F.7. bloom — индексный метод доступа, основанный на фильтрах Блума
Пред. НаверхПриложение F. Дополнительно поставляемые модули и расширения, поставляемые в postgrespro-std-17-contribНачало След.

F.7. bloom — индексный метод доступа, основанный на фильтрах Блума #

F.7.1. Параметры
F.7.2. Примеры
F.7.3. Интерфейс класса операторов
F.7.4. Ограничения
F.7.5. Авторы

Модуль bloom предоставляет индексный метод доступа, основанный на фильтрах Блума.

Фильтр Блума представляет собой компактную структуру данных, позволяющую проверить, является ли элемент членом множества. В виде метода доступа индекса он позволяет быстро исключать неподходящие кортежи по сигнатурам, размер которых определяется при создании индекса.

Сигнатура — это неточное представление проиндексированных атрибутов, вследствие чего оно допускает ложные положительные срабатывания; то есть оно может показывать, что элемент содержится в множестве, хотя это не так. Поэтому результаты поиска по такому индексу должны всегда перепроверяться по фактическим значениям атрибутов записи в таблице. Чем больше размер сигнатуры, тем меньше вероятность ложного срабатывания и число напрасных обращений к таблице, но это, разумеется, влечёт увеличение индекса и замедление сканирования.

Этот тип индекса наиболее полезен, когда в таблице много атрибутов и в запросах проверяются их произвольные сочетания. Традиционный индекс-B-дерево быстрее индекса Блума, но для поддержки всевозможных запросов может потребоваться множество индексов типа B-дерево, при том что индекс Блума нужен всего один. Заметьте, однако, что индексы Блума поддерживают только проверки на равенство, тогда как индексы-B-деревья также полезны при проверке неравенств и поиске в диапазоне.

F.7.1. Параметры #

Индекс bloom принимает в своём предложении WITH следующие параметры:

length

Длина каждой сигнатуры (элемента индекса) в битах, округлённая вверх до ближайшего числа, кратного 16. Значение по умолчанию — 80, а максимальное значение — 4096.

col1 — col32

Число битов, генерируемых для каждого столбца индекса. В имени параметра отражается номер столбца индекса, для которого это число задаётся. Значение по умолчанию — 2 бита, а максимум — 4095. Параметры для неиспользуемых столбцов индекса игнорируются.

F.7.2. Примеры #

Пример создания индекса bloom:

CREATE INDEX bloomidx ON tbloom USING bloom (i1,i2,i3)
       WITH (length=80, col1=2, col2=2, col3=4);

Эта команда создаёт индекс с длиной сигнатуры 80 бит, в которой атрибуты i1 и i2 отображаются в 2 бита, а атрибут i3 — в 4. Мы могли бы опустить указания length, col1 и col2, так как в них задаются значения по умолчанию.

Ниже представлен более полный пример определения и использования индекса Блума, а также приводится сравнение его с равнозначным индексом-B-деревом. Видно, что индекс Блума значительно меньше индекса-B-дерева, и при этом он может работать быстрее.

=# CREATE TABLE tbloom AS
   SELECT
     (random() * 1000000)::int as i1,
     (random() * 1000000)::int as i2,
     (random() * 1000000)::int as i3,
     (random() * 1000000)::int as i4,
     (random() * 1000000)::int as i5,
     (random() * 1000000)::int as i6
   FROM
  generate_series(1,10000000);
SELECT 10000000

Последовательное сканирование по этой большой таблице выполняется долго: 

=# EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM tbloom WHERE i2 = 898732 AND i5 = 123451;
                                              QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------​-----------------------------------
 Seq Scan on tbloom  (cost=0.00..2137.14 rows=3 width=24) (actual time=16.971..16.971 rows=0 loops=1)
   Filter: ((i2 = 898732) AND (i5 = 123451))
   Rows Removed by Filter: 100000
 Planning Time: 0.346 ms
 Execution Time: 16.988 ms
(5 rows)

Даже при наличии индекса btree сканирование остаётся последовательным: 

=# CREATE INDEX btreeidx ON tbloom (i1, i2, i3, i4, i5, i6);
CREATE INDEX
=# SELECT pg_size_pretty(pg_relation_size('btreeidx'));
 pg_size_pretty
----------------
 3976 kB
(1 row)
=# EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM tbloom WHERE i2 = 898732 AND i5 = 123451;
                                              QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------​-----------------------------------
 Seq Scan on tbloom  (cost=0.00..2137.00 rows=2 width=24) (actual time=12.805..12.805 rows=0 loops=1)
   Filter: ((i2 = 898732) AND (i5 = 123451))
   Rows Removed by Filter: 100000
 Planning Time: 0.138 ms
 Execution Time: 12.817 ms
(5 rows)

