字的个数”、“p0....pn：孩子节点”以及“k1...kn：关键字”。

（3）除根节点外，其他节点至少有ceil（m/2）个孩子结点。（ceil函数：向上取整）

（4）若根节点不是叶子结点，则根节点至少有两个孩子结点。

（5）所有叶子结点都要在同一层上。

**B树要求每个节点不仅包含数据的key值，还有data值。而每页的存储空间有限，如果data比较大的话，会导致每个节点的key存储的较少，当数据量大的时候，同样会导致B树很深，从而增加磁盘的IO次数，进而影响查询效率。**

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**B+树是B树的进阶版，B+树与B树的区别：**

（1）B树中每个根结点既有key又有data数据，而B+树中根节点只有key没有data数据。这样可以存储较多的key，降低B+树的高度，从而减少IO的次数。

（2）B树中叶子结点之间没有关联，而B+树中叶子结点的关键字从小到大排序，叶子结点相互之间有一个引用链路将叶子结点连接起来，像链表一样。

（3）B树查找数据可能不用找到叶子结点就找到数据，而B+树把所有的数据都放在叶子结点上，所以每次查找的次数都相同，B+树查询速度比B树更稳定。

（4）遍历全部结点时，B树要对每一层都进行遍历，而B+树只需要遍历所有的叶子结点即可，这有利于数据库做全表扫描。

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