Hướng dẫn cơ bản về lập chỉ mục trong DBMS

Xin chào các bạn yêu thích cơ sở dữ liệu! Tôi rất vui mừng được làm hướng dẫn viên cho bạn trong hành trình thú vị này qua thế giới lập chỉ mục cơ sở dữ liệu. Như một người đã dạy khoa học máy tính trong nhiều năm, tôi có thể đảm bảo với bạn rằng việc thành thạo lập chỉ mục giống như mở khóa một siêu năng lực bí mật cho cơ sở dữ liệu của bạn. Hãy cùng nhau khám phá nhé!

DBMS - Indexing

Lập chỉ mục là gì?

Trước khi chúng ta đi vào chi tiết, hãy hiểu về lập chỉ mục. Hãy tưởng tượng bạn đang ở trong một thư viện (nhớ lại những nơi đó?). Bạn muốn tìm một cuốn sách về, ví dụ như "Lập trình Python cho đá pet". Bây giờ, bạn có thể đi qua từng cuốn sách trong thư viện, hoặc bạn có thể sử dụng hệ thống catalog thẻ ma thuật. Đó chính xác là điều lập chỉ mục làm cho cơ sở dữ liệu - nó là catalog số của chúng ta!

Lập chỉ mục là cách tối ưu hóa hiệu suất của cơ sở dữ liệu bằng cách giảm thiểu số lần truy cập đĩa cần thiết khi một truy vấn được xử lý. Nó giống như tạo một đường tắt đến dữ liệu của bạn.

Bây giờ, hãy cùng khám phá các loại chỉ mục khác nhau.

Chỉ mục dày đặc

Chỉ mục dày đặc là gì?

Chỉ mục dày đặc giống như có một bảng mục lục chi tiết cho từng trang trong một cuốn sách. Trong thuật ngữ cơ sở dữ liệu, nó có nghĩa là chúng ta có một bản ghi chỉ mục cho mỗi giá trị khóa tìm kiếm trong tệp cơ sở dữ liệu.

Cách nó hoạt động?

Giả sử chúng ta có một cơ sở dữ liệu nhỏ của những cuốn sách yêu thích:

CREATE TABLE books (
id INT PRIMARY KEY,
title VARCHAR(100),
author VARCHAR(50),
year INT
);

INSERT INTO books VALUES
(1, 'To Kill a Mockingbird', 'Harper Lee', 1960),
(2, '1984', 'George Orwell', 1949),
(3, 'Pride and Prejudice', 'Jane Austen', 1813),
(4, 'The Great Gatsby', 'F. Scott Fitzgerald', 1925);

Một chỉ mục dày đặc cho bảng này có thể trông như thế này:

Khóa chỉ mục (id)	Con trỏ
1	Record1
2	Record2
3	Record3
4	Record4

Mỗi mục trong chỉ mục chỉ trực tiếp đến bản ghi tương ứng trong bảng chính. Nó toàn diện nhưng có thể chiếm nhiều không gian cho các bộ dữ liệu lớn.

Chỉ mục thưa thớt

Chỉ mục thưa thớt là gì?

Chỉ mục thưa thớt giống như có các tiêu đề chương trong một cuốn sách, thay vì bảng mục lục chi tiết. Nó chứa các bản ghi chỉ mục cho chỉ một số giá trị khóa tìm kiếm.

Cách nó hoạt động?

Sử dụng ví dụ sách của chúng ta, một chỉ mục thưa thớt có thể trông như thế này:

Khóa chỉ mục (id)	Con trỏ
1	Block1
3	Block2

Ở đây, chúng ta chỉ lập chỉ mục mỗi bản ghi khác nhau. Khi tìm kiếm một cuốn sách với id 2, hệ thống sẽ xem chỉ mục, thấy rằng nó nằm giữa 1 và 3, sau đó tìm kiếm trong khối dữ liệu đó.

Chỉ mục nhiều cấp

Chỉ mục nhiều cấp là gì?

