Was ist ein Datenbankindex? Warum ist er wichtig?

Datenbanken können Tausende, wenn nicht Hunderttausende von Informationen enthalten. Das Durchsuchen dieser kann sowohl für Menschen als auch für Maschinen unglaublich zeitaufwendig sein.

Ähnlich wie ein Buchindex Benutzer zu der Seite führt, die sie suchen, hilft ein Datenbankindex Benutzern und Computern, eine Datenbank zu navigieren und schnell die benötigten Informationen zu finden.

Betrachten Sie den Index als ein schnelles Nachschlagewerk, insbesondere bei der Verwendung einer MySQL-Datenbank. Das Ziel des Indexierens ist es, Millionen von Datensätzen schnell zu durchsuchen, um die Abfrageleistung zu verbessern.

Während traditionelle Datenbanken Indexierungsmethoden wie B-Bäume für strukturierte Daten verwenden, indizieren Vektordatenbanken hochdimensionale Daten (wie Text-Einbettungen oder Bilder), um komplexe Abfragen effizient zu bearbeiten und schnellere Abrufe und Ähnlichkeitssuchen zu ermöglichen.

Ohne einen Index müssen Abfragen die Datenbank Zeile für Zeile durchgehen, bis sie ein passendes Ergebnis finden. Dies ist höchst ineffizient und nimmt viel Zeit in Anspruch. Ein Index ordnet die Datenbank selbst nicht neu, sondern erstellt stattdessen eine neue Datenstruktur für eine bestimmte Spalte der Datenbank, wodurch das Durchsuchen der Informationen schneller wird.

Warum werden Datenbankindizes benötigt?

Indizes sind von unschätzbarem Wert, um Datenbank-Abfragen schneller und effizienter zu machen. Sie sollten jedoch strategisch eingesetzt werden, um übermäßigen Speicherverbrauch und Wartungsaufwand bei Schreiboperationen zu vermeiden.

• Verbesserte Abfrageleistung: Indizes reduzieren die Menge der während einer Abfrage gescannten Daten, sodass die Datenbank Zeilen direkt lokalisieren kann, anstatt einen vollständigen Tabellenscan durchzuführen.
• Effizientes Sortieren: Beschleunigen Sie Operationen wie ORDER BY und GROUP BY, indem Sie Daten effizienter sortieren.
• Durchsetzung der Einzigartigkeit: Stellen Sie sicher, dass bestimmte Spalten nur eindeutige Werte enthalten, was für Primärschlüssel und eindeutige Einschränkungen entscheidend ist.
• Schnellere Joins: Verbessern Sie die Leistung von Joins, indem Sie Zeilen zwischen Tabellen schnell abgleichen, indem Sie Indizes auf Fremdschlüsseln verwenden.
• Reduzierte Festplatten-I/O: Begrenzen Sie die gescannten Zeilen, reduzieren Sie den Speicherverbrauch und minimieren Sie Festplatten-I/O-Operationen.
• Unterstützung für die Suche: Optimieren Sie Suchabfragen mit Filtern wie WHERE-Klauseln.

Betrachten wir ein Beispiel. Unten ist eine Tabelle mit Benutzerdaten,

Abfrage ohne Index:

Die Datenbank führt einen vollständigen Tabellenscan durch und überprüft jede Zeile, bis sie eine Übereinstimmung findet. Dies kann bei einer Tabelle mit Millionen von Zeilen sehr langsam sein.

Abfrage mit Index:

Erstellen Sie einen Index auf der E-Mail-Spalte: CREATE INDEX idx_email ON Users (Email);

Jetzt verwendet die Abfrage den Index, um die Zeile direkt zu lokalisieren, was den Prozess erheblich beschleunigt.

Arten der Datenbankindexierung

Es gibt zwei Haupttypen von Datenbankindizes:

• Clustered Indexes, auch als Primärschlüsselindizes bekannt, werden verwendet, um die physische Reihenfolge der Informationen in einer Datenbanktabelle zu ändern. Jede Tabelle kann nur einen Clustered Index haben, da die Datenzeilen gemäß den indizierten Spalten neu angeordnet werden. Dies macht diese Indizes ideal für einfachere Datenbanken. Diese primären Indizes werden oft automatisch erstellt, wenn eine neue Tabelle in der Datenbank erstellt wird.
• Nicht-clustered Indexes. Diese Indizes sind als sekundäre Indizes bekannt, da sie die Reihenfolge der Informationen in einer Datenbanktabelle nicht ändern. Stattdessen speichern sie Informationen in einer separaten Datenstruktur, die das Original repliziert. Die Datenbanktabelle kann mehrere nicht-clustered Indizes haben, die alle einen Zeiger enthalten, der eine Abfrage zur richtigen Adresse im Datenbankspeicher führt.

