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磁盤(pán)結(jié)構(gòu)和基本耗時(shí)

磁盤(pán)的組織結(jié)構(gòu) 盤(pán)片->磁道->扇區(qū)。由于盤(pán)片是并行操作的，因此可以忽略尋找盤(pán)片的時(shí)間。所以基本上要找一個(gè)數(shù)據(jù)需要找到對(duì)應(yīng)的磁道（類(lèi)似樹(shù)的年輪），再找對(duì)應(yīng)的扇區(qū)（一段扇形）。

磁盤(pán)性能的主要度量指標(biāo)有以下幾個(gè)：

訪問(wèn)時(shí)間：從發(fā)出讀寫(xiě)請(qǐng)求到數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸之間的時(shí)間。也就是磁盤(pán)定位數(shù)據(jù)的時(shí)間，在程序中就是那個(gè) seek。訪問(wèn)時(shí)間包括尋道時(shí)間（找磁道）和旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間（找扇區(qū)）。一般在幾毫秒級(jí)。

數(shù)據(jù)傳輸率：在定位數(shù)據(jù)之后。就開(kāi)始將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)和內(nèi)存之間傳輸了。這個(gè)時(shí)間一般每秒幾十MB。

順序訪問(wèn) vs 隨機(jī)訪問(wèn)

磁盤(pán)上的文件是一塊一塊組織的，這里的塊（block）是邏輯概念，可能512字節(jié)到幾KB。從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)需要一塊一塊讀。即使你只讀1Byte數(shù)據(jù)，也會(huì)讀一塊。

順序訪問(wèn)：連續(xù)訪問(wèn)磁盤(pán)相鄰的塊。這樣磁盤(pán)只需要一次磁盤(pán)尋道。

隨機(jī)訪問(wèn)：隨機(jī)訪問(wèn)磁盤(pán)不同位置的塊，一般每次只讀少量數(shù)據(jù)。這樣磁盤(pán)每處理一個(gè)隨機(jī)訪問(wèn)請(qǐng)求就需要一次磁盤(pán)尋道。隨機(jī)訪問(wèn)的效率遠(yuǎn)低于順序訪問(wèn)。

存儲(chǔ)模型

硬件：磁盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率記做 T，平均訪問(wèn)時(shí)間記為 S。

數(shù)據(jù)：一個(gè)包含 N 個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)是可比較的。數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上無(wú)序存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)均勻分布。每個(gè)數(shù)據(jù)所占空間為 X，那么數(shù)據(jù)的總大小為 NX。

這張圖表示數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的存放順序：

索引：在數(shù)據(jù)上建立索引，索引可以看成數(shù)據(jù)的一種映射，一種表示方式。可以全部放在內(nèi)存中，并且精確定位原始數(shù)據(jù)。

查詢(xún)流程

查詢(xún)模式：查詢(xún)有過(guò)濾條件，假設(shè)過(guò)濾條件的選擇度為 F，意思是查詢(xún)結(jié)果集占總數(shù)據(jù)量的 F 倍，F(xiàn) 處于 [0,1] 之間。

現(xiàn)在有兩種查詢(xún)方式：全表掃描、索引。全表掃描和索引都是邏輯概念。

全表掃描：最簡(jiǎn)單的查詢(xún)操作。即將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)上一個(gè)個(gè)讀到內(nèi)存中做過(guò)濾，最后返回結(jié)果。這種方式的特點(diǎn)是不管數(shù)據(jù)有沒(méi)有用，都先讀出來(lái)，磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)總量大，但是seek只有一次。對(duì)應(yīng)磁盤(pán)的順序訪問(wèn)。

黃色表示需要從磁盤(pán)讀到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，全表掃描時(shí)候就是這樣：

全表掃描總耗時(shí) = IO耗時(shí) = NX/T

索引：由于磁盤(pán)上數(shù)據(jù)是亂序的，我們建一個(gè)B+樹(shù)索引，并在內(nèi)存中維護(hù)索引，索引將所有數(shù)據(jù)排序，并記錄對(duì)應(yīng)的磁盤(pán)位置。在查詢(xún)時(shí)，首先在索引上過(guò)濾出所有結(jié)果集在磁盤(pán)上的位置，再到磁盤(pán)上去精確讀取結(jié)果集。這種包括少量的磁盤(pán)IO+大量的 seek。對(duì)應(yīng)磁盤(pán)的隨機(jī)訪問(wèn)。

效果圖如下圖：磁盤(pán)的操作為定位一個(gè)數(shù)據(jù)，讀取，再定位下一個(gè)數(shù)據(jù)......

Seek耗時(shí)：NFS

IO耗時(shí)：NFX/T

索引查詢(xún)總耗時(shí) = Seek耗時(shí) + IO 耗時(shí) = NFS + NFX/T

比較

接下來(lái)看看這些參數(shù)，在不考慮更新硬件時(shí)，磁盤(pán)吞吐率 T、平均訪問(wèn)耗時(shí) S、數(shù)據(jù)量 N、每個(gè)數(shù)據(jù)大小 X都是常量，沒(méi)得改。

一共就 NTFSX 五個(gè)參數(shù)，接下來(lái)只有 F了，這個(gè)東西是個(gè)變量，取決于查詢(xún)過(guò)濾條件。比如你想查身高150以上的男生，這個(gè)過(guò)濾條件就沒(méi)啥區(qū)分度，可能 F=0.8，大部分都會(huì)被選出來(lái)，但是如果查190以上的男生，可能 F=0.1，只有一小部分會(huì)被選出來(lái)。

有區(qū)別就有不同的應(yīng)對(duì)措施，我們可以根據(jù) F選擇查索引還是全表掃描。直接算一下什么時(shí)候索引查詢(xún)比全表掃描快，也就是下邊這個(gè)式子：

NFS + NFX/T < NX/T

即：F < X / (TS+X)

可以看到，跟總數(shù)據(jù)量沒(méi)關(guān)系，當(dāng) F 足夠小的時(shí)候，選擇索引比較好。如果結(jié)果集比較多，seek過(guò)多，那么全表掃描是更優(yōu)的。

例子

舉個(gè)實(shí)際例子感受一下：

平均Seek時(shí)間： S=5 ms

磁盤(pán)吞吐率：T=300 MB/s

單個(gè)數(shù)據(jù)大小：X=128 Byte

這個(gè)時(shí)候，過(guò)濾條件的選擇度需要小于 0.008%。

到此，相信大家對(duì)“數(shù)據(jù)庫(kù)索引與全表掃描有什么區(qū)別”有了更深的了解，不妨來(lái)實(shí)際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢(xún)，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！

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