ORACLE 索引概述

索引是数据库中一种可选的数据结构，她通常与表或簇相关。用户可以在表的一列或数列上建立索引，以提高在此表上执行 SQL 语句的性能。就像本文档的索引可以帮助读者快速定位所需信息一样，Oracle 的索引提供了更为迅速地访问表数据的方式。正确地使用索引能够显著的减少磁盘 I/O。

        用户可以为一个表创建多个索引，只要不同索引使用的列或列的组合（combination of columns）不同即可。例如，下列语句中指定的列组合是有效的：

        CREATE INDEX employees_idx1 ON employees (last_name, job_id);

        CREATE INDEX employees_idx2 ON employees (job_id, last_name);

        Oracle 提供了各种类型的索引，她们能够互为补充地提升查询性能：

• 平衡树索引（B-tree index）
• 平衡树簇索引（B-tree cluster index）
• 哈希簇索引（hash cluster index）
• 反向键索引（reverse key indexes）
• 位图索引（bitmap index）
• 位图连接索引（bitmap join index）

        Oracle 还支持函数索引（function-based index），以及针对特定应用程序或程序模块（cartridge）的域索引（domain index）。

        无论索引是否存在都无需对已有的 SQL 语句进行修改。索引只是提供了一种快速访问数据的路径，因此她只会影响查询的执行速度。当给出一个已经被索引的数据值后，就可以通过索引直接地定位到包含此值的所有数据行。

        索引在逻辑上和物理上都与其基表（base table）是相互独立的。用户可以随时创建（create）或移除（drop）一个索引，而不会影响其基表或基表上的其他索引。当用户移除一个索引时，所有的应用程序仍然能够继续工作，但是数据访问速度有可能会降低。作为一种独立的数据结构，索引需要占用存储空间。

        当索引被创建后，对其的维护与使用都是 Oracle 自动完成的。当索引所依赖的数据发生插入，更新，删除等操作时，Oracle 会自动地将这些数据变化反映到相关的索引中，无需用户的额外操作。

        即便索引的基表中插入新的数据，对被索引数据的查询性能基本上能够保持稳定不变。但是，如果在一个表上建立了过多的索引，将降低其插入，更新，及删除的性能。因为 Oracle 必须同时修改与此表相关的索引信息。

        优化器可以使用已有的索引来建立（build）新的索引。这将加快新索引的建立速度。

5.8.1 唯一索引和非唯一索引

         索引（index）可以是唯一（unique）的或非唯一（nonunique）的。在一个表上建立唯一索引（unique index）能够保证此表的索引列（一列或多列）不存在重复值。而非唯一索引（nonunique index）并不对索引列值进行这样的限制。
        Oracle 建议使用 CREATE UNIQUE INDEX 语句显式地创建唯一索引（unique index）。通过主键（primary key）或唯一约束（unique constraint）来创建唯一索引不能保证创建新的索引，而且用这些方式创建的索引不能保证为唯一索引。

5.8.2 复合索引

         复合索引（composite index）（也被称为连结索引（concatenated index））是指创建在一个表的多列上的索引。复合索引内的列可以任意排列，她们在数据表中也无需相邻。

        如果一个 SELECT 语句的 WHERE 子句中引用了复合索引（composite index）的全部列（all of the column）或自首列开始且连续的部分列（leading portion of the column），将有助于提高此查询的性能。因此，索引定义中列的顺序是很重要的。大体上说，经常访问的列（most commonly accessed）或选择性较大的列（most selective）应该放在前面。

        一个常规的（regular）复合索引（composite index）不能超过 32 列，而位图索引（bitmap index）不能超过 30 列。索引中一个键值（key value）的总长度大致上不应超过一个数据块（data block）总可用空间的一半。

5.8.3 索引和键

        索引（index）与键（key）是连个不同的概念，但是这两个术语经常被混用。索引是在数据库中实际存储的数据结构，用户可以使用 SQL 语句对其进行创建（create），修改（alter），或移除（drop）。索引提供了一种快速访问表数据的途径。而键只是一个逻辑概念。键的概念主要在 Oracle 的完整性约束（integrity constraint）功能中使用，完整性约束用于保证数据库中的业务规则（business rule）。

        因为 Oracle 也会使用索引（index）来实现某些完整性约束（integrity constraint），因此索引与键（key）这两个术语经常被混用。注意不要将二者混淆。

5.8.4 索引和空值

        对于一个数据表的两行或多行，如果其索引列（key column）中全部非空（non-NULL）的值完全相同（identical），那么在索引中这些行将被认为是相同的；反之，在索引中这些行将被认为是不同的。因此使用 UNIQUE 索引可以避免将包含 NULL 的行视为相同的。以上讨论并不包括索引列的列值（column value）全部为 NULL 的情况。

