Oracle索引梳理系列（四）- Oracle索引种类之位图索引

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位图索引

1.1 位图索引概述

• 位图索引通过位图向量，表示索引键值在表中的分布。
• 适用于没有大量更新操作的对象，如：OLAP数据库。
• 对于存在大量更新操作的索引列，不适用位图索引。因此对于OLTP并不适用。
  • 更新位图向量时，相应位图涉及的所有数据行会被锁定，无法针对这些数据行的该索引列进行DML操作。

1.2 位图索引结构的说明

与B-tree索引的联系及区别如下：

• 与B-tree索引的联系：位图索引使用B-tree形式组成。
• 与B-tree索引的区别：位图索引的一个索引键值对应一个叶子节点。（B-tree的叶节点包含多个索引键值）
• 与B-tree索引的区别：位图索引使用位图向量标识键值对应的数据行分布情况。（B-tree采用rowid定位数据行）

此外：

• 位图索引创建时，不需要进行排序，因此速度较快；而B-tree索引创建时，需要排序等操作，因此慢很多。
• 位图索引允许键值为NULL，因此进行NULL条件查询时，可以使用索引。而B-tree索引不记录NULL（组合索引除外），因此会使用全表扫描。
• 对于表的访问效率很高
  • 当使用count(XX),可以直接访问索引就快速得出统计数据.
  • 当根据位图索引的列进行and,or或 in(x,y,..)查询时,直接用索引的位图进行或运算,在访问数据之前可事先过滤数据.

需要重申的是：

• B树索引中，由于根据键值的rowid定位数据行，因此相同的键值存在多次，与相应的rowid对应。
• 位图索引中，由于根据位图向量定位键值所在的数据行，因此相同键值只需要记录一次。

1.3 位图索引对于执行计划的影响

对于B-tree索引，CBO优化器会根据数据的具体分布情况，选择是否应用索引。

对于位图索引，即使读取非常大的数据，仍然会选择索引。

-- 查看测试数据表的结构
Yumiko@sunny >desc test01;
 Name                                          Null?    Type
 --------------------------------------------- -------- ----------------
 OWNER                                                  VARCHAR2(30)
 OBJECT_NAME                                            VARCHAR2(128)
 SUBOBJECT_NAME                                         VARCHAR2(30)
 OBJECT_ID                                              NUMBER
 DATA_OBJECT_ID                                         NUMBER
 OBJECT_TYPE                                            VARCHAR2(19)
 CREATED                                                DATE
 LAST_DDL_TIME                                          DATE
 TIMESTAMP                                              VARCHAR2(19)
 STATUS                                                 VARCHAR2(7)
 TEMPORARY                                              VARCHAR2(1)
 GENERATED                                              VARCHAR2(1)
 SECONDARY                                              VARCHAR2(1)

-- 查看表的总行数
Yumiko@sunny >select count(*) from test01;

  COUNT(*)
----------
     22928

-- 查看owner字段的数据分布情况，可以发现owner字段的含SYS的数据非常庞大，存在明显的数据倾斜
-- 准备为owner字段分两次，建立b-tree索引以及位图索引，通过相同的查询条件，比较索引的使用情况
Yumiko@sunny >select owner,count(*) from test01 group by owner order by count(*);

OWNER                            COUNT(*)
------------------------------ ----------
BI                                      8
SCOTT                                  10
SYS                                 22910

--建立b-tree索引并验证
Yumiko@sunny >create index BTREE_OWNER on test01(owner);
Index created.


Yumiko@sunny >select INDEX_NAME,INDEX_TYPE,TABLE_NAME from user_indexes where TABLE_NAME = 'TEST01';

INDEX_NAME                     INDEX_TYPE                  TABLE_NAME
------------------------------ --------------------------- ------------------------------
BTREE_OWNER                    NORMAL                      TEST01

--打开会话根据，已查看执行计划
Yumiko@sunny >set autotrace trace

--查询owner字段为BI时，由于从较多数据中检查个别数据，执行计划用到了索引扫描，通过索引块，快速定位目标数据的rowid，进而访问数据块获得结果。此时效率最高
Yumiko@sunny >select * from test01 where owner='BI';
8 rows selected.

Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 725909888

-------------------------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation                   | Name        | Rows  | Bytes | Cost (%CPU)| Time     |
-------------------------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT            |             |     8 |  1416 |     2   (0)| 00:00:01 |
|   1 |  TABLE ACCESS BY INDEX ROWID| TEST01      |     8 |  1416 |     2   (0)| 00:00:01 |
|*  2 |   INDEX RANGE SCAN          | BTREE_OWNER |     8 |       |     1   (0)| 00:00:01 |
-------------------------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):
---------------------------------------------------

   2 - access("OWNER"='BI')

Note
-----
   - dynamic sampling used for this statement

Statistics
----------------------------------------------------------
         40  recursive calls
          0  db block gets
         84  consistent gets
          4  physical reads
          0  redo size
       2010  bytes sent via SQL*Net to client
        469  bytes received via SQL*Net from client
          2  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
          8  rows processed

-- 查询owner字段为SYS时，由于数据中该字段的数据存在明显的数据倾斜，若通过索引方式检索，将先扫面大部分的索引块，然后再根据rowid查找数据块，此时代价十分大，不如直接全表扫描效率高，因此不用索引。
 Yumiko@sunny >select * from test01 where owner='SYS';

22910 rows selected.

Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 262542483

----------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation         | Name   | Rows  | Bytes | Cost (%CPU)| Time     |
----------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT  |        | 22064 |  3813K|   159   (2)| 00:00:02 |
|*  1 |  TABLE ACCESS FULL| TEST01 | 22064 |  3813K|   159   (2)| 00:00:02 |
----------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):
---------------------------------------------------

   1 - filter("OWNER"='SYS')

Note
-----
   - dynamic sampling used for this statement

Statistics
----------------------------------------------------------
          7  recursive calls
          0  db block gets
       2288  consistent gets
          8  physical reads
          0  redo size
    1148463  bytes sent via SQL*Net to client
      17266  bytes received via SQL*Net from client
       1529  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
      22910  rows processed

-- 删除B-tree索引，创建位图索引并查看
Yumiko@sunny >create bitmap index bitmap_owner on test01(owner);
Index created.

Yumiko@sunny >select INDEX_NAME,INDEX_TYPE,TABLE_NAME from user_indexes where TABLE_NAME = 'TEST01';

INDEX_NAME                     INDEX_TYPE                  TABLE_NAME
------------------------------ --------------------------- ------------------------------
BITMAP_OWNER                   BITMAP                      TEST01

-- 打开会话跟踪，以查看执行计划
Yumiko@sunny >set autotrace trace

-- 当查看owner为BI时，与b-tree一样，使用索引扫描的方式进行检索。
Yumiko@sunny >select * from test01 where owner='BI';
8 rows selected.

Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 3098739824

---------------------------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation                    | Name         | Rows  | Bytes | Cost (%CPU)| Time     |
---------------------------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT             |              |     8 |  1416 |    55   (0)| 00:00:01 |
|   1 |  TABLE ACCESS BY INDEX ROWID | TEST01       |     8 |  1416 |    55   (0)| 00:00:01 |
|   2 |   BITMAP CONVERSION TO ROWIDS|              |       |       |            |          |
|*  3 |    BITMAP INDEX SINGLE VALUE | BITMAP_OWNER |       |       |            |          |
---------------------------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):
---------------------------------------------------

   3 - access("OWNER"='BI')

Note
-----
   - dynamic sampling used for this statement

Statistics
----------------------------------------------------------
         40  recursive calls
          0  db block gets
         82  consistent gets
          0  physical reads
          0  redo size
       2010  bytes sent via SQL*Net to client
        469  bytes received via SQL*Net from client
          2  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
          8  rows processed

--当查看owner为SYS时，此时与B树索引不同，依然选择了位图索引
Yumiko@sunny >select * from test01 where owner='SYS';
22910 rows selected.

