نمایه سازی پایگاه داده یکی از جنبه های حیاتی سیستم های مدیریت پایگاه داده (DBMS) است که سرعت و عملکرد عملیات بازیابی داده ها را افزایش می دهد. ایندکس مسیر جستجوی سریع داده ها را فراهم می کند و مدت زمان مورد نیاز برای یافتن رکوردها را کاهش می دهد.
پیشینه تاریخی فهرست پایگاه داده
مفهوم نمایه سازی پایگاه داده همراه با توسعه سیستم های مدیریت پایگاه داده پدیدار شد. در اوایل دهه 1960، با ظهور سیستم های ذخیره سازی مبتنی بر دیسک، نیاز به روش های کارآمد بازیابی داده ها آشکار شد. اولین اشاره به مفهوم "شاخص" در زمینه بازیابی داده ها را می توان به قدیمی ترین مدل های پایگاه داده، از جمله پایگاه های داده سلسله مراتبی و شبکه ای ردیابی کرد.
با این حال، در چارچوب مدل پایگاه داده رابطه‌ای بود که توسط Edgar F. Codd در سال 1970 پیشنهاد شد، که نمایه‌های پایگاه داده کاربرد گسترده خود را پیدا کردند. سیستم R IBM، یک سیستم پایگاه داده رابطه ای تجربی، یکی از اولین سیستم هایی بود که استفاده از شاخص ها را برای سرعت بخشیدن به بازیابی داده ها پیاده سازی کرد.
عمیق تر شدن در فهرست پایگاه داده
شاخص پایگاه داده یک ساختار داده ای است که سرعت عملیات بازیابی داده ها را در جدول پایگاه داده افزایش می دهد. مانند نمایه ای در کتاب که به شما امکان می دهد بدون نیاز به خواندن هر صفحه به سرعت موضوعی را پیدا کنید، فهرست پایگاه داده به DBMS اجازه می دهد تا داده ها را بدون اسکن هر ردیف در جدول پایگاه داده پیدا و بازیابی کند.
ایندکس پایگاه داده با ذخیره زیرمجموعه ای از داده های پایگاه داده و نگه داشتن اشاره گر به محل هر قطعه داده کار می کند. شاخص داده های خود را بر اساس مقادیر ستون های نمایه شده ذخیره می کند و آنها را مرتب می کند تا امکان بازیابی کارآمد را فراهم کند. در نتیجه، هنگامی که یک پرس و جو اجرا می شود، موتور پایگاه داده ابتدا به جای اسکن کل جدول پایگاه داده، فهرست را برای یافتن مکان داده ها اسکن می کند.
این به طور چشمگیری تعداد عملیات ورودی/خروجی دیسک را کاهش می دهد و سرعت بازیابی اطلاعات را افزایش می دهد. با این حال، شایان ذکر است که شاخص ها نیز معاوضه های خود را دارند. در حالی که آنها عملیات خواندن را سرعت می بخشند، می توانند عملیات نوشتن (درج، به روز رسانی، حذف) را کاهش دهند زیرا هر عملیات نوشتن اکنون نیاز به به روز رسانی ایندکس نیز دارد.
ساختار داخلی شاخص پایگاه داده و مکانیسم کاری آن
یک ساختار معمولی که برای نمایه های پایگاه داده استفاده می شود B-Tree (درخت متعادل) است، اگرچه ساختارهای دیگری مانند Hash، R-Tree، Bitmap و غیره بسته به DBMS و ماهیت داده هاست.
شاخص B-Tree یک ساختار داده متعادل و خود مرتب‌سازی است که داده‌های مرتب شده را حفظ می‌کند و امکان درج، حذف و عملیات جستجو را فراهم می‌کند. "ریشه" B-Tree شامل اشاره گرهایی به گره های "کودک" است، که بیشتر حاوی اشاره گرهایی به گره های "فرزند" مربوطه خود هستند و ساختاری درخت مانند را تشکیل می دهند.
هنگامی که DBMS نیاز به یافتن یک رکورد خاص دارد، از گره ریشه B-Tree شروع می شود و از طریق گره های فرزند به پایین حرکت می کند تا رکورد مورد نظر را پیدا کند. این بسیار سریعتر از اسکن هر ردیف در جدول است.
ویژگی های کلیدی فهرست پایگاه داده
برخی از ویژگی های برجسته پایگاه داده عبارتند از:
- ارتقای کارایی: ایندکس ها به طور قابل توجهی سرعت عملیات بازیابی داده ها را بهبود می بخشند.
- ساختار: آنها اغلب از ساختارهای مبتنی بر درخت (مانند B-Tree یا B+Tree) استفاده می کنند، اما انواع دیگری مانند Hash، Bitmap و غیره نیز استفاده می شود.
- ذخیره سازی: آنها زیرمجموعه ای از داده ها را از پایگاه داده و یک اشاره گر به محل هر قطعه داده ذخیره می کنند.