Abhängig von der Art der gespeicherten Daten gibt es andere Formen von Datenbankindizes, die man verwenden kann.

• Bitmap-Index: Dies sind einige der am häufigsten verwendeten Indizes. Sie speichern Daten als Bit-Arrays und beantworten Abfragen durch bitweise logische Operationen. Bitmap-Indizes sind der effizienteste Typ, wenn Werte in einem Index häufig wiederholt werden, wie z.B. männlich oder weiblich.
• Invertierter Index: Für textbasierte Suchen ist ein invertierter Index der beste Weg, um Wörter den Dokumenten zuzuordnen, in denen sie in einer Datenbank enthalten sind.
• Hash-Index: Datenmanagement mit Millionen von Datensätzen kann herausfordernd sein, aber es kann erheblich einfacher werden, wenn man einen Hash-Index verwendet. Dieser Index wird mit Spalten erstellt, die eindeutige Werte haben, wie E-Mail-Adressen.

Wie funktioniert ein Datenbankindex?

Daten in einer indizierten Datenbank sind typischerweise in Tabellen geordnet, mit Zeilen, die jeweils einen eindeutigen Schlüssel haben. Dies unterscheidet sie von anderen Zeilen und hilft dem Index, Daten schnell zu finden. Ohne diese Zeilen und Schlüssel bleibt die Information ein ungeordnetes Durcheinander.

Typischerweise sortieren sich Daten auf irgendeine Weise, wenn sie in Ihre Datenbank eingegeben werden. Aber dies kann nur auf einer einzigen Spalte basieren, was nicht immer am hilfreichsten ist. Ein Index bedeutet, dass Sie Ihre Datentabellen nach mehreren Spalten und Filtern sortieren können, was zukünftige Abfragen erheblich erleichtert.

Durch das Einrichten eines Indexes mit mehreren Spalten wird eine neue Tabelle erstellt, die mit der Originaltabelle identisch ist, plus einer zusätzlichen Spalte. Diese Spalte enthält den Zeiger, der angibt, wo der Datensatz gespeichert ist und wie der Index die Informationen effizienter findet.

Wie werden Indizes erstellt?

Wenn eine neue Zeile zur Datenbank hinzugefügt wird, wie z.B. bei Aktualisierungen, wird ein zusätzlicher eindeutiger Schlüssel erstellt und der Index automatisch aktualisiert. Aber in einigen Fällen ist es am besten, den Index selbst zu erstellen, insbesondere wenn Sie häufig nach ähnlichen Informationen suchen.

Wenn Sie einen Index selbst erstellen, ist es wichtig, dass die Eingabesyntax korrekt ist. Zum Beispiel ist CREATE INDEX normalerweise die erste Zeile des Codeeingangs in die Datenbank, wenn ein Index von Grund auf neu erstellt wird. Von dort aus könnte das Format folgendermaßen aussehen:

Obwohl Indizes hilfreich sind, können zu viele auch die Suchgeschwindigkeit verlangsamen. Es ist am besten, Indizes nur für Spalten in einer Datenbank zu erstellen, die häufig durchsucht werden müssen, wie z.B. die Telefonnummer eines Kunden.

Wie funktioniert die Vektordatenbankindexierung?

Vektordaten sind entscheidend, um generative KI-Modelle effektiv arbeiten zu lassen. Diese werden in einem numerischen Format wie [1,1] aufgelistet, während sie Kosinus-Ähnlichkeitsmetriken verwenden und jedem Objektinstanz zugewiesen werden. Durch die Umwandlung des Objekts in eine Zahl kann das Modell die Informationen in der Datenbank besser verstehen.

Die Verwendung von Vektoreinbettungen ist auch hilfreich, wenn mit Daten in verschiedenen Formaten gearbeitet wird, wie Text, Bilder oder Videos. Anstatt jedes dieser Formate separat in der Datenbank aufzulisten, bedeutet die Vektorindexierung, dass ähnliche Objekte zusammen gruppiert werden können, um die Abfrage zu beschleunigen.

Zum Beispiel werden ähnliche Objekte wie Äpfel und Bananen wahrscheinlich eng in einem Vektordiagramm gruppiert, während Bücher und Zeitschriften weiter von Äpfeln und Bananen entfernt gruppiert werden, da sie deutlich unterschiedlich sind. Wenn ein Benutzer die Datenbank nach Zeitungen abfragt, wird er wahrscheinlich zu Informationen über Bücher und Zeitschriften geleitet, da dies eine ähnlichere Suche im Vergleich zu Äpfeln oder Bananen ist.

