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在數(shù)據(jù)庫中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計的重要性不言而喻，外鍵就是其中一個關(guān)鍵的設(shè)計元素。外鍵是一種在一個表中創(chuàng)建的關(guān)系，該關(guān)系指向另一個表中的主鍵。這種關(guān)系是通過在表之間相應(yīng)的字段定義的約束來實現(xiàn)的。外鍵的使用有很多好處，包括確保數(shù)據(jù)完整性和減少數(shù)據(jù)冗余。但是，對于一個海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，如果不對外鍵字段建立索引，那么查詢操作的效率將會受到很大的影響。因此，本文將對外鍵數(shù)據(jù)庫索引的創(chuàng)建方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
創(chuàng)新互聯(lián)成立以來不斷整合自身及行業(yè)資源、不斷突破觀念以使企業(yè)策略得到完善和成熟，建立了一套“以技術(shù)為基點，以客戶需求中心、市場為導(dǎo)向”的快速反應(yīng)體系。對公司的主營項目，如中高端企業(yè)網(wǎng)站企劃 / 設(shè)計、行業(yè) / 企業(yè)門戶設(shè)計推廣、行業(yè)門戶平臺運營、app軟件開發(fā)公司、手機網(wǎng)站制作、微信網(wǎng)站制作、軟件開發(fā)、達(dá)州托管服務(wù)器等實行標(biāo)準(zhǔn)化操作，讓客戶可以直觀的預(yù)知到從創(chuàng)新互聯(lián)可以獲得的服務(wù)效果。
一、外鍵概述
外鍵是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的一個重要概念。它是用來定義表之間關(guān)系的一種約束。在主表中，外鍵創(chuàng)建指向從表中與之關(guān)聯(lián)的主鍵。也就是說，外鍵是保證關(guān)系完整性、實體完整性獲取數(shù)據(jù)一致性的一個重要方式。
例如，在一個考試管理系統(tǒng)中，如果要記錄考生的分?jǐn)?shù)，那么分?jǐn)?shù)信息就需要與考生信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。此時，在分?jǐn)?shù)表中就需要設(shè)置一個外鍵關(guān)聯(lián)考生表中的主鍵，所以分?jǐn)?shù)表的“考生ID”字段就是外鍵。
二、外鍵索引的必要性
在數(shù)據(jù)庫的實際應(yīng)用中，有多個表之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。除了在主表中建立外鍵約束以外，還需要在從表中加入索引，以保證數(shù)據(jù)庫操作的性能。對于一個大規(guī)模的系統(tǒng)，訪問數(shù)據(jù)的效率的重要性不言而喻，這時候就需要對外鍵字段進(jìn)行索引優(yōu)化。
外鍵索引的建立可以加快查詢速度，并在修改主鍵時自動更新關(guān)聯(lián)外鍵的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的一致性。如果不對外鍵字段創(chuàng)建索引，那么在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時需要掃描整個表，查詢效率將會非常低下。
三、外鍵索引的創(chuàng)建方法
1. 創(chuàng)建外鍵約束
在建立外鍵索引之前，首先需要建立外鍵約束，也就是在從表中定義一個外鍵，它指向主表的主鍵。創(chuàng)建外鍵約束的SQL語句格式如下：
“`
alter table 從表 add constrnt 命名規(guī)則 foreign key(外鍵字段名) references 主表(主鍵字段名)
“`
2. 在外鍵字段上創(chuàng)建索引
創(chuàng)建外鍵約束之后，需要在對應(yīng)的外鍵字段上創(chuàng)建索引。這個索引可以是單列索引，也可以是多列索引。一般情況下，外鍵字段只需要建立單列索引即可。
SQL語句格式如下：
“`
create index index_name on table_name(column_name);
“`
其中，index_name是自己為索引定義的名稱，table_name是表名，column_name是需要為其創(chuàng)建索引的外鍵字段。
3. 檢查索引
創(chuàng)建索引之后，需要測試索引是否正常工作?？梢酝ㄟ^執(zhí)行一個查詢操作來檢查索引是否生效。如果在查詢時可以看到使用了預(yù)期的索引，那么說明索引創(chuàng)建成功。
四、需要注意的事項
1. 不要為所有的外鍵都創(chuàng)建索引。外鍵索引對性能的優(yōu)化有限，因為它們只涉及到一小部分?jǐn)?shù)據(jù)。因此建議只為那些非常頻繁使用的外鍵字段創(chuàng)建索引。