- معاوضه ها: در حین بهبود عملیات خواندن، ایندکس ها می توانند عملیات نوشتن را کاهش دهند زیرا هر تغییر روی جدول نیاز به تغییرات متناظر در ایندکس دارد.
- انواع: شاخص ها می توانند خوشه ای یا غیر خوشه ای باشند که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای متمایز خود را دارند.
انواع فهرست پایگاه داده
در درجه اول دو نوع شاخص وجود دارد:
| نوع شاخص | شرح |
|---|---|
| شاخص خوشه ای | یک شاخص خوشه‌ای، ترتیب فیزیکی داده‌ها را در جدول تعیین می‌کند. بنابراین، یک جدول می تواند تنها یک شاخص خوشه ای داشته باشد. |
| شاخص غیر خوشه ای | یک شاخص غیر خوشه ای ترتیب فیزیکی داده ها را در جدول تعیین نمی کند. در عوض، از یک اشاره گر برای مکان یابی داده ها استفاده می کند. یک جدول می تواند چندین شاخص غیر خوشه ای داشته باشد. |
برخی دیگر از انواع شاخص عبارتند از:
- شاخص منحصر به فرد: اطمینان حاصل می کند که داده های ستون نمایه شده منحصر به فرد هستند.
- شاخص ترکیبی: از چندین ستون برای ایندکس استفاده می کند.
- نمایه بیت مپ: ایده آل برای ستون هایی با تعداد کمی از مقادیر متمایز (کاردینالیته کم).
- فهرست کامل متن: برای جستجوی تمام متن استفاده می شود.
- شاخص فضایی: برای انواع داده های هندسی استفاده می شود.
پیاده سازی و مدیریت فهرست پایگاه داده
استفاده از شاخص ها در عین مفید بودن، نیازمند مدیریت دقیق است. نمایه سازی بیش از حد می تواند منجر به کندتر شدن عملیات نوشتن و هدر رفتن فضای ذخیره سازی شود. از سوی دیگر، زیر فهرست‌سازی می‌تواند منجر به عملیات خواندن کندتر شود.
نظارت بر عملکرد پایگاه داده خود و به روز رسانی منظم استراتژی نمایه سازی برای مطابقت با نیازهای فعلی پایگاه داده بسیار مهم است. همچنین انتخاب نوع شاخص مناسب بر اساس ماهیت داده ها و عملیات انجام شده بر روی آن نقش بسزایی در اجرای کارآمد شاخص دارد.
مقایسه ها و ویژگی های شاخص پایگاه داده
در اینجا جدول مقایسه ای از انواع مختلف شاخص ها آورده شده است:
| نوع شاخص | عملیات خواندن را سرعت می بخشد | عملیات نوشتن را کاهش می دهد | فضای مورد نیاز |
|---|---|---|---|
| خوشه ای | آره | آره | در حد متوسط |
| غیر خوشه ای | آره | آره | بالا |
| بیت مپ | بله (کاردینالیته کم) | آره | کم |
| متن کامل | بله (جستجوهای متنی) | آره | بالا |
| فضایی | بله (داده های هندسی) | آره | بالا |
دیدگاه ها و فناوری های آینده در نمایه سازی پایگاه داده
آینده نمایه سازی پایگاه داده در سیستم های خودکارتر و سازگارتر نهفته است. تکنیک‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی برای مدیریت و بهینه‌سازی خودکار شاخص‌ها بر اساس تغییر الگوهای بار کاری در حال توسعه هستند.
همچنین، با ظهور پایگاه‌های اطلاعاتی غیر رابطه‌ای (NoSQL)، استراتژی‌ها و ساختارهای نمایه‌سازی متفاوتی در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، در پایگاه‌های داده Graph، مجاورت بدون فهرست به این معنی است که هر عنصر حاوی یک اشاره گر مستقیم به عنصر مجاور خود است.
فهرست پایگاه داده و سرورهای پروکسی
در حالی که سرورهای پروکسی مستقیماً با نمایه های پایگاه داده تعامل ندارند، نقش مهمی در متعادل کردن بارها و حافظه پنهان دارند که به طور غیرمستقیم بر عملکرد پایگاه داده تأثیر می گذارد.
هنگامی که یک سرور پراکسی استفاده می شود، می تواند پاسخ ها را از یک پایگاه داده ذخیره کند. اگر همان درخواست دوباره انجام شود، پروکسی می تواند پاسخ ذخیره شده را برگرداند و بار روی پایگاه داده را کاهش دهد. این به طور غیرمستقیم به استفاده بهتر از منابع پایگاه داده، از جمله نمایه ها کمک می کند.
علاوه بر این، در یک محیط DBMS که در آن چندین سرور پایگاه داده مدیریت می‌شوند، از سرورهای پراکسی می‌توان برای توزیع بار استفاده کرد و استفاده کارآمد از همه منابع را تضمین کرد.
