3、索引優化（1）堆上的非彙集索引

1、索引概述

一、概念

　　能夠把索引理解爲一種特殊的目錄。就比如《新華字典》爲了加快查找的速度，提供了幾套目錄，分別按拼音、偏旁部首、難檢字等排序，這樣咱們就能夠方便地找到須要的字。

　　與書中的索引同樣，數據庫中的索引使您能夠快速找到表或索引視圖中的特定信息。索引包含從表或視圖中一個或多個列生成的鍵，以及映射到指定數據的存儲位置的指針。經過建立設計良好的索引以支持查詢，能夠顯著提升數據庫查詢和應用程序的性能。索引能夠減小爲返回查詢結果集而必須讀取的數據量。索引還能夠強制表中的行具備惟一性，從而確保表數據的數據完整性。

 

2. 分類

　　SQL SERVER提供了兩種索引：彙集索引（Clustered Index）和非彙集索引（Nonclustered Index）。 

 

3. 索引B樹

　　索引是按照B樹結構組織的。以下圖。

 

　　在上圖中，底部是葉級（leaf level），用於保存指向數據行的指針；非葉級用於導航到下一個非葉級或者葉級，非葉級包括2部分，即頂部的根（root）和中間部分的中間級（intermediate level）。

　　假設數據頁每頁能夠保存2條記錄，索引的平均寬度爲20字節，則索引的每一個頁（8KB）能夠保存約400個行指針，理論上（排除碎片等因素）上圖所示的4級樹可以搜索的記錄行能夠達到：2*400*400*400=1.28億。這表示查詢時若是使用此索引，只須要4次I/O操做就能夠導航至對應的數據行。

 

 

2、堆的物理結構

　　SQL Server 的數據組織結構爲HOBT（堆或平衡樹），詳見《SQL Server 數據文件存儲結構》 http://jimshu.blog.51cto.com/3171847/987275。

　　若是數據以堆的方式組織，那麼數據行不按任何特殊的順序存儲，數據頁也沒有任何特殊的順序。 能夠經過掃描 IAM （索引分配映射）頁實現對堆的表掃描或串行讀操做來找到容納該堆的頁的區。

 

　　從上圖可見，數據頁之間沒有任何關係，徹底依賴IAM頁進行組織。對於一個查詢，須要首先查詢IAM頁，而後根據IAM頁提供的指針去遍歷對應的每一個區，而後返回這些區內符合查詢條件的頁。若是IAM頁損壞，則整張表的結構被破壞，數據基本上不能被修復。 

 

3、堆上的索引

　　索引中的每一個索引行都包含非彙集鍵值和行定位符。此定位符指向堆中包含該鍵值的數據行。

　　索引行中的行定位器是指向行的指針。該指針由文件標識符 (ID)、頁碼和頁上的行數生成。整個指針稱爲行 ID (RID)。 

 

　　從上表可見，這是一個完整的樹狀結構。索引的最頂層是根，根頁存放的指針指向中間級（下一級的非葉級索引）或者指向葉級。索引的最底層是葉級，只能有一個葉級，葉級頁存放的指針指向真實的數據行。

 

 

4、實驗[三A]：堆上的非彙集索引

1. 構建一個堆結構的表

　　建立一張沒有彙集索引的表，併爲這張表添加80000條記錄。

create table person1 (UserID int,pwd char(20),OtherInfo char(360),modifydate datetime) declare @i int set @i=0 while @i<80000 begin   insert into person1    select cast(floor(rand()*100000) as int), cast(floor(rand()*100000) as varchar(20)),   cast(floor(rand()*100000) as char(360)), GETDATE()   set @i=@i+1 end

 

2. 添加一個非彙集索引

　　爲這個堆結構的表建立一個非彙集索引。

CREATE NONCLUSTERED INDEX IX_person1_UserID      ON person1 (UserID)

 

3. 表和索引的頁面分配統計

　　使用DBCC命令查看錶和索引的頁面分配狀況。

DBCC SHOWCONTIG ('person1') WITH ALL_INDEXES

 