        Oracle 不会将索引列（key column）全部为 NULL 的数据行加入到索引中。不过位图索引（bitmap index）是个例外，簇键（cluster key）的列值（column value）全部为 NULL 时也是例外。

5.8.5 函数索引

        如果一个函数（function）或表达式（expression）使用了一个表的一列或多列，则用户可以依据这些函数或表达式为表建立索引，这样的索引被称为函数索引（Function-Based Index）。函数索引能够计算出函数或表达式的值，并将其保存在索引中。用户创建的函数索引既可以是平衡树类型（B-tree index）的，也可以是位图类型（bitmap index）的。

        用于创建索引的函数可以是一个数学表达式（arithmetic expression），也可以是使用了 PL/SQL 函数（PL/SQL function），包函数（package function），C 外部调用（C callout），或 SQL 函数（SQL function）的表达式。用于创建索引的函数不能包含任何聚合函数（ggregate function），如果为用户自定义函数，则在声明中必须使用 DETERMINISTIC关键字。如果在一个使用对象类型（object type）的列上建立函数索引，则可以使用此对象的方法（method）作为函数，例如此对象的 map 方法。用户不能在数据类型为 LOB，REF，或嵌套表（nested table）的列上建立函数索引，也不能在包含 LOB，REF，或嵌套表等数据类型的对象类型列上建立函数索引。

5.8.5.1 使用函数索引

        如果一个 SQL 语句的 WHERE 子句中使用了函数，那么建立相应的函数索引（function-based index）是提高数据访问性能的有效机制。表达式（expression）的结果经过计算后将被存储在索引中。但是当执行 INSERT 和 UPDATE 语句时，Oracle 需要进行函数运算以便维护索引。

        例如，如果用户创建了以下函数索引：

        CREATE INDEX idx ON table_1 (a + b * (c – 1), a, b);

        当 Oracle 处理如下查询时就可以使用之前建立的索引：

        SELECT a FROM table_1 WHERE a + b * (c – 1) < 100;

        使用 UPPER(column_name) 或 LOWER(column_name) 函数建立函数索引（function-based index）有助于与大小写无关（case-insensitive）的查询。例如创建以下函数索引：

        CREATE INDEX uppercase_idx ON employees (UPPER(first_name));

        有助于提高以下查询的性能：

        SELECT * FROM employees WHERE UPPER(first_name) = ‘RICHARD’;

5.8.5.2 函数索引的优化

        用户必须为优化器（optimizer）收集关于函数索引（unction-based index）的统计信息（statistic）。否则处理 SQL 语句时将不会使用此索引。

        当一个查询的 WHERE 子句中含有表达式（expression）时，优化器可以对函数索引（function-based index）进行索引区间扫描（index range scan）。例如以下查询：

        SELECT * FROM t WHERE a + b < 10;

        如果使用表达式（expression） a+b 建立的索引，优化器（optimizer）就能够进行索引区间扫描（index range scan）。如果谓词（predicate，即 WHERE 子句）产生的选择性（selectivity）较低，则对区间扫描极为有利。此外，如果表达式的结果物化在函数索引内（function-based index），优化器将能更准确地估计使用此表达式的谓词的选择性。

        优化器（optimizer）能够将 SQL 语句及函数索引（function-based index）中的表达式解析为表达式树（expression tree）并进行比较，从而实现表达式匹配。这个比较过程是大小写无关的（case-insensitive），并将忽略所有空格（blank space）。

5.8.5.3 函数索引的依赖性

        函数索引（function-based index）依赖于索引定义表达式中使用的函数。如果此函数为 PL/SQL 函数（PL/SQL function）或包函数（package function），当函数声明（function specification）发生变化时，索引将失效（disabled）。

        用户需要被授予（grant）CREATE INDEX 或 CREATE ANY INDEX 权限才能创建函数索引（function-based index）。

        要想使用函数索引（function-based index）：

• 建立索引后，表必须经过分析（analyze）。
• 必须保证查询的条件表达式不是 NULL 值, 因为 NULL 值不会被存储到索引中。

        以下各节将讲述使用函数索引的其他需求。

5.8.5.3.1 DETERMINISTIC 函数

        函数索引（function-based index）使用的用户自定义函数（user-written function）必须声明为 DETERMINISTIC，此关键字表明对于一定的输入参数，此函数总会得到相同的输出结果。

5.8.5.3.2 定义函数的权限

        函数索引（function-based index）的所有者（owner）必须具备此索引定义中使用的函数的EXECUTE 权限。当 EXECUTE 权限被收回（revoke）后，Oracle 则将索引标识为 DISABLED。索引的所有者无须具备此函数的 EXECUTE WITH GRANT OPTION 权限，即可将索引所在表的SELECT 权限授予（grant）其他用户。

