11.9. Сканирование только индекса и покрывающие индексы

Все индексы в Postgres Pro являются вторичными, что значит, что каждый индекс хранится вне области основных данных таблицы (которая в терминологии Postgres Pro называется кучей таблицы). Это значит, что при обычном сканировании индекса для извлечения каждой строки необходимо прочитать данные и из индекса, и из кучи. Более того, тогда как элементы индекса, соответствующие заданному условию WHERE, обычно находятся в индексе рядом, строки таблицы могут располагаться в куче произвольным образом. Таким образом, обращение к куче при поиске по индексу влечёт множество операций произвольного чтения кучи, которые могут обойтись недёшево, особенно на традиционных вращающихся носителях. (Как описано в Разделе 11.5, сканирование по битовой карте пытается снизить стоимость этих операций, упорядочивая доступ к куче, но не более того.)

Чтобы решить эту проблему с производительностью, Postgres Pro поддерживает сканирование только индекса, при котором результат запроса может быть получен из самого индекса, без обращения к куче. Основная идея такого сканирования в том, чтобы выдавать значения непосредственно из элемента индекса, и не обращаться к соответствующей записи в куче. Для применения этого метода есть два фундаментальных ограничения:

  1. Тип индекса должен поддерживать сканирование только индекса. Индексы-B-деревья поддерживают его всегда. Индексы GiST и SP-GiST могут поддерживать его с одними классами операторов и не поддерживать с другими. Другие индексы такое сканирование не поддерживают. Суть нижележащего требования в том, что индекс должен физически хранить или каким-то образом восстанавливать исходное значение данных для каждого элемента индекса. В качестве контрпримера, индексы GIN неспособны поддерживать сканирование только индекса, так как в элементах индекса обычно хранится только часть исходного значения данных.

  2. Запрос должен обращаться только к столбцам, сохранённым в индексе. Например, если в таблице построен индекс по столбцам x и y, и в ней есть также столбец z, такие запросы будут использовать сканирование только индекса:

    SELECT x, y FROM tab WHERE x = 'key';
    SELECT x FROM tab WHERE x = 'key' AND y < 42;

    А эти запросы не будут:

    SELECT x, z FROM tab WHERE x = 'key';
    SELECT x FROM tab WHERE x = 'key' AND z < 42;

    (Индексы по выражениям и частичные индексы усложняют это правило, как описано ниже.)

Если два этих фундаментальных ограничения выполняются, то все данные, требуемые для выполнения запроса, содержатся в индексе, так что сканирование только по индексу физически возможно. Но в Postgres Pro существует и ещё одно требование для сканирования таблицы: необходимо убедиться, что все возвращаемые строки «видны» в снимке MVCC запроса, как описано в Главе 13. Информация о видимости хранится не в элементах индекса, а только в куче; поэтому на первый взгляд может показаться, что для получения данных каждой строки всё равно необходимо обращаться к куче. И это в самом деле так, если в таблице недавно произошли изменения. Однако для редко меняющихся данных есть возможность обойти эту проблему. Postgres Pro отслеживает для каждой страницы в куче таблицы, являются ли все строки в этой странице достаточно старыми, чтобы их видели все текущие и будущие транзакции. Это отражается в битах в карте видимости таблицы. Процедура сканирования только индекса, найдя потенциально подходящую запись в индексе, проверяет бит в карте видимости для соответствующей страницы в куче. Если он установлен, значит эта строка видна, и данные могут быть возвращены сразу. В противном случае придётся посетить запись строки в куче и проверить, видима ли она, так что никакого выигрыша по сравнению с обычным сканированием индекса не будет. И даже в благоприятном случае обращение к кучи не исключается совсем, а заменяется обращением к карте видимости; но так как карта видимости на четыре порядка меньше соответствующей ей области кучи, для работы с ней требуется много меньше операций физического ввода/вывода. В большинстве ситуаций карта видимости просто всё время находится в памяти.

Таким образом, тогда как сканирование только по индексу возможно лишь при выполнении двух фундаментальных требований, оно даст выигрыш, только если для значительной части страниц в куче таблицы установлены биты полной видимости. Но таблицы, в которых меняется лишь небольшая часть строк, встречаются достаточно часто, чтобы этот тип сканирования был весьма полезен на практике.

