L'indicizzazione del database è un aspetto critico dei sistemi di gestione dei database (DBMS) che migliora la velocità e le prestazioni delle operazioni di recupero dei dati. Un indice fornisce un percorso rapido di ricerca dei dati, riducendo la quantità di tempo necessaria per trovare i record.
Il contesto storico dell'indice dei database
Il concetto di indicizzazione dei database è emerso insieme allo sviluppo dei sistemi di gestione dei database. Già negli anni ’60, con l’avvento dei sistemi di archiviazione basati su disco, divenne evidente la necessità di metodi efficienti di recupero dei dati. La prima menzione del concetto di "indice" nel contesto del recupero dei dati può essere fatta risalire ai primi modelli di database, inclusi i database gerarchici e di rete.
Tuttavia, è stato nel contesto del modello di database relazionale, proposto da Edgar F. Codd nel 1970, che gli indici di database hanno trovato il loro utilizzo diffuso. System R di IBM, un sistema di database relazionale sperimentale, è stato uno dei primi sistemi a implementare l'uso degli indici per accelerare il recupero dei dati.
Approfondimento dell'indice del database
Un indice di database è una struttura di dati che migliora la velocità delle operazioni di recupero dei dati su una tabella di database. Simile all'indice di un libro che consente di trovare rapidamente un argomento senza dover leggere ogni pagina, un indice di database consente al DBMS di trovare e recuperare dati senza scansionare ogni riga in una tabella di database.
Un indice di database funziona memorizzando un sottoinsieme dei dati del database e mantenendo un puntatore alla posizione di ciascun dato. L'indice memorizza i dati in base ai valori delle colonne indicizzate, ordinandoli per consentire un recupero efficiente. Di conseguenza, quando viene eseguita una query, il motore di database esegue innanzitutto la scansione dell'indice per trovare la posizione dei dati invece di scansionare l'intera tabella del database.
Ciò riduce drasticamente il numero di operazioni I/O del disco, accelerando il recupero dei dati. Tuttavia, vale la pena notare che anche gli indici hanno i loro compromessi. Sebbene velocizzino le operazioni di lettura, possono rallentare le operazioni di scrittura (inserimento, aggiornamento, eliminazione) perché ogni operazione di scrittura ora richiede anche l'aggiornamento dell'indice.
La struttura interna dell'indice del database e il suo meccanismo di funzionamento
Una struttura comune utilizzata per gli indici dei database è il B-Tree (Balanced Tree), sebbene altre strutture come Hash, R-Tree, Bitmap e altre, a seconda del DBMS e della natura dei dati.
Un indice B-Tree è una struttura dati bilanciata e auto-ordinante che mantiene i dati ordinati e consente operazioni di inserimento, cancellazione e ricerca efficienti. La "radice" del B-Tree contiene puntatori ai nodi "figli", che contengono inoltre puntatori ai rispettivi nodi "figli", formando una struttura ad albero.
Quando il DBMS deve trovare un particolare record, inizia dal nodo radice del B-Tree e naviga verso il basso attraverso i nodi figli fino a trovare il record desiderato. Questo è molto più veloce della scansione di ogni riga di una tabella.
Caratteristiche principali dell'indice del database
Alcune delle caratteristiche salienti dell'indice del database includono:
- Miglioramento delle prestazioni: Gli indici migliorano significativamente la velocità delle operazioni di recupero dei dati.
- Struttura: Spesso utilizzano strutture basate su alberi (come B-Tree o B+Tree), ma vengono utilizzati anche altri tipi come Hash, Bitmap, ecc.
- Magazzinaggio: Memorizzano un sottoinsieme di dati dal database e un puntatore alla posizione di ciascun dato.
- Compromessi: Mentre migliorano le operazioni di lettura, gli indici possono rallentare le operazioni di scrittura perché ogni modifica sulla tabella richiede modifiche corrispondenti nell'indice.
- Tipi: Gli indici possono essere cluster o non cluster, ciascuno con caratteristiche e usi distinti.
Tipi di indice del database
Esistono principalmente due tipi di indici:
| Tipo di indice | Descrizione |
|---|---|
| Indice cluster | Un indice cluster determina l'ordine fisico dei dati in una tabella. Pertanto, una tabella può avere un solo indice cluster. |
| Indice non cluster | Un indice non cluster non determina l'ordine fisico dei dati in una tabella. Utilizza invece un puntatore per individuare i dati. Una tabella può avere più indici non cluster. |
Alcuni altri tipi di indice sono:
- Indice univoco: Garantisce che i dati nella colonna indicizzata siano univoci.
- Indice composito: Utilizza più colonne per l'indice.
- Indice bitmap: Ideale per colonne con un numero limitato di valori distinti (cardinalità bassa).
- Indice del testo completo: Utilizzato per ricerche full-text.
- Indice spaziale: Utilizzato per i tipi di dati geometrici.
Implementazione e gestione dell'indice del database
L'uso degli indici, sebbene vantaggioso, richiede un'attenta gestione. L'indicizzazione eccessiva può comportare operazioni di scrittura più lente e uno spreco di spazio di archiviazione. La sottoindicizzazione, d'altro canto, può comportare operazioni di lettura più lente.
È fondamentale monitorare le prestazioni del database e aggiornare regolarmente la strategia di indicizzazione per soddisfare le esigenze attuali del database. Inoltre, la scelta del giusto tipo di indice in base alla natura dei dati e alle operazioni eseguite su di essi gioca un ruolo significativo nell'implementazione efficiente dell'indice.
Confronti e caratteristiche degli indici dei database
Ecco una tabella comparativa dei diversi tipi di indici:
| Tipo di indice | Velocizza le operazioni di lettura | Rallenta le operazioni di scrittura | Requisiti di spazio |
|---|---|---|---|
| Raggruppato | SÌ | SÌ | Moderare |
| Non in cluster | SÌ | SÌ | Alto |
| Bitmap | Sì (cardinalità bassa) | SÌ | Basso |
| Testo intero | Sì (ricerche di testo) | SÌ | Alto |
| Spaziale | Sì (dati geometrici) | SÌ | Alto |
Prospettive e tecnologie future nell'indicizzazione dei database
Il futuro dell’indicizzazione dei database risiede in sistemi più automatizzati e adattivi. Sono in fase di sviluppo tecniche di machine learning e intelligenza artificiale per gestire e ottimizzare automaticamente gli indici in base al cambiamento dei modelli di carico di lavoro.
Inoltre, con l’avvento dei database non relazionali (NoSQL), si stanno sviluppando diverse strategie e strutture di indicizzazione. Ad esempio, nei database Graph, l'adiacenza senza indice significa che ogni elemento contiene un puntatore diretto all'elemento adiacente.
Indice del database e server proxy
Anche se i server proxy non interagiscono direttamente con gli indici dei database, svolgono un ruolo significativo nel bilanciamento dei carichi e nella memorizzazione nella cache, il che influisce indirettamente sulle prestazioni dei database.
Quando viene utilizzato un server proxy, può memorizzare nella cache le risposte da un database. Se la stessa richiesta viene effettuata nuovamente, il proxy può restituire la risposta memorizzata nella cache, riducendo il carico sul database. Ciò aiuta indirettamente a utilizzare meglio le risorse del database, inclusi gli indici.
Inoltre, in un ambiente DBMS in cui vengono gestiti più server di database, è possibile utilizzare server proxy per distribuire il carico, garantendo un utilizzo efficiente di tutte le risorse.
