Estruturas de Indexação

Apresentação em tema: "Estruturas de Indexação"— Transcrição da apresentação:

1 Estruturas de Indexação
Profa. Maria Claudia Reis Cavalcanti Prof. Ronaldo Ribeiro Goldschmidt Material adaptado das notas de aula da Professora Ana Maria de C. Moura – IME e Maria Luiza Campos - UFRJ

2 Índices São estruturas de dados (arquivos) adicionais àquelas contendo os registros de dados (vide tópico anterior) Provêm caminhos de acesso alternativos aos registros sem afetar a disposição física dos registros no arquivo Um índice acelera a recuperação de registros baseada no campo de indexação Campo de indexação ou campo chave: atributos indexadores usados para construir o índice e para encontrar o end. do registro buscado. Chave de busca: outro termo utilizado para fazer referência ao conjunto de campos usado para indexação de um arquivo. Não confundir com o conceito de chave. A princípio, qualquer subconjunto de campos do registro de um arquivo pode compor uma chave de busca para construção de um índice sobre tal arquivo. Índices pressupõem que já tenha sido utilizada alguma organização primária na construção de um arquivo. Campo de indexação ou chave de busca são duas formas de ver a mesma coisa... 1: campo usado para construir o índice ou 2: campo usado para fazer buscas sobre o índice. 10

3 Índices O que é um índice:
Estrutura de dados interna ao SGBD que permite acesso mais rápido às informações do banco. Exemplo (simplificado): ATENAS 30 ADAMS F5 LONDRES 20 CLARK F4 PARIS BLAKE F3 10 JONES F2 SMITH F1 CIDADE STATUS NOME CODIGO Fornecedor 1 SMITH 2 JONES 4 CLARK 3 BLAKE 5 ADAMS Endereço (Bloco) Nome Índice sobre o atributo Nome de Fornecedor Observação: Índices devem ser utilizados com critério pois afeta desempenho das consultas e das demais operações.

4 Índices Vantagens: Desvantagens:
Acesso mais rápido ao registro quando a procura é sobre campo indexado. Menos I/O: arquivo de índice menor que o arquivo de dados. Desvantagens: Inclusão, exclusão e alteração ficam mais lentas. Mais espaço de armazenamento.

5 Tipos de Índices Ind. Primário x Índ. Secundário x Índ. Clustering
Índice Denso x Índice não Denso (Esparso) Índice de um único nível x índices de Múltiplos Níveis Índices Invertidos 11

6 Tipos de Índices Um Índice Primário é construído sobre o campo-chave de classificação de um arquivo ordenado de registros Lembrando que: campo-chave de classificação é o campo usado para ordenar fisicamente os registros do arquivo no disco, e cada registro deve possuir um valor único para o campo Um Índice Clustering é construído sobre um campo de ordenação que não é um campo chave e por isso, diversos registros no arquivo podem ter o mesmo valor para este campo Um Índice Secundário é construído sobre quaisquer outros campos que não os de ordenação física do arquivo. Obs: Um arquivo pode ter, no máximo, um campo de classificação física, portanto, ele só terá um índice primário ou um índice de cluster, mas não ambos.

7 Tipos de Índices Um Índice Denso possui uma entrada no índice para cada registro no arquivo de dados. Os registros podem estar armazenados em qualquer ordem no arquivo. Um Índice Não Denso (índice esparso) consiste num índice para blocos ou páginas do arquivo, cada um dos quais contendo um grupo de registros. Os registros precisam estar organizados segundo o atributo indexador. Sao exemplos de indice esparso os indices primario e cluster, que no caso pressupoem que o arquivo esteja fisicamente ordenado segundo a chave de indexacao. Um índice de hash também é um exemplo de índice não denso pois a idéia é que para valores distintos da chave de busca a fç hash gere um único valor, que corresponde a uma única entrada no índice que leva a um mesmo bloco onde estáo os registros com tais valores

8 Tipos de Índices Índice Denso sobre Idade Arquivo de Dados
Ashby, 25, 3000 Smith, 44, 3000 Ashby Cass Smith 22 25 30 40 44 50 Índice Não Denso sobre NOME Arquivo de Dados 33 Bristow, 30, 2007 Basu, 33, 4003 Cass, 50, 5004 Tracy, 44, 5004 Daniels, 22, 6003 Jones, 40, 6003 Índice Denso sobre Idade (ordenado por Nome) Repare que no indice denso tenho ateh valores repetidos apontando para registros diferentes