2. 外鍵索引的創(chuàng)建應(yīng)該根據(jù)實際業(yè)務(wù)需要進(jìn)行，并進(jìn)行性能測試以確定其是否真正有用。
3. 外鍵約束的創(chuàng)建應(yīng)該與其他約束同時進(jìn)行。在創(chuàng)建表時應(yīng)該注意約束的順序，因為引用其他表中的主鍵時需要先創(chuàng)建好被引用的表。
外鍵索引可以提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢性能，確保數(shù)據(jù)的一致性，因為索引可以使查找特定數(shù)據(jù)更快，減少數(shù)據(jù)冗余。如果需要在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中使用外鍵，那么就必須理解外鍵的概念，并為外鍵字段創(chuàng)建適當(dāng)?shù)乃饕齺硖岣咝阅堋?/p>
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一、概述數(shù)據(jù)庫索引，是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中一個排序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以協(xié)助快速查詢、更新數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)。索引的實現(xiàn)通常使用B樹及其變種B+樹。在數(shù)據(jù)之外，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還維護(hù)著滿足特定查找算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以某種方式引用(指向)數(shù)據(jù)，這樣就可以在這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)高級查找算法。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是索引。其實說穿了，索引問題就是一個查找問題。二、索引的原理當(dāng)我們的業(yè)務(wù)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)時，查找數(shù)據(jù)的效率問題也就隨之而來，所以我們可以通過為表設(shè)置索引，而為表設(shè)置索引要付出代價的：一是增加了數(shù)據(jù)庫的存儲空間，二是在插入和修改數(shù)據(jù)時要花費較多的時間(因為索引也要隨之變動)。
上圖展示了一種可能的索引方式。左邊是數(shù)據(jù)表，一共有兩列七條記錄，最左邊的是數(shù)據(jù)記錄的物理地址(注意邏輯上相鄰的記錄在磁盤上也并不是一定物理相鄰的)。為了加快Col2的查找，可以維護(hù)一個右邊所示的二叉查找樹，每個節(jié)點分別包含索引鍵值和一個指向?qū)?yīng)數(shù)據(jù)記錄物理地址的指針，這樣就可以運用二叉查找在O(log2n)的復(fù)雜度內(nèi)獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)。索引是建立襪肢在數(shù)據(jù)庫表中的某些列的上面。在創(chuàng)建索引的時候，應(yīng)該考慮在哪些列上可以創(chuàng)建索引，在哪些列上不能創(chuàng)建索引。一般來說，應(yīng)該在這些列上創(chuàng)建索引：在經(jīng)常需要搜索的列上，可以加快搜索的速度;在作為主鍵的列上，強制該列的唯一性和組織表中數(shù)據(jù)的排列結(jié)構(gòu);在經(jīng)常用在連接的列上，這些列主要是一些外鍵，可以加快連接的速度;在經(jīng)常需要根據(jù)范圍進(jìn)行搜索的列上創(chuàng)建索引，因為索引已經(jīng)排序，其指定的范圍是連續(xù)的;在經(jīng)常需要排序的列上創(chuàng)建索引，因為索引已經(jīng)排序，這樣查詢可以利用索引的排序，加快排序查詢時間;在經(jīng)常使用在WHERE子句中的列上面創(chuàng)建索引，加快條件的判斷速度。創(chuàng)建索引可以大大提高系統(tǒng)的性能之一，通過創(chuàng)建唯一性索引，可以保證數(shù)據(jù)庫表中每一行數(shù)據(jù)的唯一性。第二，可以大大加快數(shù)據(jù)的檢索速度，這也是創(chuàng)建索引的最主要的原因。第三，可以加速表和表之間的連接，特別是在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的參考完整性方面特別有意義。第四，在使用分組和排序子句進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索時，同樣可以顯著減少查詢中分組和排序的時間。第五，通過使用晌裂索引，可以在查詢的過程中，使用優(yōu)化隱藏器，提高系統(tǒng)的性能。