5.8.5.3.3 解决函数索引的依赖性问题

        函数索引（function-based index）依赖于她使用的所有函数。如果函数或函数所在包的声明（specification）被修改过（或索引所有者对函数的 EXECUTE 权限被收回)，将会出现以下情况：

• 索引被标记为 DISABLED。
• 如果优化器（optimizer）选择了在标记为 DISABLED 的索引上执行查询，那么此查询将失败
• 使用标记为 DISABLED 的索引而执行的 DML 操作将失败，除非此索引同时被标记为UNUSABLE 且初始化参数（initialization parameter） SKIP_UNUSABLE_INDEXES 被设为TRUE。

        函数被修改之后，用户可以使用 ALTER INDEX … ENABLE 语句将索引重新置为 ENABLE 状态。

5.8.6 索引是如何存储的

        当用户创建索引时，Oracle 会自动地在表空间（tablespace）中创建索引段（index segment）来存储索引的数据。用户可以通过以下方式控制索引段的空间分配和使用：

• 设置索引段的存储参数（storage parameter）来控制如何为此索引段分配数据扩展（extent）
• 为索引段设置 PCTFREE 参数，来控制组成数据扩展的各个数据块（data block）的可用空间情况。

        索引段（index segment）使用的表空间（tablespace）既可以是索引所有者（owner）的默认表空间，也可以是在 CREATE INDEX 语句中指定的表空间。索引无需和其相关的表位于同一表空间中。相反，如果将索引与其相关表存储在不同磁盘上能够提升使用此索引的查询性能，因为此时 Oracle 能够并行地（parallel）访问索引及表数据。

5.8.6.1 索引块的格式

        一个数据块（data block）内可用于存储索引数据的空间等于数据块容量减去数据块管理开销（overhead），索引条目管理开销（entry overhead），rowid，及记录每个索引值长度的 1 字节（byte）。

        当用户创建索引时，Oracle 取得所有被索引列的数据并进行排序，之后将排序后索引值和与此值相对应的 rowid 按照从下到上的顺序加载到索引中。例如，以下语句：

        CREATE INDEX employees_last_name ON employees(last_name);

        Oracle 先将 employees 表按 last_name 列排序，再将排序后的  列及相应的 rowid 按从下到上的顺序加载到索引中。使用此索引时，Oracle 可以快速地搜索已排序的 last_name 值，并使用相应的 rowid 去定位包含用户所查找的 last_name 值的数据行。

5.8.6.2 索引的内部结构

        Oracle 使用平衡树（B-tree）存储索引以便提升数据访问速度。当不使用索引时，用户必须对数据进行顺序扫描（sequential scan）来查找指定的值。如果有 n 行数据，那么平均需要扫描的行为 n/2。因此当数据量增长时，这种方法的开销将显著增长。

        如果将一个已排序的值列（list of the values）划分为多个区间（range），每个区间的末尾包含指向下个区间的指针（pointer），而搜索树（search tree）中则保存指向每个区间的指针。此时在 n 行数据中查询一个值所需的时间为 log(n)。这就是 Oracle 索引的基本原理。

        在一个平衡树索引（B-tree index）中，最底层的索引块（叶块（leaf block））存储了被索引的数据值，以及对应的 rowid。叶块之间以双向链表的形式相互连接。位于叶块之上的索引块被称为分支块（branch block），分枝块中包含了指向下层索引块的指针。如果被索引的列存储的是字符数据（character data），那么索引值为这些字符数据在当前数据库字符集（database character set）中的二进制值（binary value）。

        对于唯一索引（unique index），每个索引值对应着唯一的一个 rowid。对于非唯一索引（nonunique index），每个索引值对应着多个已排序的 rowid。因此在非唯一索引中，索引数据是按照索引键（index key）及 rowid 共同排序的。键值（key value）全部为 NULL 的行不会被索引，只有簇索引（cluster index）例外。在数据表中，如果两个数据行的全部键值都为 NULL，也不会与唯一索引相冲突。

5.8.6.3 索引的属性

        有两种类型的索引块：

• 用于搜索的分支块（branch block）
• 用于存储索引数据的叶块（leaf block）

5.8.6.3.1 分支块

        分支块（branch block）中存储以下信息：

• 最小的键值前缀（minimum key prefix），用于在（本块的）两个键值之间做出分支选择
• 指向包含所查找键值的子块（child block）的指针（）

        包含 n 个键值的分支块（branch block）含有 n+1 个指针。键值及指针的数量同时还受索引块（index block）容量的限制。

5.8.6.3.2 叶块

        所有叶块（leaf block）相对于其根分支块（root branch block）的深度（depth）是相同的。叶块用于存储以下信息：

• 数据行的键值（key value）
• 键值对应数据行的 ROWID