Чтобы эффективно использовать возможность сканирования только индекса, вы можете создавать покрывающие индексы. Такие индексы специально предназначены для включения столбцов, которые требуются в определённых часто выполняемых запросах. Так как в запросах обычно нужно получить не только столбцы, по которым выполняется поиск, Postgres Pro позволяет создать индекс, в котором некоторые столбцы будут просто «дополнительной нагрузкой», но не войдут в поисковый ключ. Это реализуется предложением INCLUDE, в котором перечисляются дополнительные столбцы. Например, если часто выполняется запрос вида

SELECT y FROM tab WHERE x = 'key';

при традиционном подходе его можно ускорить, создав индекс только по x. Однако такой индекс:

CREATE INDEX tab_x_y ON tab(x) INCLUDE (y);

может удовлетворить такие запросы при сканировании только индекса, так как значение y можно получить из индекса, не обращаясь к данным в куче.

Так как столбец y не является частью поискового ключа, он не обязательно должен иметь тип данных, воспринимаемый данным индексом; он просто сохраняется внутри индекса и никак не обрабатывается механизмом индекса. Кроме того, в случае с уникальным индексом, например:

CREATE UNIQUE INDEX tab_x_y ON tab(x) INCLUDE (y);

условие уникальности распространяется только на столбец x, а не на x и y в совокупности. (Предложение INCLUDE можно также добавить в ограничения UNIQUE и PRIMARY KEY, что позволяет определить такой индекс альтернативным образом.)

Добавлять в индекс неключевые дополнительные столбцы следует обдуманно, особенно когда это большие столбцы. Если размер кортежа в индексе превысит максимально допустимый размер для типа индексов, при добавлении данных возникнет ошибка. В любом случае в неключевых столбцах дублируются данные из самой таблицы, что приводит к разрастанию индекса, а следствием этого может быть замедление запросов. И помните, что практический смысл включать дополнительные столбцы в индекс есть только тогда, когда таблица меняется достаточно медленно, и при сканировании только индекса не приходится обращаться к куче. Если кортеж в любом случае придётся прочитывать из кучи, получить значение столбца из него ничего не стоит. Покрывающие индексы имеют и другие ограничения: в настоящее время в качестве включаемых столбцов нельзя задать выражения, и поддерживаются такие индексы только одного типа — B-деревья.

До появления в Postgres Pro покрывающих индексов (INCLUDE) пользователям иногда приходилось задействовать дополнительные столбцы как обычные столбцы индекса, то есть писать

CREATE INDEX tab_x_y ON tab(x, y);

даже не намереваясь когда-либо использовать y в предложении WHERE. Это работает, когда дополнительные столбцы добавляются в конец; делать их начальными неразумно по причинам, описанным в Разделе 11.3. Однако этот подход не годится для случая, когда вам нужно обеспечить уникальность ключевого столбца (столбцов). К тому же, если явно добавить пометку INCLUDE для не участвующих в поиске столбцов, индекс будет немного меньше, так как такие столбцы не хранятся на верхних уровнях B-дерева.

В принципе сканирование только индекса может применяться и с индексами по выражениям. Например, при наличии индекса по f(x), где x — столбец таблицы, должно быть возможно выполнить

SELECT f(x) FROM tab WHERE f(x) < 1;

как сканирование только индекса; и это очень заманчиво, если f() — сложная для вычисления функция. Однако планировщик Postgres Pro в настоящее время может вести себя не очень разумно. Он считает, что запрос может выполняться со сканированием только индекса, лишь когда из индекса могут быть получены все столбцы, требующиеся для запроса. В этом примере x фигурирует только в контексте f(x), но планировщик не замечает этого и решает, что сканирование только по индексу невозможно. Если сканирование только индекса заслуживает того, эту проблему можно обойти, добавив x как неключевой столбец, например:

CREATE INDEX tab_f_x ON tab (f(x)) INCLUDE (x);

Если это делается ради предотвращения многократных вычислений f(x), следует также учесть, что планировщик не обязательно свяжет упоминания f(x), фигурирующие вне индексируемых предложений WHERE, со столбцом индекса. Обычно он делает это правильно в простых запросах, вроде показанного выше, но не в запросах с соединениями. Эти недостатки могут быть устранены в будущих версиях Postgres Pro.

С использованием частичных индексов при сканировании только по индексу тоже связаны интересные особенности. Предположим, что у нас есть частичный индекс, показанный в Примере 11.3:

CREATE UNIQUE INDEX tests_success_constraint ON tests (subject, target)
    WHERE success;

В принципе с ним мы можем произвести сканирование только по индексу при выполнении запроса

SELECT target FROM tests WHERE subject = 'some-subject' AND success;

Но есть одна проблема: предложение WHERE обращается к столбцу success, который отсутствует в результирующих столбцах индекса. Тем не менее, сканирование только индекса возможно, так как плану не нужно перепроверять эту часть предложения WHERE во время выполнения: у всех записей, найденных в индексе, значение success = true, так что в плане его не нужно проверять явно. Postgres Pro версий 9.6 и новее распознает такую ситуацию и сможет произвести сканирование только по индексу, но старые версии неспособны на это.