PostgreSQL 14种索引的原理和应用场景

一、btree
  • 原理
    《深入浅出PostgreSQL B-Tree索引结构》
  • 应用场景
    b-tree适合所有的数据类型,支持排序,支持大于、小于、等于、大于或等于、小于或等于的搜索。
    索引与递归查询结合,还能实现快速的稀疏检索。
二、hash
  • 原理
    src/backend/access/hash/README
    (hash index entries store only the hash code, not the actual data value, for each indexed item. )
  • 应用场景
    hash索引存储的是被索引字段VALUE的哈希值,只支持等值查询。
    hash索引特别适用于字段VALUE非常长(不适合b-tree索引,因为b-tree一个PAGE至少要存储3个ENTRY,所以不支持特别长的VALUE)的场景,例如很长的字符串,并且用户只需要等值搜索,建议使用hash index
三、gin
  • 原理
    gin是倒排索引,存储被索引字段的VALUE或VALUE的元素,以及行号的list或tree。
  • 应用场景
    1、当需要搜索多值类型内的VALUE时,适合多值类型,例如数组、全文检索、TOKEN。(根据不同的类型,支持相交、包含、大于、在左边、在右边等搜索)
    2、当用户的数据比较稀疏时,如果要搜索某个VALUE的值,可以适应btree_gin支持普通btree支持的类型。(支持btree的操作符)
    3、当用户需要按任意列进行搜索时,gin支持多列展开单独建立索引域,同时支持内部多域索引的bitmapAnd, bitmapOr合并,快速的返回按任意列搜索请求的数据。
四、gist
  • 原理
    GiST stands for Generalized Search Tree.
    It is a balanced, tree-structured access method, that acts as a base template in which to implement arbitrary indexing schemes.
    B-trees, R-trees and many other indexing schemes can be implemented in GiST.
  • 应用场景
    GiST是一个通用的索引接口,可以使用GiST实现b-tree, r-tree等索引结构。
    不同的类型,支持的索引检索也各不一样。例如:
    1、几何类型,支持位置搜索(包含、相交、在上下左右等),按距离排序。
    2、范围类型,支持位置搜索(包含、相交、在左右等)。
    3、IP类型,支持位置搜索(包含、相交、在左右等)。
    4、空间类型(PostGIS),支持位置搜索(包含、相交、在上下左右等),按距离排序。
    5、标量类型,支持按距离排序。
五、sp-gist
  • 原理
    SP-GiST类似GiST,是一个通用的索引接口,但是SP-GIST使用了空间分区的方法,使得SP-GiST可以更好的支持非平衡数据结构,例如quad-trees, k-d tree, radis tree.
  • 应用场景
    1、几何类型,支持位置搜索(包含、相交、在上下左右等),按距离排序。
    2、范围类型,支持位置搜索(包含、相交、在左右等)。
    3、IP类型,支持位置搜索(包含、相交、在左右等)。
六、brin
  • 原理
    BRIN 索引是块级索引,有别于B-TREE等索引,BRIN记录并不是以行号为单位记录索引明细,而是记录每个数据块或者每段连续的数据块的统计信息。因此BRIN索引空间占用特别的小,对数据写入、更新、删除的影响也很小。
    BRIN属于LOSSLY索引,当被索引列的值与物理存储相关性很强时,BRIN索引的效果非常的好。
    例如时序数据,在时间或序列字段创建BRIN索引,进行等值、范围查询时效果很棒。
  • 应用场景
    《PostgreSQL 聚集存储 与 BRIN索引 - 高并发行为、轨迹类大吞吐数据查询场景解说》
七、rum
  • 原理
    https://github.com/postgrespro/rum
    rum 是一个索引插件,由Postgrespro开源,适合全文检索,属于GIN的增强版本。
    增强包括:
    1、在RUM索引中,存储了lexem的位置信息,所以在计算ranking时,不需要回表查询(而GIN需要回表查询)。
    2、RUM支持phrase搜索,而GIN无法支持。
    3、在一个RUM索引中,允许用户在posting tree中存储除ctid(行号)以外的字段VALUE,例如时间戳。
    这使得RUM不仅支持GIN支持的全文检索,还支持计算文本的相似度值,按相似度排序等。同时支持位置匹配,例如(速度与激情,可以采用"速度" <2> "激情" 进行匹配,而GIN索引则无法做到)
  • 应用场景
    《PostgreSQL 全文检索加速 快到没有朋友 - RUM索引接口(潘多拉魔盒)》
八、bloom
  • 原理
    bloom索引接口是PostgreSQL基于bloom filter构造的一个索引接口,属于lossy索引,可以收敛结果集(排除绝对不满足条件的结果,剩余的结果里再挑选满足条件的结果),因此需要二次check,bloom支持任意列组合的等值查询。
    bloom存储的是签名,签名越大,耗费的空间越多,但是排除更加精准。有利有弊。
  • 应用场景
    bloom索引适合多列任意组合查询
    《PostgreSQL 9.6 黑科技 bloom 算法索引,一个索引支撑任意列组合查询》
九、zombodb
  • 原理
    zombodb是PostgreSQL与ElasticSearch结合的一个索引接口,可以直接读写ES。
    https://github.com/zombodb/zombodb
  • 应用场景
    与ES结合,实现SQL接口的搜索引擎,实现数据的透明搜索。
十、bitmap
  • 原理
    bitmap索引是Greenplum的索引接口,类似GIN倒排,只是bitmap的KEY是列的值,VALUE是BIT(每个BIT对应一行),而不是行号list或tree。
    《Greenplum 最佳实践 - 什么时候选择bitmap索引》
  • 应用场景
    当某个字段的唯一值个数在100到10万之间(超出这个范围,不建议使用bitmap)时,如果表的记录数特别多,而且变更不频繁(或者是AO表),那么很适合BITMAP索引,bitmap索引可以实现快速的多个或单个VALUE的搜索。因为只需要对行号的BITMAP进行BIT与或运算,得到最终的BITMAP,从最终的BITMAP映射到行进行提取。
    bitmap与btree一样,都支持 等于,大于,小于,大于等于,小于等于的查询。
十一、varbitx
十二、部分索引
  • 应用场景
    PostgreSQL允许用户创建部分索引,例如业务上只关心激活用户,所以可以只对激活用户创建索引。
十三、表达式索引
  • 应用场景
    表达式索引也是PostgreSQL特有的特性,例如用户的数据需要转换后查询,例如某些设备上传的地理坐标的坐标系不符合国标,需要转换为国内的空间坐标来查询。
    那么可以针对这类字段,创建表达式索引,将转换过程放到表达式中,查询时也使用表达式进行查询。
十四、内部窥视索引存储
  • 应用场景
    通过pageinspect插件,可以读取索引页的内容。
参考文献
  1. PostgreSQL 9种索引的原理和应用场景
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