9 Índices Primários Registros com 2 campos:
Campo de mesmo domínio da chave de classificação do arquivo de dados Ponteiro para um bloco de disco (end. bloco) Uma entrada de índice para cada bloco Em cada entrada do índice, o valor do campo chave contém o valor do mesmo campo no primeiro registro do bloco – registro âncora. No. de entradas do índice = No. de blocos que ocupa o arquivo É um índice esparso Precisa de muito menos blocos que o arquivo que indexa, portanto uma busca binária em um arquivo de índices exige muito menos acessos a blocos O indice primario precisa de muito menos blocos do que o arquivo

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11 Exemplo 1 – Sem Índices r = 30.000 registros bloco B = 1.024 bytes.
registro R = 100 bytes (reg. tamanho fixo) bfr(fator de blocagem) = B/R = 1024/100 = 10 registros por bloco número total de blocos: b = r/bfr = /10 = 3000 blocos Uma busca binária no arquivo necessitaria aproximadamente log2b = log = 12 acessos ao bloco (supondo arquivo ordenado). Uma busca linear, precisaria, no pior caso, de 3000 acessos (registro desejado no último bloco) No caso de um arquivo desordenado, a busca é sequencial e vai no pior caso fazer 3000 acessos a bloco até encontrar o registro que se quer. Busca binária pressupõe que o arquivo está ordenado pela chave de busca, e que há a informação sobre a lista de blocos e seus endereços

12 Exemplo 2 – com Índice Primário
Cont. Exemplo 1 chave de ordenação: V = 9 bytes ponteiro (para arquivo) : P = 6 bytes, cada entrada no índice :Ri = = 15 bytes; fator de blocagem para o índice bfri = B/Ri = 1024/15 = 68 entradas por bloco. n0 total de entradas no índice = n0 de blocos do arq. dados: ri/bfri = 3000/68 = 45 blocos. Utilizando pesquisa binária no índice: log2 bi = log2 45 = 6 acessos a bloco. pesquisa do registro usando o índice: = 7 acessos (acesso adicional ao bloco no arquivo de dados), contra 12 da pesquisa binária sobre o arquivo de dados.

13 Índices Clustering Campo de indexação não é campo chave
Pode haver valores repetidos É chamado de campo de agrupamento Registros com 2 campos: Campo de mesmo domínio do campo de indexação do arquivo de dados Ponteiro para um bloco de disco (end. bloco) Há uma entrada no índice para cada valor distinto que o campo de indexação assume Índice esparso Não necessariamente o registro âncora contém o mesmo valor do campo de indexação do índice Para aliviar o problema da inclusão usa-se reservar um bloco ou conj de blocos para cada valor distinto

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16 Indices Secundários Pode haver vários para um mesmo arquivo
Estrutura similar aos outros tipos: 2 campos Pode ser construído sobre chave-candidata – valor único por registro Uma entrada para cada entrada do índice (índice denso), pois como o arquivo não está ordenado por chave-candidata, não podem ser utilizadas âncoras de bloco Como há um maior número de entradas, então é maior tempo de busca em relação ao índice primário Mas comparativamente ao arquivo não indexado, o ganho é maior, pois sem o índice seria necessário realizar uma busca linear Como o arquivo não está fisicamente ordenado por chave-candidata não se pode usar âncoras de bloco...

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18 Indices secundários (cont.)
Também pode ser construído Sobre campo não-chave – com valores repetidos Diversas entradas no índice com um mesmo valor Uma outra opção seria manter registros de tamanho variável nas entradas de índice (campo multivalorado), com vários endereços de bloco para um dado valor de indexação A opção mais usada mantém registros de índice fixos e acrescenta mais um nível com os endereços de bloco

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20 Exemplo 3 – com Índice Secundário
r = registros de R = 100 bytes ; B = bytes (tamanho do bloco); n0 blocos(b) = 3.000; busca linear no arquivo de dados*: b/2= 3000/2 = acessos (média); Utilizando um índice secundário tamanho campo chave V = 9 bytes; ponteiro de bloco (P) = 6 bytes; tamanho registro(índice) Ri = = 15 bytes; fator de blocagem (índice) bfri = B/Ri = 1024/15 = 68 número total de blocos (índice) bi = ri/bfri = /68 = 442 blocos. (arq. denso, onde o n0 de entradas = n0 de registros no arq. de dados) busca binária : log2 bi = log = 9 acessos a bloco pesquisa num registro = 10 acessos (acesso adicional ao bloco) 10 contra 1500 acessos !!! *: dados não ordenados

