這篇文章討論了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的索引和事務(wù)是如何工作的，而不深入研究特定數(shù)據(jù)庫的怪癖。我將涵蓋您應(yīng)該了解的關(guān)于RDBMS索引的一切。我將簡要涉及事務(wù)和隔離級別，以及它們?nèi)绾斡绊憣μ囟ㄊ聞?wù)的推理。

圖1.0 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫解釋信息圖

1.什么是RDBMS？

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）是一種用于管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的軟件。它使用表格來存儲數(shù)據(jù)，并支持SQL（Structured Query Language）進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和操作。RDBMS是一種常見的數(shù)據(jù)庫類型，包括MySQL、PostgreSQL、Oracle、SQL Server等。

2.什么是索引？

索引是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于降低請求數(shù)據(jù)的查找時間。索引通過額外的存儲、內(nèi)存和維護(hù)成本（寫入速度較慢）來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使我們能夠跳過檢查每個表行的繁瑣任務(wù)。

就像教科書后面的索引一樣，它可以幫助你找到正確的頁。我不是書的愛好者，但當(dāng)我們深入研究數(shù)據(jù)庫索引時，它是一個很好的引入主題的方式。

3.為什么我們需要索引？

小量的數(shù)據(jù)是可以管理的，但是當(dāng)它們變得更大時（比如大城市的出生登記簿），事情就變得不那么簡單了。一切原來快速的東西變得更慢，太慢。

想象一下，如果您不得不在1頁上查找某些內(nèi)容，與在千頁的名單上查找相比，您的策略會發(fā)生什么變化。不，認(rèn)真地，請花一秒鐘思考一下。

不管您想出什么好策略，某個數(shù)據(jù)庫幾乎在某個時候都實(shí)現(xiàn)了您能想到的所有好策略。隨著它們的增長，系統(tǒng)會收集和存儲更多的數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致上述問題。

我們需要索引來幫助我們盡快獲取我們需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.索引是如何工作的？

隨著數(shù)據(jù)的索引化，讀取性能會提高，但這會以寫入性能為代價，因?yàn)槟枰３炙饕淖钚?。因此，?jīng)常會提出的一個解決方案問題是按照您希望搜索的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯排序。這意味著如果要按名稱搜索列表，您會按名字對列表進(jìn)行排序。這種策略有一些問題。我主要將其作為讀者的問題提出：

• 如果要以多種方式搜索數(shù)據(jù)怎么辦？
• 如何處理將新數(shù)據(jù)添加到列表中？這是否很快？
• 如何處理更新？
• 這些任務(wù)的O標(biāo)記是多少？

不管您的原始策略如何，我們絕對需要一種方法來維護(hù)順序，以便我們可以快速獲取相關(guān)的無序數(shù)據(jù)（很快就會談到這一點(diǎn)）。

5.鏈表

我們希望在互聯(lián)網(wǎng)上建立最大的系統(tǒng)設(shè)計社區(qū)！我們希望您加入我們。您可以在Twitter上找到我們。您也可以在此處聯(lián)系作者，提供反饋。

讓我們來看看下面的圖1.1。

+─────+─────────+──────────────+
| id  | name    | city         |
+─────+─────────+──────────────+
| 1   | Mahdi   | Ottawa       |
| 2   | Elon    | Mars         |
| 3   | Jeff    | Orbit        |
| 4   | Klay    | Oakland      |
| 5   | Lebron  | Los Angeles  |
+─────+─────────+──────────────+

圖1.1 可以快速從磁盤讀取的小表格

底層數(shù)據(jù)在存儲中分散，沒有順序，似乎是隨機(jī)分配的。如今，大多數(shù)生產(chǎn)服務(wù)器都配備了SSD，但有些情況下，您可能需要使用（HDD）傳統(tǒng)硬盤，但老實(shí)說，這樣的情況越來越少，因?yàn)镾SD的價格大幅下降。

6.SSD與HDD

現(xiàn)在，將這么多數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存非?？?，相對來說也很容易進(jìn)行掃描。那么，如果我們正在搜索的數(shù)據(jù)無法完全緩存在內(nèi)存中，或者從磁盤讀取所有數(shù)據(jù)所需的時間太長呢？

+──────────+─────────+───────────────────+
| id       | name    | city              |
+──────────+─────────+───────────────────+
| 1        | Mahdi   | Ottawa            |
| 2        | Elon    | Mars              |
| 3        | Jeff    | Orbit             |
| 4        | Klay    | Oakland           |
| 5        | Lebron  | Los Angeles       |
| ...      | ...     | ...               |
| 1000000  | Steph   | San Francisco     |
| 1001000  | Linus   | Portland          |
+───────+─────────+──────────────────────+