Chỉ mục nhiều cấp giống như một cuốn sách có bảng mục lục, tóm tắt chương và sau đó là các đoạn chi tiết. Nó là một chỉ mục... của một chỉ mục!

Cách nó hoạt động?

Hãy mở rộng cơ sở dữ liệu sách của chúng ta một chút:

INSERT INTO books VALUES
(5, 'The Catcher in the Rye', 'J.D. Salinger', 1951),
(6, 'Animal Farm', 'George Orwell', 1945),
(7, 'Lord of the Flies', 'William Golding', 1954),
(8, 'The Hobbit', 'J.R.R. Tolkien', 1937);

Một chỉ mục hai cấp có thể trông như thế này:

Chỉ mục ngoài: | Khóa chỉ mục (id) | Con trỏ | |------------------|---------| | 1 | Inner1 | | 5 | Inner2 |

Chỉ mục trong 1: | Khóa chỉ mục (id) | Con trỏ | |------------------|---------| | 1 | Record1 | | 2 | Record2 | | 3 | Record3 | | 4 | Record4 |

Chỉ mục trong 2: | Khóa chỉ mục (id) | Con trỏ | |------------------|---------| | 5 | Record5 | | 6 | Record6 | | 7 | Record7 | | 8 | Record8 |

Cấu trúc này cho phép tìm kiếm nhanh hơn trong các cơ sở dữ liệu rất lớn.

Cây B+

Cây B+ là gì?

Bây giờ, hãy tưởng tượng nếu hệ thống catalog thẻ của thư viện có thể tự động tổ chức lại để luôn hiệu quả, không matter bao nhiêu sách chúng ta thêm. Đó chính là điều cây B+ làm!

Cách nó hoạt động?

Cây B+ là một cấu trúc cây cân bằng giữ dữ liệu được sắp xếp và cho phép các thao tác chèn, xóa và tìm kiếm hiệu quả. Dưới đây là một biểu diễn đơn giản:

[4]
/     \
[2,3]    [6,7]
/  |  \   /  |  \
[1] [2] [3] [5] [6] [7,8]

Trong cấu trúc này:

Các nút lá (dưới cùng) chứa dữ liệu thực tế hoặc con trỏ đến dữ liệu.
Các nút không phải lá chứa các khóa hướng dẫn quá trình tìm kiếm.
Tất cả các nút lá đều ở cùng một cấp độ, đảm bảo thời gian tìm kiếm cân bằng.

Triển khai một Cây B+ đơn giản

Mặc dù việc triển khai đầy đủ một Cây B+ là phức tạp, dưới đây là một lớp Python đơn giản để bạn có thể hình dung:

class BPlusTree:
def __init__(self, order):
self.root = LeafNode()
self.order = order

class Node:
def __init__(self):
self.keys = []
self.children = []

class LeafNode(Node):
def __init__(self):
super().__init__()
self.next = None

class InternalNode(Node):
def __init__(self):
super().__init__()

# Các phương thức khác sẽ được triển khai ở đây cho các thao tác chèn, xóa và tìm kiếm

Đây chỉ là khung công tác, nhưng nó cho thấy cấu trúc cơ bản của cách một Cây B+ có thể được biểu diễn trong mã.

Kết luận

Và thế là bạn đã có tất tần tật về lập chỉ mục trong cơ sở dữ liệu, từ các chỉ mục dày đặc đến các cây B+ hiệu quả. Nhớ rằng việc chọn đúng chỉ mục giống như chọn đúng công cụ cho công việc - nó phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể và cấu trúc dữ liệu của bạn.

Tôi hy vọng hướng dẫn này đã chiếu sáng con đường lập chỉ mục cho bạn. Hãy tiếp tục thực hành, luôn tò mò, và trước khi bạn biết, bạn sẽ tối ưu hóa cơ sở dữ liệu như một chuyên gia! Ai biết, có lẽ một ngày nào đó bạn sẽ tạo ra một chỉ mục cho cuốn sách "Lập trình Python cho đá pet". Đến gặp lại, chúc các bạn lập mã vui vẻ!

Credits: Image by storyset