21 Resumo (1) Campo de Indexação Utilizado para Classificar o Arquivo
Campo de Indexação Não Utilizado para Classificar o Arquivo Campo de indexação é chave (não admite repetição de valor) Índice Primário Índice Secundário (sobre chave candidata) Campo de indexação não é chave (admite repetição de valor) Índice Clustering Índice Secundário (sobre qualquer atributo não chave)

22 Resumo (2) Tipo de Índice
Número de Entradas de Índice (Primeiro Nível) Denso ou Esparso Âncora de Bloco no Arquivo de Dados Primário Número de blocos do arquivo de dados Esparso Sim Clustering Número de valores distintos do campo de indexação Sim/Não (*) Secundário (sobre Chave Candidata) Número de registros do arquivo de dados Denso Não Secundário (sobre campo que não é chave) Número de registros ou número de valores distintos do campo de indexação (*) – Sim, se todo valor distinto do campo de indexação iniciar um novo bloco; Não, caso contrário

23 Índices Invertidos Emp(nome,sexo, est._civil, ....)
Existe um índice secundário sobre o 20 e 30 atributos de Emp, p/ os quais o valor do atributo existe. Consiste de um conj. de pares palavra (chave de pesquisa)-ponteiro, de tal forma que o índice aponta p/ as ocorrências onde aquele valor ocorre (=Verd)

24 Exemplo Claudia.... Beatriz... feminino Paulo.... divorciado

25 Índices de múltiplos níveis (1)
Um índice de um único nível é um arquivo ordenado. Por isso, é possível criar um índice não denso sobre um índice. Criamos assim um índice de dois níveis. Esse processo pode ser repetido criando-se um índice de múltiplos níveis, ou uma estrutura de árvore. 15

26 O Exemplo é um índice multinível construído sobre um índice primário.
Pode-se repetir a criação de índices até que um nível em que todas as entradas caibam em um único bloco, o topo Pode-se construir índices multiníveis sobre qq índice seja ele primário, clustering ou secundário. O Exemplo é um índice multinível construído sobre um índice primário. O problema com esta abordagem surge qdo precisamos incluir e excluir… o que antes estava distribuído em blocos com ocupação equivalente, acaba ficando desbalanceado, descompensado… precisamos e uma estrutura que se reorganize na medida da necessidade… arvores B e B+ - que são classificadas como um ínidice multinível dinâmico O ISAM (index sequential access method) é um indice multinível, mas é uma estrutura estática, que utiliza áreas de overflow quando ocorrem eventuais inserções, precisando ser rerganizada periodicamente. Permitem rápida recuperação de dados tanto randômica quanto sequencialmente. São recomendadas para relações com baixa taxa de atualização.

27 Índices de múltiplos níveis (2)
Obs: Esta estrutura é mais eficiente pq: A busca em um índice de um nível leva Log 2 bi acessos A busca em um índice multinível leva Log brfi bi acessos Cada nível reduz o n. de entradas do nível anterior dividindo-o por bfri Pode-se construir índices multiníveis sobre qq índice seja ele primário, clustering ou secundário O problema com esta abordagem surge qdo precisamos incluir e excluir: pode gerar desbalanceamento É necessária uma estrutura que se reorganize na medida da necessidade. Ex: árvores B e B+ - que são classificadas como índices multiníveis dinâmicos 15

28 Árvores nó folha nó raiz (nível 0) nível 1 nível 2 nível 3
B C D nível 1 G H I nível 2 E F J K nível 3 nó folha Sub-árvore de altura 2 Árvore de altura 3

29 Árvores de Busca Usada p/ pesquisa de registro, a partir do valor de um dos campos Uma árvore de ordem p é uma árvore em que cada nó contém no máximo p-1 valores de busca e p ponteiros na ordem < P1, K1, P2, K2, ... , Pq-1, Kq-1, Pq > onde: q  p, Pi é um ponteiro para um nó filho (ou um ponteiro nulo) Ki é um valor de pesquisa (todos os valores são distintos). Restrições: Dentro de cada nó, K1 < K2 < ... < Kq-1 Para todos os valores X em uma subárvore apontada por Pi Ki-1 < X < Ki para 1 < i < q X < Ki para i = 1 Ki-1 < X para i = q