圖1.2 大表格，無法完全放入內(nèi)存，分布在磁盤上

這就是大多數(shù)開發(fā)人員會遇到的問題 - 我以前遇到過這個問題；我們需要一些字典（哈希映射）以及一種無需掃描緩慢的磁盤、讀取大量塊的方式來查找我們需要的數(shù)據(jù)是否存在。

這些被稱為索引葉節(jié)點(diǎn)，它們會指定一個要索引的特定列，它們可以存儲匹配行的位置。

這些索引葉節(jié)點(diǎn)是索引列和相應(yīng)行位于磁盤上的位置之間的映射。這使我們能夠快速找到特定行，如果您引用它，就是索引列。掃描索引可以更快，因?yàn)樗且阉鞯牧械木o湊表示（字節(jié)更少），它可以節(jié)省您讀取大量塊以查找請求的數(shù)據(jù)所需的時間，并且更方便緩存，進(jìn)一步加速整個過程。

數(shù)據(jù)規(guī)模常常適得其反，平衡樹是應(yīng)對之的第一工具。

這些索引葉節(jié)點(diǎn)大小均勻，我們試圖盡可能多地存儲這些葉節(jié)點(diǎn)。由于這種結(jié)構(gòu)要求事物在邏輯上進(jìn)行排序（不是在物理上排列在磁盤上），我們需要解決快速添加和刪除數(shù)據(jù)的問題；好的老式雙向鏈表管理這一點(diǎn)，更具體地說，是雙向鏈表。

7.數(shù)據(jù)塊

這里的好處有兩方面：它允許我們前向和后向讀取索引葉節(jié)點(diǎn)，以及當(dāng)我們刪除或添加新行時，快速重建索引結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覀冎皇切薷闹羔?- 強(qiáng)大的東西。

8.鏈接列表

由于這些葉節(jié)點(diǎn)在磁盤上物理上未按順序排列（請記住，指針維護(hù)雙向鏈表的排序），我們需要一種方法來獲取正確的索引葉節(jié)點(diǎn)。

(1) 平衡樹（B-Tree）

圖1.3 結(jié)構(gòu)差異：B樹與B+樹

這使您可能會想知道，您在學(xué)校討厭的B樹中犯了什么大錯誤。我明白這些東西很無聊，但它們很強(qiáng)大，值得理解。

B+樹允許我們構(gòu)建一個樹結(jié)構(gòu)，其中每個中間節(jié)點(diǎn)指向其各自葉節(jié)點(diǎn)的最高節(jié)點(diǎn)值。這為我們提供了一種找到將指向所需數(shù)據(jù)的索引葉節(jié)點(diǎn)的明確路徑的方法。

這個結(jié)構(gòu)是從底層開始構(gòu)建的，以便中間節(jié)點(diǎn)覆蓋所有葉節(jié)點(diǎn)，直到達(dá)到頂部的根節(jié)點(diǎn)。這個樹結(jié)構(gòu)之所以被稱為“平衡”，是因?yàn)檎麄€樹的深度是統(tǒng)一的。

(2) B-樹與B+樹

9.對數(shù)可擴(kuò)展性

我想在這里簡要提一下這個結(jié)構(gòu)的威力。當(dāng)然，大多數(shù)開發(fā)人員都意識到數(shù)據(jù)的指數(shù)增長以及理想情況下，您公司的估值。但不幸的是，數(shù)據(jù)規(guī)模常常與您作對，而平衡樹是應(yīng)對之的第一工具。

根據(jù)中間節(jié)點(diǎn)可以引用的項(xiàng)目數(shù)（M）以及整個樹（N）的深度，我們可以引用M到N個對象。

下表以M值為5來說明了這個概念。

因此，隨著索引葉節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈指數(shù)增長，樹的高度相對于索引葉節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增長速度非常慢（對數(shù)增長），再加上平衡樹的高度，幾乎可以立即找到指向?qū)嶋H磁盤上的相關(guān)索引葉節(jié)點(diǎn)。這與數(shù)據(jù)庫相比是一個非?？斓乃俣?。

不是美麗的景象嗎？

10.什么是事務(wù)？

事務(wù)是您希望將其視為單個單位的工作。因此，它必須完全發(fā)生或完全不發(fā)生。我認(rèn)為大多數(shù)系統(tǒng)不需要手動管理事務(wù)，但也有一些情況下，增加的靈活性對于實(shí)現(xiàn)所需的效果非常重要。事務(wù)主要涉及ACID中的I，即隔離。

11.什么是ACID？

這些可以自動為您執(zhí)行，以便您甚至不知道它們正在發(fā)生，或者您可以像下面這樣手動創(chuàng)建它們：

-- 手動事務(wù)與提交。
BEGIN;
SELECT * FROM people WHERE id =1;
COMMIT or ROLLBACK;