Execution Plan
----------------------------------------------------------
Plan hash value: 3098739824

---------------------------------------------------------------------------------------------
| Id  | Operation                    | Name         | Rows  | Bytes | Cost (%CPU)| Time     |
---------------------------------------------------------------------------------------------
|   0 | SELECT STATEMENT             |              | 22064 |  3813K|    55   (0)| 00:00:01 |
|   1 |  TABLE ACCESS BY INDEX ROWID | TEST01       | 22064 |  3813K|    55   (0)| 00:00:01 |
|   2 |   BITMAP CONVERSION TO ROWIDS|              |       |       |            |          |
|*  3 |    BITMAP INDEX SINGLE VALUE | BITMAP_OWNER |       |       |            |          |
---------------------------------------------------------------------------------------------

Predicate Information (identified by operation id):
---------------------------------------------------

   3 - access("OWNER"='SYS')

Note
-----
   - dynamic sampling used for this statement

Statistics
----------------------------------------------------------
          7  recursive calls
          0  db block gets
       2130  consistent gets
          0  physical reads
          0  redo size
    2526059  bytes sent via SQL*Net to client
      17266  bytes received via SQL*Net from client
       1529  SQL*Net roundtrips to/from client
          0  sorts (memory)
          0  sorts (disk)
      22910  rows processed

从上面可以看到，对于位图索引，即使从表中读取很多行，也会使用索引。

1.4 DML操作对于位图索引的影响

对于位图索引，当一个事务更新一条记录的索引列键值，且未提交事务时，其他事务对于该索引键值涉及的数据行的该索引列值的修改，将处于等待。

--查看当前两个会话的事件，无特殊事件
Yumiko@sunny >select SID,USERNAME,PROGRAM,EVENT from v$session where username='SCOTT';

   SID USERNAME           PROGRAM                           EVENT
------- ----------------- -------------------------------------------------------------
   147 SCOTT              sqlplus@OA01 (TNS V1-V3)          SQL*Net message from client
   153 SCOTT              sqlplus@OA01 (TNS V1-V3)          SQL*Net message from client

--查看表的前三行数据
Yumiko@sunny01 >select OWNER,OBJECT_ID,DATA_OBJECT_ID,OBJECT_TYPE from test01 where rownum < 4;

OWNER                           OBJECT_ID DATA_OBJECT_ID OBJECT_TYPE
------------------------------ ---------- -------------- -------------------
SYS                                    20              2 TABLE
SYS                                    44             44 INDEX
SYS                                    28             28 TABLE

--发起事务1对于位图索引列owner为SYS值的一行数据的owner字段的更新操作，但不提交事务。
Yumiko@sunny01 >update test01 set OWNER='SCOTT' where DATA_OBJECT_ID=28;
1 row updated.

--发起事务2对于位图索引列owner为SYS值的另一行数据库的owner字段的更新操作，此时事务停顿。
Yumiko@sunny02 >update test01 set OWNER='BI' where DATA_OBJECT_ID=44;

--查看此时会话的事件，发现有row lock等待事件
Yumiko@sunny >select SID,USERNAME,PROGRAM,EVENT from v$session where username='SCOTT';

     SID USERNAME           PROGRAM                          EVENT
--------- ------------------------------ ------------------------------------------------
     147 SCOTT              sqlplus@OA01 (TNS V1-V3)         enq: TX - row lock contention
     153 SCOTT              sqlplus@OA01 (TNS V1-V3)         SQL*Net message from client

通过上面的示例证明了对于位图索引列的更新，相应键值的位图向量涉及的数据行在键值更新事务提交前，会始终处于锁定状态，其他事务无法对这些数据行的该索引列进行DML操作。

因此，对于DML操作频繁度较高的OLTP数据库而言，位图索引不推荐使用。