30 P1 K Ki-1 Pi Ki Kq-1 Pq Um nó de uma árvore de pesquisa X X X X < K1 Ki-1 < X < Ki Kq-1 < X 5 3 6 9 7 1 8 12 Uma árvore de pesquisa de ordem p = 3

31 Índices Multiníveis Dinâmicos
Árvores de Busca De ordem p (máximo de endereços apontados por um nó) <P1,k1,P2,k2, …kq-1, Pq> onde q <= p k1 < k2 <… < kq-1 Pode haver ponteiros nulos Cada nó da árvore pode ser armazenado em um bloco Um ponteiro Pi pode apontar para registros ou blocos de registro que contenham um dado valor ki Relembrando o que é uma árvore de busca... Árvores B (B-trees) e B+ são tipos especiais de árvore de busca

32 Estruturas do tipo Árvore B
São estruturas balanceadas de múltiplos níveis, cada bloco do índice contendo espaço para um número fixo de ponteiros. Constituem estruturas dinâmicas, cujos nós se re-arranjam automaticamente com inserções e deleções de forma a manter a estrutura balanceada. B significa Balanced, pois todas as folhas estão a mesma distância do nó raiz. Assim as Árvores B garantem uma eficiência previsível. Permitem rápida recuperação de dados tanto randômica quanto sequencialmente. Desbalanceada = nós folha nos vários níveis… Uma árvore desbalanceada levaria a vários acessos a bloco até chegar no registro desejado… ineficiência… Muitas deleções deixam os nós da árvore com desperdício de espaço

33 Exemplo de Árvore-B

34 Árvore B: Balanceamento
Ao tentar inserir em um nó completo Se for raiz, o nó se divide em dois nós de nível 1, onde somente o valor do meio se mantém na raiz. Se não for raiz, o nó se divide em dois, e o valor do meio sobe para o nó pai, e se o nó pai estiver completo, propaga-se a divisão até chegar a raiz Ao excluir um nó com metade da capacidade Ele é combinado com seus vizinhos

35 Inserções e Deleções em Árvores B
Valores a inserir: 8,5,1,7,3,12,9,6,4 nó de uma árvore B de ordem p = 3

36 Inserções e Deleções em Árvores B
1 insere 8, 5 insere 1 (overflow) 5 8

37 Inserções e Deleções em Árvores B
5 separa, novo nível 1 8

38 Inserções e Deleções em Árvores B
insere 12 (overflow) 5 12

39 Inserções e Deleções em Árvores B
separa, mesmo nível 7 12

40 Inserções e Deleções em Árvores B
insere 9, 6 insere 4 (overflow) 4

41 Inserções e Deleções em Árvores B
5 3 8 separa e propaga 1 4

42 Exemplo 4 Campo de busca V = 9 bytes Tamanho do bloco B = 512 bytes
Tamanho do Ponteiro de Registro Pr = 7 bytes Tamanho do Ponteiro de Bloco P = 6 bytes Cálculo da ordem p de uma árvore: cada nó pode conter no máximo p ponteiros de dados e p-1 valores (p * 6) + ((p-1)*(7+9) <= 512 (22 * p) <= 528 Escolhe-se p de modo que se aproveite bem o bloco (23) Poderia ser 24, mas reserva-se espaço no bloco para informações adicionais como o número q de entradas no nó Para saber a ordem p de uma árvore

43 Estruturas do tipo Árvore B+
Há diversas variedades de árvores B, a maior parte das implementações usa a árvore B+. Na árvore B+ apenas os nós folha têm ponteiros para os registros (ou blocos de registros) de dados. Uma árvore B+ de grau m tem as seguintes propriedades: Todo nó tem entre [m/2] e m filhos (onde m é um inteiro > 3 e usualmente ímpar), exceto a raiz que não tem um limite inferior (m pode ser 0). Todas as folhas estão no mesmo nível, ou seja, a mesma distância da raiz. Um nó não folha com n filhos contém n-1 chaves. 17