　　顯示結果以下：

DBCC SHOWCONTIG 正在掃描 'person1' 表... 表: 'person1' (245575913)；索引 ID: 0，數據庫 ID: 8 已執行 TABLE 級別的掃描。 - 掃描頁數................................: 4000 - 掃描區數..............................: 502 - 區切換次數..............................: 501 - 每一個區的平均頁數........................: 8.0 - 掃描密度 [最佳計數:實際計數].......: 99.60% [500:502] - 區掃描碎片 ..................: 1.79% - 每頁的平都可用字節數.....................: 76.0 - 平均頁密度(滿).....................: 99.06% DBCC SHOWCONTIG 正在掃描 'person1' 表... 表: 'person1' (245575913)；索引 ID: 2，數據庫 ID: 8 已執行 LEAF 級別的掃描。 - 掃描頁數................................: 179 - 掃描區數..............................: 23 - 區切換次數..............................: 22 - 每一個區的平均頁數........................: 7.8 - 掃描密度 [最佳計數:實際計數].......: 100.00% [23:23] - 邏輯掃描碎片 ..................: 0.00% - 區掃描碎片 ..................: 4.35% - 每頁的平都可用字節數.....................: 51.3 - 平均頁密度(滿).....................: 99.37% DBCC 執行完畢。若是 DBCC 輸出了錯誤信息，請與系統管理員聯繫。

 

　　以上結果顯示，數據頁共有4000頁（即4,000*8=32,000KB），佔用502個區（即502*64=32,128KB）；索引的葉級共有179頁（即179*8=1,432KB），佔用23個區（即23*64=1,72KB）。 

 

4. 查看索引的級數

　　根據DBCC SHOWCONTIG的結果，咱們如今能夠結合DMV來查看該索引的每一級是如何分佈。

SELECT index_depth, index_level, record_count, page_count, min_record_size_in_bytes as 'MinLen', max_record_size_in_bytes as 'MaxLen', avg_record_size_in_bytes as 'AvgLen', convert(decimal(6,2),avg_page_space_used_in_percent) as 'PageDensity' FROM sys.dm_db_index_physical_stats (8, OBJECT_ID('person1'),2,NULL,'DETAILED')

　　注意，sys.dm_db_index_physical_stats 函數的5個參數分別表示以下意義：

　　第1個參數爲該數據庫的 ID。在本例中，DBCC SHOWCONTIG 已經顯示了該數據庫的 ID=8。也能夠經過 DB_ID('DatabaseName') 相似方式取得。

　　第2個參數爲該表的 ID。能夠經過 OBJECT_ID('TableName') 相似方式取得。或者經過 select * from sys.objects where name='person' 查找到具體的OBJECT_ID 。

　　第3個參數爲該索引的 ID。在本例中，DBCC SHOWCONTIG 已經顯示了該索引的 ID=2。若是 ID=0，則指向數據頁（堆或彙集索引）。NULL表示須要得到全部的索引。

　　第4個參數表示分區號。NULL表示須要得到全部分區的信息。

　　第5個參數表示但願返回的信息級別。NULL表示不返回全部的信息。

　　結果以下表所示：

index _depth	Index _level	Record _count	Page _count	MinLen	MaxLen	AvgLen	PageDensity
2	0	80000	179	16	16	16	99.37
2	1	179	1	22	22	22	53.05

 　　根據上表的數據，能夠看到該索引共有2層。level=0 是葉級，它有179個頁面，指向包含80000行數據的數據頁；level=1 是根頁，它只有1個頁面，指向葉級的179個索引頁。

　　葉級索引的行長度爲16字節，它包括：4 個字節對應於 int 列（UserID列），8 個字節對應於 數據行定位符（即堆 RID），1個字節對應於索引行的行標題開銷，3個字節用於NULL位圖（UserID列能夠爲空） 。詳細的計算方法，見《估計非彙集索引的大小》 http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/ms190620.aspx

　　根頁的行長度爲22字節，即在葉級的行長度加6字節，這6個字節對應下一級索引頁的指針。

 

5. 查看堆的分佈

　　查看索引 ID=0 的分佈，實際上就是查看堆的頁面分佈狀況。

SELECT index_depth, index_level, record_count, page_count, min_record_size_in_bytes as 'MinLen',max_record_size_in_bytes as 'MaxLen', avg_record_size_in_bytes as 'AvgLen', convert(decimal(6,2),avg_page_space_used_in_percent) as 'PageDensity' FROM sys.dm_db_index_physical_stats (8, OBJECT_ID('person1'),0,NULL,'DETAILED')

　　結果以下：

index _depth	Index _level	Record _count	Page _count	MinLen	MaxLen	AvgLen	PageDensity
1	0	80000	4000	399	399	399	99.06

 

6. 總結

 

 

