SQL Server 內存優化表的索引設計

測試的版本：SQL Server 2017

內存優化表上能夠建立哈希索引（Hash Index）和內存優化非彙集（NONCLUSTERED）索引，這兩種類型的索引也是內存優化的，稱做內存優化索引，和基於硬盤的傳統索引有很大的區別：

• 索引結構存儲在內存中，沒有索引碎片和填充因子
• 對索引所做的更新不會寫入事務日誌文件，這致使索引的更新操做性能很是高

一，建立內存優化索引

在建立內存優化表的索引時，第一種方式是在建立表時定義索引，第二種方式是先建立內存優化表，而後經過alter table命令修改表結構，向表中添加索引，而表級別的索引語法以下所示：

<table_index> ::=
  INDEX index_name
{   [ NONCLUSTERED ] HASH (column [ ,... n ] ) WITH (BUCKET_COUNT = bucket_count)
  | [ NONCLUSTERED ] (column [ ASC | DESC ] [ ,... n ] ) [ ON filegroup_name | default ]
}

舉個例子，修改表結構，向表中添加哈希索引，在定義索引時必須設置bucket_count的數量：

ALTER TABLE table_name
    ADD INDEX idx_hash_index_name  HASH (index_key) WITH (BUCKET_COUNT = 64);  

二，內存優化索引的性能優化

內存優化索引適用的場景是：

• 非彙集索引   若是查詢中包含order by子句、或者包含 where index_column > value等範圍掃描操做 ，推薦使用非彙集索引。
• 哈希索引       若是查詢中包含點查找（point lookup），例如 where index_column = value，而不是範圍掃描，推薦使用哈希索引。

1，哈希索引性能優化

哈希索引是指SQL Server引擎應用哈希函數F(x)，把索引鍵值（Index Key）轉換爲哈希表（哈希索引）。當哈希值相同，而索引鍵不一樣時，稱做產生一個哈希衝突。把哈希值相同的索引鍵連接在一塊兒，組成一個鏈式結構（chain），也稱做衝突鏈。在查找時，須要遍歷衝突鏈來查找數據，所以，衝突鏈變長，會下降哈希查找的性能。

哈希衝突是不可避免的，如下兩種狀況，會產生較多的哈希衝突：

• 若是索引鍵存在大量的重複值，
• 當hashbucket的數量較少時

這兩種狀況致使哈希衝突鏈變長，下降哈希查找的性能，用戶能夠經過下降索引鍵的重複值、增長hashbucket的數量來減小哈希衝突。

哈希索引只能點查找（point lookup），而且要求在where子句中應用index key的全部字段、等值條件和與邏輯，例如，哈希索引鍵是colA和colB，在where子句中必須知足：同時出現全部索引鍵、等值條件和與邏輯，也就是：where colA= value1 and colB=value2，只有這樣，才能使用哈希索引進行點查找，不然沒法應用哈希索引。

2，內存優化非彙集索引的優化

內存優化非彙集索引的結構是Bw-Tree，在結構上相似於B-Tree結構，具備樹形結構、鍵值是有序的等特色。

從性能上來看，Bw-Tree索引有三個主要特色：

• 經過無鎖（Lock-Free）的方式來操做Bw-Tree樹，提高了隨機讀和範圍讀的性能。
  • 索引按照前序字段進行排序，在查找時，索引鍵的前序字段很是重要，前序字段必須出如今where/on 子句的條件斷言中。
  • 適合範圍查找，只適用於按照索引定義的排序方向的查找，而不能用於逆向排序的查找
• 經過Log-Structed Storage方式寫數據，傳統的checkpoint寫數據的方式是隨機寫，而Log-Structed Storage是順序寫，提升寫操做的性能。
• 對數據的更新採用Delta Update方式，提升了緩存的命中率。

Bw-Tree結構的索引，和普通的B-Tree結構相比，讀寫性能提升，解決了高性能讀和寫不能兼得的問題。

三，內存優化的非彙集索引的結構特色

內存非彙集索引相似於B-Tree結構，稱做Bw-Tree。從總體上看，Bw-Tree是按照Page ID組織的頁面映射。

在Bw-Tree結構中，每一個索引Page具備一組有序鍵值（該結構相似於普通的B樹），鍵值是按照大小順序排列的，而且索引中包含層次結構，父級別指向子級別，葉級別指向數據行。

差別是Bw-Tree能夠把多個數據行鏈接在一塊兒，索引結構中的頁面指針是邏輯頁面的ID，這個邏輯頁面的ID其實是頁面映射表的偏移量，該映射表具備每一個頁面的物理地址，經過偏移量找到每一個頁面在內存中實際的物理地址。

在非葉子級別中，父級別的頁面中存儲的鍵值是它指向的子級頁面中的鍵值的最大值，而且每一行還包含該頁面邏輯頁ID（偏移量）。葉級數據頁不只包含鍵值，還包含頁面的物理地址。

Bw-Tree結構大體以下圖所示：有相似B-Tree的樹形結構（存儲的數據和索引）和Mapping Table（存儲邏輯頁面ID和物理地址的映射）。

在內存非彙集索引中，沒有索引頁的就地更新（in-place update），爲了實現該目的，引入了新的更新機制：

• 在更新頁時，不須要latch 和lock
• 索引頁不是固定的大小

Bw-Tree結構解決了B-tree高性能讀和寫不能兼得的問題，可能會存在性能抖動。

四，哈希索引的結構特色

哈希索引包含一個由指針構成的數組，數組中的每一個元組叫作一個hash bucket：

• 每一個hash bucket佔用8Bytes，用於指向key entry構成的鏈式列表
• 每一個entry主要由索引鍵的值、對應的數據行的地址和指向下一個entry的指針構成
• 每一個entry有一個指針，用於指向鏈中下一個entry，經過這種方式，entry構成鏈式結構

哈希索引的結構，以下圖所示，左側是哈希表，右側上一是表數據（Name、City）+時間戳+索引指針，右側中下的兩行是表數據，中間經過Index prt連接爲一個chain。

hash bucket的數量必須在索引定義時指定：

• 哈希索引的hash bucket的最大數量是 1,073,741,824
• 較短的鏈式列表比較長的鏈式列表性能更好
• hash bucket的數量與表中惟一值的數量的比值越低，每一個hash bucket指向的鏈式列表的長度越長，性能越差。所以，應該適當增長hash bucket的數量。
• 理想狀況下，hash bucket最好是表中惟一值數量的1到2倍。

 

參考文檔：

Index Architecture & Design

關於Bw-Tree結構的兩個Paper