44 Exemplo de Árvore B+ Ponteiro para a folha com menor
Há dois tipos de nó… arruma-se os ponteiros de dados todos nos nós folha de forma a facilitar o acesso ordenado Nó interno Nó folha O ponteiro para o nó folha sequinte proporciona acesso ordenado aos registros a partir de um valor do campo de busca… Um ponteiro para o nó folha anterior tb costuma ser usado em algumas implementações No caso de campos nao chave, isto é com valores repetidos, pode-se adotar um nível a mais com blocos cheios de ponteiros… assim os nós folha da árvore apontariam para um terceiro tipo de nó, contendo somente ponteiros para registros Ponteiro para a folha com menor chave maior que Kq-1

45 Um exemplo simples de Árvore B+
Folhas 1250 0625 1000 2000 0350 Note que os valores se repetem no nó interno e no nó folha 0350 0625 1000 2000 1250 1425 1300 1600 Registros de Dados

46 Inserções e Deleções em Árvores B+
Inserir: 8,5,1,7,3,12,9,6,4 árvore B+ de ordem p = 3 p folha = 2 1 Insere 8, 5 Tenta inserir 1 (overflow)

47 Inserções e Deleções em Árvores B+
5 separação: novo nível 8

48 Inserções e Deleções em Árvores B+
tenta inserir 3 (overflow) 5 3

49 Inserções e Deleções em Árvores B+
separação mesmo nível 5

50 Inserções e Deleções em Árvores B+
tenta inserir 12 (overflow) 12 5

51 Inserções e Deleções em Árvores B+
5 separação, propagação, novo nível 3 8 5 12

52 Inserções e Deleções em Árvores B+
5 insere 9 tenta inserir 6 (overflow) 3 8 6 5

53 Inserções e Deleções em Árvores B+
5 separação, mesmo nível 3 5 8

54 Inserções e Deleções em Árvores B+
5 insere 4 3 8

55 Inserções e Deleções em Árvores B+
Eliminando 8 5 3 7

56 Inserções e Deleções em Árvores B+
Eliminando 3 5 7 1 4 5

57 Exemplo 5 Campo de busca V = 9 bytes Tamanho do bloco B = 512 bytes
Tamanho do Ponteiro de Registro Pr = 7 bytes Tamanho do Ponteiro de Bloco P = 6 bytes Cada nó interno tem no máximo p ponteiros de dados e p-1 valores e cada nó folha tem no máximo pfolha ponteiros (p * 6) + ((p-1)*(9) <= 512 (15 * p) <= 521 Escolhe-se p de modo que se aproveite bem o bloco (34) Cabem mais entradas que na árvore B correspondente (pfolha * (7+ 9)) + 6 <= 512 16 * pfolha <= 506 Escolhe-se pfolha = 31 Também no caso da árvore B+ se reserva um espaço do bloco para informações adicionais Calcula-se duas ordens para os diferentes tipos de nó da árvore B+

58 Bons/ Maus candidatos para índice
Examinar as consultas e operações sobre as relações Bons Candidatos Atributos da Primary key Atributos usados em junções (chaves estrangeiras) Atributos usados na cláusula WHERE: escolha aqueles usados em mais consultas ou nas consultas consideradas críticas Atributos usados na ordenação do resultado das consultas Atributos onde agregados são frequentemente calculados Maus Candidatos Atributos com alta taxa de atualização Atributos com poucos valores distintos, com má distribuição de valores Atributos muito longos

59 Resumo Diferentes estruturas de armazenamento existem, cada uma adequada para determinados requisitos É comum se ter diversos índices definidos sobre um arquivo , cada qual com diferentes campos indexadores. No entanto, se o arquivo for muito dinâmico, a manutenção dos índices torna-se cara. O projeto físico é altamente dependente do SGBD em questão, pois normalmente variam bastante seus mecanismos de alocação e gerenciamento de páginas e áreas de disco, além das alterativas de estruturas oferecidas. Após a etapa inicial de implantação de um BD, seu uso fornece informações valiosas para que se faça o tuning do mesmo, refinando o projeto inicial. 22

60 Resumo Arquivos HEAP são bons para tabelas pequenas ou temporárias
Arquivos ordenados ou baseados em estruturas de árvore são adequados para buscas do tipo intervalo (>, etc.) ou segundo a ordem do atributo de ordenação. Também servem para buscas baseadas em igualdade. Arquivos Hashed são bons para seleções baseadas em igualdade 23

61 Estruturas de Indexação
Leituras Recomendadas Cap. 14 – Elmasri e Navathe Cap. 12 – Silberschatz e Korth Atividades Práticas Exercícios do livro-texto (Elmasri e Navathe): 14.1 a 14.7, a