Если же для таблицы создан индекс bloom, поиск такого рода выполняется эффективнее, чем с индексом btree: 

=# CREATE INDEX bloomidx ON tbloom USING bloom (i1, i2, i3, i4, i5, i6);
CREATE INDEX
=# SELECT pg_size_pretty(pg_relation_size('bloomidx'));
 pg_size_pretty
----------------
 1584 kB
(1 row)
=# EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM tbloom WHERE i2 = 898732 AND i5 = 123451;
                                                     QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------​--------------------------------------------------
 Bitmap Heap Scan on tbloom  (cost=1792.00..1799.69 rows=2 width=24) (actual time=0.388..0.388 rows=0 loops=1)
   Recheck Cond: ((i2 = 898732) AND (i5 = 123451))
   Rows Removed by Index Recheck: 29
   Heap Blocks: exact=28
   ->  Bitmap Index Scan on bloomidx  (cost=0.00..1792.00 rows=2 width=0) (actual time=0.356..0.356 rows=29 loops=1)
         Index Cond: ((i2 = 898732) AND (i5 = 123451))
 Planning Time: 0.099 ms
 Execution Time: 0.408 ms
(8 rows)

При таком подходе основная проблема поиска по B-дереву состоит в том, что B-дерево неэффективно, когда условия поиска не ограничивают ведущие столбцы индекса. Поэтому, применяя индексы типа B-дерево, лучше создавать отдельные индексы для каждого столбца. В этом случае планировщик построит примерно такой план: 

=# CREATE INDEX btreeidx1 ON tbloom (i1);
CREATE INDEX
=# CREATE INDEX btreeidx2 ON tbloom (i2);
CREATE INDEX
=# CREATE INDEX btreeidx3 ON tbloom (i3);
CREATE INDEX
=# CREATE INDEX btreeidx4 ON tbloom (i4);
CREATE INDEX
=# CREATE INDEX btreeidx5 ON tbloom (i5);
CREATE INDEX
=# CREATE INDEX btreeidx6 ON tbloom (i6);
CREATE INDEX
=# EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM tbloom WHERE i2 = 898732 AND i5 = 123451;
                                                        QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------​--------------------------------------------------------
 Bitmap Heap Scan on tbloom  (cost=24.34..32.03 rows=2 width=24) (actual time=0.028..0.029 rows=0 loops=1)
   Recheck Cond: ((i5 = 123451) AND (i2 = 898732))
   ->  BitmapAnd  (cost=24.34..24.34 rows=2 width=0) (actual time=0.027..0.027 rows=0 loops=1)
         ->  Bitmap Index Scan on btreeidx5  (cost=0.00..12.04 rows=500 width=0) (actual time=0.026..0.026 rows=0 loops=1)
               Index Cond: (i5 = 123451)
         ->  Bitmap Index Scan on btreeidx2  (cost=0.00..12.04 rows=500 width=0) (never executed)
               Index Cond: (i2 = 898732)
 Planning Time: 0.491 ms
 Execution Time: 0.055 ms
(9 rows)

Хотя этот запрос выполняется гораздо быстрее, чем с каким-либо одиночным индексом, мы платим за это увеличением размера индекса. Каждый индекс-B-дерево занимает 2 Мбайта, так что общий объём индексов составляет 12 Мбайт, что в 8 раз больше размера индекса Блума.

F.7.3. Интерфейс класса операторов #

Класс операторов для индексов Блума требует наличия только хеш-функции для индексируемого типа данных и оператора равенства для поиска. Этот пример демонстрирует соответствующее определение класса операторов для типа text:

CREATE OPERATOR CLASS text_ops
DEFAULT FOR TYPE text USING bloom AS
    OPERATOR    1   =(text, text),
    FUNCTION    1   hashtext(text);

F.7.4. Ограничения #

  • В этот модуль включены только классы операторов для int4 и text.

  • При поиске поддерживается только оператор =. Но в будущем возможно добавление поддержки для массивов с операциями объединения и пересечения.

  • Метод доступа bloom не поддерживает уникальные индексы (UNIQUE).

  • Метод доступа bloom не поддерживает поиск значений NULL.

F.7.5. Авторы #

Фёдор Сигаев , Postgres Professional, Москва, Россия

Александр Коротков , Postgres Professional, Москва, Россия

Олег Бартунов , Postgres Professional, Москва, Россия

Пред. Наверх След.
F.6. basic_archive — пример модуля архивирования WAL Начало F.8. btree_gin — классы операторов GIN с поведением B-дерева