Beim Suchen mit generativer KI verwenden diese Vektoren Indizes, die als Approximate Nearest Neighbor (ANN)-Suchen bekannt sind. Diese basieren darauf, wie ähnlich jedes Element in einer Datenbank seinem Nachbarn ist, sodass das Ordnen des Indexes nach Ähnlichkeit die Abfragezeiten erheblich verkürzen kann.

Best Practices für den Aufbau von Datenbankindizes

Die Erstellung von Indizes kann schnell kompliziert werden, insbesondere wenn Sie mit einer großen Datenbank und Millionen oder sogar Milliarden von Datenzeilen arbeiten. Der Aufbau von Indizes ist jedoch eine lohnende Aufgabe, daher kann das Befolgen einiger Best Practices von Anfang an Ihnen helfen, nützliche und verwendbare Indizes für jede Datenbank zu erstellen.

Indizieren Sie Ihre wichtigsten Abfragen

Wenn eine bestimmte Abfrage mehrmals pro Woche oder sogar täglich ausgeführt wird, priorisieren Sie die Erstellung von Indizes, die am besten dafür geeignet sind. Eine optimale Leistung bei diesen Abfragen wird den Arbeitsablauf effizienter machen, insbesondere wenn leitende Analysten in Ihrem Unternehmen diese Abfragen im Vergleich zu weniger erfahrenen Mitarbeitern generieren.

Erstellen Sie Indizes nach Arbeitslast

Einer der größten Fehler ist es, Ihren Index nach dem zu erstellen, was Sie denken, dass Sie später benötigen werden. Da das Ziel eines Indexes darin besteht, Abfragen zu erleichtern, ist der beste Weg, einen zu erstellen, abzuschätzen, wie oft eine bestimmte Abfrage verwendet wird, und sie basierend auf ihrer Wichtigkeit zu priorisieren.

Von dort aus können Sie die richtige Anzahl von Tabellen indizieren, anstatt die beste Vermutung zu treffen und von Anfang an eine festgelegte Anzahl von Indizes festzulegen.

Fügen Sie Spalten für Index-Only-Zugriff hinzu

Wenn Sie Spalten für den Index-Only-Zugriff hinzufügen, kann die Abfrage einfach aus dem Index selbst beantwortet werden, anstatt dass die Abfrage Daten aus der Haupttabelle ziehen muss. Der Index kann genügend Informationen enthalten, um diese Abfrage zu beantworten, was noch mehr Zeit spart.

Dies ist ein wesentlicher Faktor, den Sie berücksichtigen sollten, bevor Sie den Index-Only-Zugriff für diesen bestimmten Datensatz einrichten, da andere Abfragen möglicherweise die Haupttabellendaten lesen müssen.

Setzen Sie kein festes Limit für die Anzahl der Indizes

Da mehr Daten zu Ihrer Datenbank hinzugefügt werden, müssen Sie möglicherweise zusätzliche Indizes erstellen, um Ihre Daten schnell zu finden. Daher ist es nie eine gute Idee, von Anfang an eine feste Anzahl von Indizes festzulegen. Es gibt keinen Grund, sich in der Aufbauphase zu beschränken, wenn Sie noch nicht sicher sind, wie oder welche Daten in Zukunft verwendet werden könnten.

Ohne einen Index müssen alle Daten gescannt werden, was viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Wenn Sie die Anzahl der Indizes, die Ihr Unternehmen in einer Datenbank haben kann, begrenzen, bleibt kein Raum für zusätzliche Indizierung, sobald diese Zahl erreicht ist. Die folgenden Daten müssen manuell gescannt werden.

Stattdessen sollten Sie nur die notwendigen Indizes erstellen, wenn Sie sie benötigen, und diejenigen entfernen, die nicht mehr anwendbar sind. Dies senkt Ihre Gesamtanzahl an Indizes, was die Gesamtleistung der Datenbank verbessert, ohne Sie auf eine festgelegte Anzahl von Indizes zu beschränken.

Organisieren Sie sich mit Indizes

Die Indexierung von Daten kann anfangs Zeit in Anspruch nehmen, aber sobald Sie Ihre Indizes eingerichtet haben, können Sie Zeit und Ressourcen sparen, wenn Sie nach Informationen suchen, die Ihr Unternehmen besitzt. Dies macht den gesamten Prozess effizient. Wenn Sie also darüber nachdenken, die Daten Ihres Unternehmens zu organisieren, sollten Sie in Betracht ziehen, einen Index zu erstellen, der Ihre Arbeit schnell und einfacher macht.

Arbeiten Sie mit einem Datenbankverwaltungssystem (DMBS), um die kritischen Daten Ihres Unternehmens zu speichern, abzurufen und zu verwalten.