الفهارس Indexes في SQL

بعد أن تكلمنا في المقال السابق عن موضوع جملة الاستعلام في SQL وكيفية الاستعلام عن البيانات في جدول معين وترشيحها وفق الشروط التي نرغب بها، سنتناول في هذا المقال موضوع الفهارس Indexes وما تمثله في قاعدة البيانات، وما هي الفائدة منها.

فهرس الجدول

لو افترضنا وجود 1000 ملف ورقيّ غير مميزة عن بعضها وتحتوي على بيانات خاصة بطلاب جامعة، وهذه الملفات محفوظة في خزانتين منفصلتين، وأردنا الحصول على بيانات الطلاب الذين يسكنون منطقة معينة، ففي هذه الحالة سنضطر إلى فتح كل الملفات الموجودة في الخزانتيْن والبحث عن فئة الطلاب المستهدفة، وفرزهم والحصول على البيانات المطلوبة.

ماذا لو كان لدينا عدد ملفات أكبر؟ سيزداد الوقت والجهد للحصول على البيانات، لذلك، فإن فكرة فهرسة الملفات في هذه الحالة ستكون أمرا جيدا بالتأكيد. سنُفهرِس مثلا الملفات حسب المكان ثم نحفظها في الخزانتين، بحيث تحتوي كل خزانة على بيانات الطلاب لمنطقة أو مناطق معينة. ثم داخل كل خزانة، نستطيع فرز الملفات وحفظها حسب الاسم مثلا. بتطبيق مفهوم الفهرسة، سنوفر على أنفسنا عناء البحث في الخزانتين، وسنقلل الوقت والجهد اللازمين لذلك.

الفكرة الرئيسة للفهارس في قاعدة البيانات تدور حول المثال السابق، ففي ظل عصر تضخم البيانات، فإنه أصبح من الملح والضّروريّ وجود تقنيات لتسهيل الوصول السريع للمعلومة.

ما هو الفهرس؟

لو أردنا مثلا أن نبحث عن اسم شخص في جدول الأشخاص Persons عبر استخدام الجملة التالية:

SELECT *
FROM Persons
WHERE First_Name = "Ibrahim";

فإن نظام إدارة قاعدة البيانات سيمرّ على كل السجلات الموجودة في الجدول لترشيح السجلات وإرجاع تلك التي توافق الشرط في جملة where.

ستظهر لنا مشكلة الوقت اللازم لتنفيذ جملة الاستعلام – وتزداد -كلما زاد عدد السجلات في الجدول، فلو كان لدينا مثلا مليون سجل في الجدول Persons، ولنفترض جدلاً أن النظام باستطاعته المرور على 10 آلاف سجل في الثانية، فإننا بحاجة إلى 100 ثانية لتنفيذ جملة الاستعلام السابقة.

لحل المشكلة السابقة، فإن نُظم إدارة قواعد البيانات تقدم خاصية الفَهْرَسة.

الفَهْرَسة هي ببساطة عبارة عن مؤشر يحتوي على نسخة من جزء من البيانات في الجدول، بحيث تقوم هذه النسخة من البيانات بمهمة “الدليل” أو “المُؤَشّر” الذي يسرع الوصول إلى البيانات الأصلية الكاملة الموجودة في الجدول، بحيث لا تحتاج المرور الكامل على كل الجدول (No Full Table Scan) عند البحث عن البيانات.

يعدّ الفهرس عمليا طريقةً من طُرُق تراكيب البيانات، وهو عنصر مرتبط بوجود جدول في قاعدة البيانات، ولكن نستطيع تعريفه وحذفه منفصلا عن تعريف الجدول، ولا يكون له أي تأثير على نفس البيانات، فعند حذف الفهرس، فإن البيانات الموجودة في الجدول لا تتأثر.

يكون الفهرس في أغلب أنظمة إدارة قواعد البيانات من نوع “B-Tree” ويأتي هذا الاسم من بنية البيانات Data structure التي تحمل نفس الاسم، وهو المفضل لأن تُطبقه على العمود الذي يحتوي قيمًا متنوعة وكثيرة مثل الرقم القومي للشخص، وليس من المفضل أن تطبق فهرس “B-Tree” على العمود الذي يحتوي عددًا قليلًا من القيم.

توجد أنواع أخرى من الفهارس تُقدمها أنظمة إدارة قواعد البيانات مثل “Bitmap Index” و “Denes Index” ولكننا لن نتكلم عنها هنا لأنها خارج إطار موضوع المقال ولأنها تحتاج إلى مقالة منفصلة لشرحها.

كيف تُعرَّف الفهارس؟

يُعرَّف الفهرس بطريقتيْن:

• تعريفه ضمنيًّا: تُبنَى الفهارس ضمنيا على الأعمدة التي يُطَبَّق عليها القيد الفريد وقيد المفتاح الرئيسي، فعند تعريف أحد القيود السابقة، يُبنى فهرس تلقائيًّا على العمود أو الأعمدة المُقيَّدة.
• تعريفه صراحةً: يُبنَى الفهرس بطريقة مباشرة على العمود أو الأعمدة الذي نرغب وذلك باستخدام جملة Create Index.

على الرغم من أنه لا يوجد تعريف للفهرس في معايير SQL، إلا أن أغلب أنظمة إدارة قواعد البيانات تقدم الإمكانية لتعريف الفهرس ويتفق أغلبها على الصيغة العامة لذلك.