也許會有人要問：增加索引有如此多的優(yōu)點，為什么不對表中的每一個列創(chuàng)建一個索引呢?因為，增加索引也有許多不利的方面。創(chuàng)建索引的弊端之一，創(chuàng)建索引和維護(hù)索引要耗費時間，這種時間隨著數(shù)據(jù)量的增加而增加。第二，索引需要占物理空間，除了數(shù)據(jù)表占數(shù)據(jù)空間之外，每一個索引還要占一定的物理空間，如果要建立聚簇索引，那么需要的空間就會更大。第三，當(dāng)對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除和修改的時候，索引也要動態(tài)的維護(hù)，這樣就降低了數(shù)據(jù)的維護(hù)速度。同樣，對于有些列不應(yīng)告謹(jǐn)世該創(chuàng)建索引。一般來說，不應(yīng)該創(chuàng)建索引的的這些列具有下列特點：之一，對于那些在查詢中很少使用或者參考的列不應(yīng)該創(chuàng)建索引。這是因為，既然這些列很少使用到，因此有索引或者無索引，并不能提高查詢速度。相反，由于增加了索引，反而降低了系統(tǒng)的維護(hù)速度和增大了空間需求。第二，對于那些只有很少數(shù)據(jù)值的列也不應(yīng)該增加索引。這是因為，由于這些列的取值很少，例如人事表的性別列，在查詢的結(jié)果中，結(jié)果集的數(shù)據(jù)行占了表中數(shù)據(jù)行的很大比例，即需要在表中搜索的數(shù)據(jù)行的比例很大。增加索引，并不能明顯加快檢索速度。第三，對于那些定義為text, image和bit數(shù)據(jù)類型的列不應(yīng)該增加索引。這是因為，這些列的數(shù)據(jù)量要么相當(dāng)大，要么取值很少。第四，當(dāng)修改性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢索性能時，不應(yīng)該創(chuàng)建索引。這是因為，修改性能和檢索性能是互相矛盾的。當(dāng)增加索引時，會提高檢索性能，但是會降低修改性能。當(dāng)減少索引時，會提高修改性能，降低檢索性能。因此，當(dāng)修改性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢索性能時，不應(yīng)該創(chuàng)建索引。三、索引的類型根據(jù)數(shù)據(jù)庫的功能，可以在數(shù)據(jù)庫設(shè)計器中創(chuàng)建三種索引：唯一索引、主鍵索引和聚集索引。唯一索引唯一索引是不允許其中任何兩行具有相同索引值的索引。當(dāng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中存在重復(fù)的鍵值時，大多數(shù)數(shù)據(jù)庫不允許將新創(chuàng)建的唯一索引與表一起保存。數(shù)據(jù)庫還可能防止添加將在表中創(chuàng)建重復(fù)鍵值的新數(shù)據(jù)。例如，如果在employee表中職員的姓(lname)上創(chuàng)建了唯一索引，則任何兩個員工都不能同姓。主鍵索引數(shù)據(jù)庫表經(jīng)常有一列或列組合，其值唯一標(biāo)識表中的每一行。該列稱為表的主鍵。在數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖中為表定義主鍵將自動創(chuàng)建主鍵索引，主鍵索引是唯一索引的特定類型。該索引要求主鍵中的每個值都唯一。當(dāng)在查詢中使用主鍵索引時，它還允許對數(shù)據(jù)的快速訪問。聚集索引在聚集索引中，表中行的物理順序與鍵值的邏輯(索引)順序相同。一個表只能包含一個聚集索引。如果某索引不是聚集索引，則表中行的物理順序與鍵值的邏輯順序不匹配。與非聚集索引相比，聚集索引通常提供更快的數(shù)據(jù)訪問速度。四、局部性原理與磁盤預(yù)讀由于存儲介質(zhì)的特性，磁盤本身存取就比主存慢很多，再加上機械運動耗費，磁盤的存取速度往往是主存的幾百分分之一，因此為了提高效率，要盡量減少磁盤I/O。為了達(dá)到這個目的，磁盤往往不是嚴(yán)格按需讀取，而是每次都會預(yù)讀，即使只需要一個字節(jié)，磁盤也會從這個位置開始，順序向后讀取一定長度的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存。這樣做的理論依據(jù)是計算機科學(xué)中著名的局部性原理：當(dāng)一個數(shù)據(jù)被用到時，其附近的數(shù)據(jù)也通常會馬上被使用。程序運行期間所需要的數(shù)據(jù)通常比較集中。由于磁盤順序讀取的效率很高(不需要尋道時間，只需很少的旋轉(zhuǎn)時間)，因此對于具有局部性的程序來說，預(yù)讀可以提高I/O效率。預(yù)讀的長度一般為頁(page)的整倍數(shù)。頁是計算機管理存儲器的邏輯塊，硬件及操作系統(tǒng)往往將主存和磁盤存儲區(qū)分割為連續(xù)的大小相等的塊，每個存儲塊稱為一頁(在許多操作系統(tǒng)中，頁得大小通常為4k)，主存和磁盤以頁為單位交換數(shù)據(jù)。