5、實驗[三B]：堆上的（惟1、非空值）非彙集索引

1. 構建一個堆結構的表

　　建立一張沒有彙集索引的表，併爲這張表添加80000條記錄。注意，與前一個實驗不一樣的是，UserID列是惟一且非空。

create table person2 (UserID int not null,pwd char(20),OtherInfo char(360),modifydate datetime) declare @i int set @i=0 while @i<80000 begin   insert into person2    select @i, cast(floor(rand()*100000) as varchar(20)),   cast(floor(rand()*100000) as char(360)), GETDATE()   set @i=@i+1 end

 

2. 添加一個非彙集索引

　　爲這個堆結構的表建立一個惟1、非彙集索引。

CREATE UNIQUE NONCLUSTERED INDEX IX_person2_UserID      ON person2 (UserID)

 

 

3. 查看索引的級數

　　使用DMV來查看全部的索引分佈。

SELECT index_depth, index_level, record_count, page_count, min_record_size_in_bytes as 'MinLen', max_record_size_in_bytes as 'MaxLen', avg_record_size_in_bytes as 'AvgLen', convert(decimal(6,2),avg_page_space_used_in_percent) as 'PageDensity' FROM sys.dm_db_index_physical_stats (8, OBJECT_ID('person2'),NULL,NULL,'DETAILED')

　　結果以下表所示：

index _depth	Index _level	Record _count	Page _count	MinLen	MaxLen	AvgLen	PageDensity
1	0	80000	4000	399	399	399	99.06
2	0	80000	179	16	16	16	99.37
2	1	179	1	11	11	11	53.05

　　根據上表的數據，能夠看到該彙集索引共有2層（僅指index_depth=2的索引）。葉級索引的行長度爲16字節不變。但根頁的行長度從22字節降爲11字節。

 

 

6、刪除堆中的數據

1. 使用delete刪除全部數據

delete person2

 

2. 查看錶的空間

　　使用DBCC SHOWCONTIG查看該表

DBCC SHOWCONTIG ('person2') WITH ALL_INDEXES

 

　　發現仍然佔用着數據頁（「掃描頁數」>0）。 

DBCC SHOWCONTIG 正在掃描 'person2' 表... 表: 'person2' (261575970)；索引 ID: 0，數據庫 ID: 8 已執行 TABLE 級別的掃描。 - 掃描頁數................................: 296 - 掃描區數..............................: 39 - 區切換次數..............................: 38 - 每一個區的平均頁數........................: 7.6 - 掃描密度 [最佳計數:實際計數].......: 94.87% [37:39] - 區掃描碎片 ..................: 7.69% - 每頁的平都可用字節數.....................: 8056.0 - 平均頁密度(滿).....................: 0.47% DBCC SHOWCONTIG 正在掃描 'person2' 表... 表: 'person2' (261575970)；索引 ID: 2，數據庫 ID: 8 已執行 LEAF 級別的掃描。 - 掃描頁數................................: 1 - 掃描區數..............................: 1 - 區切換次數..............................: 0 - 每一個區的平均頁數........................: 1.0 - 掃描密度 [最佳計數:實際計數].......: 100.00% [1:1] - 邏輯掃描碎片 ..................: 0.00% - 區掃描碎片 ..................: 0.00% - 每頁的平都可用字節數.....................: 8078.0 - 平均頁密度(滿).....................: 0.20% DBCC 執行完畢。若是 DBCC 輸出了錯誤信息，請與系統管理員聯繫。

 

 

3. 使用表鎖刪除數據

　　往該表中添加 1 條記錄，而後再使用如下命令刪除。

insert person2 values (1,'abc','abc',GETDATE()) delete person2 with (TABLOCK)

　　再次使用DBCC SHOWCONTIG查看該表，能夠看到佔用的頁數（「掃描頁數」）減小了1頁，即已經釋放了1個頁面。 

 

4. 收縮表的空間

　　使用如下命令將該數據庫的數據文件進行收縮。

DBCC SHRINKFILE (N'db01' , 0, TRUNCATEONLY)

　　再次使用DBCC SHOWCONTIG查看該表，發現仍然佔用的頁數爲零（「掃描頁數」=0），即已經釋放了全部的空間。 

 

5. 總結

　　SQL Server 默認在 delete 時不會加上表鎖（即TABLOCK），此時堆結構的表不會釋放空間給其它數據複用。

　　在刪除堆中的行數據時加上TABLOCK，或者手動執行SHRINKFILE （或SHRINKDB）才能釋放堆中的空閒頁面。