圖1.3 如何創(chuàng)建手動事務(wù)

我們將重點(diǎn)關(guān)注BEGIN和COMMIT或ROLLBACK之間的時間，以及對相同數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的其他各種事務(wù)發(fā)生了什么。

(1) 提交/回滾

(2) 讀現(xiàn)象

在這些隔離級別中可能會發(fā)生多種讀取現(xiàn)象，了解它們對于調(diào)試系統(tǒng)并誠實(shí)地幫助理解系統(tǒng)可以容忍什么樣的不一致非常重要。

(3) 不可重復(fù)讀

Databases-08.jpeg

就像上圖所示，不可重復(fù)讀取是指在事務(wù)期間連續(xù)兩次讀取數(shù)據(jù)時，您無法獲取一致的數(shù)據(jù)視圖。在特定模式下，可以進(jìn)行并發(fā)數(shù)據(jù)庫修改，并且可能會發(fā)生您剛剛讀取的值被修改的情況，從而導(dǎo)致不可重復(fù)讀取。

(4) 臟讀

Image.png

類似地，臟讀取是指您執(zhí)行讀取，另一個事務(wù)更新相同行但沒有提交工作，然后執(zhí)行另一次讀取，您可以訪問未提交（臟）值，這不是持久的狀態(tài)更改，也與數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)不一致。

(5) 幽靈讀

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幽靈讀取是另一種已提交的讀取現(xiàn)象，它發(fā)生在您主要處理聚合時。例如，您要求特定事務(wù)中的客戶數(shù)量。在連續(xù)兩次讀取之間，另一位客戶注冊或刪除他們的帳戶（已提交），這會導(dǎo)致您獲取到兩個不同的值，如果您的數(shù)據(jù)庫不支持這些事務(wù)的范圍鎖，則可能會發(fā)生這種情況。

(6) 范圍鎖

(7) 隔離級別

Databases-05-2.jpeg

SQL標(biāo)準(zhǔn)定義了4種標(biāo)準(zhǔn)隔離級別，這些級別可以并且應(yīng)該在全局配置（如果不能可靠地推斷隔離級別，可能會發(fā)生潛在問題）。

(8) 可重復(fù)讀

讓我們從可重復(fù)讀開始。這很容易理解，并為其他隔離級別奠定了基礎(chǔ)。此隔離級別確保在第一次讀取建立的事務(wù)內(nèi)進(jìn)行一致讀取。此視圖以多種方式維護(hù)；某些方式會影響整個系統(tǒng)的性能，而其他方式不會，但不在本文的范圍內(nèi)。

請參考上面的圖形；一旦我們進(jìn)行了第一次讀取，該視圖將在事務(wù)持續(xù)期間被鎖定，因此在此事務(wù)的上下文之外發(fā)生的任何事情都無關(guān)緊要，無論是已提交還是未提交。

這種隔離級別保護(hù)我們免受多種已知的隔離問題的影響，主要是不可重復(fù)讀和臟讀。它確實(shí)有一些輕微的數(shù)據(jù)不一致，因?yàn)樗绘i定在特定數(shù)據(jù)庫視圖，因此在此鎖定期間的數(shù)據(jù)不相關(guān)；在此期間，保持事務(wù)盡可能短是有益的。

(9) 可串行化

這種操作模式可以是最受限制和一致的，因?yàn)樗辉试S一次運(yùn)行一個查詢。

由于數(shù)據(jù)庫依次運(yùn)行查詢，從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到下一個，因此不再可能發(fā)生所有類型的讀取現(xiàn)象。當(dāng)然，這里還有更多細(xì)節(jié)，但大致如此。

重要的是要注意，在這種模式下需要一些重試機(jī)制，因?yàn)橛捎诓l(fā)問題，查詢可能會失敗。

較新的分布式數(shù)據(jù)庫利用此隔離級別以實(shí)現(xiàn)一致性保證。 CockroachDB 就是這樣的數(shù)據(jù)庫的一個例子。值得一看。

(10) 讀已提交

這種隔離模式不同于可重復(fù)讀，因?yàn)槊看巫x取都會創(chuàng)建自己的一致（已提交）時間快照。因此，如果我們在同一事務(wù)中執(zhí)行多次讀取，這種隔離級別容易受到幽靈讀的影響。

(11) 讀未提交

另一種是讀未提交隔離級別，它不維護(hù)任何事務(wù)鎖定，并可以看到正在發(fā)生的未提交數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致臟讀。在某些系統(tǒng)中，這是噩夢中的東西。

這就是關(guān)于數(shù)據(jù)庫的你應(yīng)該了解的事情。