當(dāng)程序要讀取的數(shù)據(jù)不在主存中時，會觸發(fā)一個缺頁異常，此時系統(tǒng)會向磁盤發(fā)出讀盤信號，磁盤會找到數(shù)據(jù)的起始位置并向后連續(xù)讀取一頁或幾頁載入內(nèi)存中，然后異常返回，程序繼續(xù)運行。五、B樹和B+樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、B樹B樹中每個節(jié)點包含了鍵值和鍵值對于的數(shù)據(jù)對象存放地址指針，所以成功搜索一個對象可以不用到達(dá)樹的葉節(jié)點。成功搜索包括節(jié)點內(nèi)搜索和沿某一路徑的搜索，成功搜索時間取決于關(guān)鍵碼所在的層次以及節(jié)點內(nèi)關(guān)鍵碼的數(shù)量。在B樹中查找給定關(guān)鍵字的方法是：首先把根結(jié)點取來，在根結(jié)點所包含的關(guān)鍵字K1,…,kj查找給定的關(guān)鍵字(可用順序查找或二分查找法)，若找到等于給定值的關(guān)鍵字，則查找成功;否則，一定可以確定要查的關(guān)鍵字在某個Ki或Ki+1之間，于是取Pi所指的下一層索引節(jié)點塊繼續(xù)查找，直到找到，或指針Pi為空時查找失敗。2、B+樹B+樹非葉節(jié)點中存放的關(guān)鍵碼并不指示數(shù)據(jù)對象的地址指針，非也節(jié)點只是索引部分。所有的葉節(jié)點在同一層上，包含了全部關(guān)鍵碼和相應(yīng)數(shù)據(jù)對象的存放地址指針，且葉節(jié)點按關(guān)鍵碼從小到大順序鏈接。如果實際數(shù)據(jù)對象按加入的順序存儲而不是按關(guān)鍵碼次數(shù)存儲的話，葉節(jié)點的索引必須是稠密索引，若實際數(shù)據(jù)存儲按關(guān)鍵碼次序存放的話，葉節(jié)點索引時稀疏索引。B+樹有2個頭指針，一個是樹的根節(jié)點，一個是最小關(guān)鍵碼的葉節(jié)點。所以 B+樹有兩種搜索方法：一種是按葉節(jié)點自己拉起的鏈表順序搜索。一種是從根節(jié)點開始搜索，和B樹類似，不過如果非葉節(jié)點的關(guān)鍵碼等于給定值，搜索并不停止，而是繼續(xù)沿右指針，一直查到葉節(jié)點上的關(guān)鍵碼。所以無論搜索是否成功，都將走完樹的所有層。B+ 樹中，數(shù)據(jù)對象的插入和刪除僅在葉節(jié)點上進(jìn)行。這兩種處理索引的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同之處：1、B樹中同一鍵值不會出現(xiàn)多次，并且它有可能出現(xiàn)在葉結(jié)點，也有可能出現(xiàn)在非葉結(jié)點中。而B+樹的鍵一定會出現(xiàn)在葉結(jié)點中，并且有可能在非葉結(jié)點中也有可能重復(fù)出現(xiàn)，以維持B+樹的平衡。2、因為B樹鍵位置不定，且在整個樹結(jié)構(gòu)中只出現(xiàn)一次，雖然可以節(jié)省存儲空間，但使得在插入、刪除操作復(fù)雜度明顯增加。B+樹相比來說是一種較好的折中。3、B樹的查詢效率與鍵在樹中的位置有關(guān)，更大時間復(fù)雜度與B+樹相同(在葉結(jié)點的時候)，最小時間復(fù)雜度為1(在根結(jié)點的時候)。而B+樹的時候復(fù)雜度對某建成的樹是固定的。六、B/+Tree索引的性能分析到這里終于可以分析B-/+Tree索引的性能了。上文說過一般使用磁盤I/O次數(shù)評價索引結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。先從B-Tree分析，根據(jù)B-Tree的定義，可知檢索一次最多需要訪問h個節(jié)點。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計者巧妙利用了磁盤預(yù)讀原理，將一個節(jié)點的大小設(shè)為等于一個頁，這樣每個節(jié)點只需要一次I/O就可以完全載入。為了達(dá)到這個目的，在實際實現(xiàn)B-Tree還需要使用如下技巧：每次新建節(jié)點時，直接申請一個頁的空間，這樣就保證一個節(jié)點物理上也存儲在一個頁里，加之計算機存儲分配都是按頁對齊的，就實現(xiàn)了一個node只需一次I/O。B-Tree中一次檢索最多需要h-1次I/O(根節(jié)點常駐內(nèi)存)，漸進(jìn)復(fù)雜度為O(h)=O(logdN)。一般實際應(yīng)用中，出度d是非常大的數(shù)字，通常超過100，因此h非常小(通常不超過3)。而紅黑樹這種結(jié)構(gòu)，h明顯要深的多。由于邏輯上很近的節(jié)點(父子)物理上可能很遠(yuǎn)，無法利用局部性，所以紅黑樹的I/O漸進(jìn)復(fù)雜度也為O(h)，效率明顯比B-Tree差很多。綜上所述，用B-Tree作為索引結(jié)構(gòu)效率是非常高的。
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