الصيغة العامة لتعريف الفهرس:

CREATE INDEX index_name
ON table_name (column1, column2, ...);

عند تعريف الفهرس، لابد أن يكون اسمه متوافقا مع القيود الخاصة بنظام إدارة قاعدة البيانات المستخدم، كما أنه يجب ألا يكون مُكررا، فأسماء الفهارس في قواعد البيانات يجب أن تكون فريدة ولا تتكرر.

لإضافة فهرس باسم First_Name_idx على عمود First_Name في الجدول Persons ننفذ الجملة التالية:

CREATE INDEX First_Name_idx
ON Persons (First_Name);

نستطيع تعريف فهرس فريد UNIQUE Index على عمود ممّا يجعل نظام قواعد البيانات يفحص التكرار داخل هذا النوع من الفهارس، حيث يتأكد النظام - في حالة إضافة أو تعديل قيمة لعمود عليه فهرس فريد - من أن هذه القيمة فريدة وغير مكررة؛ وفي حال كانت مكررة، يُرفَض هذا التغيير ويُظهَر خطأ في العملية.

مثلا، لو أردنا أن نضيف فهرسًا فريدًا على عمود Age في الجدول Persons ننفذ الجملة التالية:

CREATE UNIQUE INDEX Age_idx
ON Persons (Age);

نستطيع أيضا تعريف الفهرس على أكثر من عمود، كما في المثال التالي:

CREATE UNIQUE INDEX Multiple_Columns_idx
ON Persons (First_Name ,Age);

عرّفنا في المثال السابق فهرسًا على عمودين، وفي هذه الحالة، فإن الفهرس سيفيد في تنفيذ جملة الترتيب Order by التي تحتوي العمود First_Name ثم عمود Age بنفس الترتيب.

لن نستفيد من الفهرس السابق في حالة تنفيذ جملة الترتيب بترتيب مختلف للعمودين، ولن نستفيد أيضا منه في حالة تنفيذ جملة الاستعلام المشروطة بالبحث في هذين العمودين، حيث نحتاج لتعريف فهارس أخرى لكل عمود على حدة لتسريع عملية الاستعلام مع جملة Where.

حذف الفهارس

الصيغة العامة لحذف الفهرس كالتالي:

DROP INDEX Index_Name ;

فلحذف فهرس باسم Age_idx ننفذ الأمر التالي:

DROP INDEX Age_idx ;

متى نستخدم الفهارس؟

يفضل أن يتم بناء الفهارس على الأعمدة التي:

• يُبحث عنها في جملة Where.
• تُكتَب في جملة الترتيب Order By.
• تُكتَب في جملة التجميع Group By.
• تُستخدَم في جمل الربط Joins.
• تُستخدَم في الدوال الإحصائية مثل min وmax وmedian.

متى نتجنب استخدام الفهارس؟

لا تعدّ الفهارس مناسبة على الأعمدة التي:
- تحتوي على قيم فريدة قليلة مثل عمود الجنس (قيمتان فقط)، أو الحالة الاجتماعية.
- نادرة الاستخدام في جمل الاستعلام SELECT.
- التي تكون جزءًا من جدول ذي سجلات قليلة.

ملاحظات هامة:

• لأن الفهرس عنصر مستقل في قواعد البيانات، وبناؤه وتعريفه يعدّ إضافة عليها، فلابد أن يدير مسؤول قاعدة البيانات الصلاحيات اللازمة لهذا الأمر بحيث لا يؤثر سلبا على أداء قاعدة البيانات.
• لا يعدّ الفهرس أساسيا في بناء الجدول في قاعدة البيانات، وعليه قد لا يحتوي الجدول على فهرس، وقد يحتوي على فهرس أو أكثر.
• نستطيع أن نُعرّف الفهرس عند بناء الجدول (في نفس جملة بناء الجدول)، ولكن من ناحية عملية، فإن إدارة الفهارس والتعامل معها تعدّ عملية مستمرة ومتكررة. تُبنَى الفهارس وتُحذَف حسب الحاجة للوصول إلى الكفاءة المطلوبة في قاعدة البيانات، لذلك تُقدم نُظم قواعد البيانات الأدوات اللازمة لقياس كفاءة جمل الاستعلام وقياس الحاجة لبناء الفهارس من عدمه.
• لا تُعَرِّف فهارس أكثر من حاجتك وخاصة في الجداول التي تحتوي سجلات كثيرة، فكما أن الفهارس تُسرع من عملية الوصول للبيانات، فإنها تؤثر سلبا على عمليات الإضافة والتعديل، فعند كل إضافة أو تعديل لابد من تعديل الفهرس ليتلاءم مع التغييرات الجديدة.
• عند تعريف الفهرس، فإن نظام قاعدة البيانات هو الذي يحافظ على الفهرس ويستخدمه تلقائيا، وعليه لا يُطلب من مسؤول قاعدة البيانات أو المبرمج أو حتى المستخدم أي إجراء آخر بعد تعريف وبناء الفهرس.
• يُسمى الفهرس الذي يُعرَّف على عمود واحد “فهرسا بسيطا”، والفهرس الذي يُعرَّف على أكثر من عمود يسمى “فهرسا مركبا”.