2025年9月25日: PostgreSQL 18 发布!
支持的版本: 当前 (18) / 17 / 16 / 15 / 14 / 13
开发版本: devel
不支持的版本: 12 / 11 / 10 / 9.6 / 9.5

65.5. BRIN 索引 #

65.5.1. 简介 #

BRIN代表“块范围索引”(Block Range Index)。BRIN旨在处理非常大的表,其中某些列与它们在表中的物理位置具有某种自然相关性。

BRIN它通过块范围(或页范围)工作。块范围是表中物理上相邻的页面组;对于每个块范围,索引会存储一些摘要信息。例如,存储商店销售订单的表可能有一个日期列,订单是在该日期下达的,而大多数时候,较早订单的条目也会更早地出现在表中;存储邮政编码列的表可能会自然地将一个城市的所有邮政编码分组在一起。

BRIN索引可以通过常规的位图索引扫描来满足查询,如果索引存储的摘要信息与查询条件一致,它将返回每个范围内的所有元组。查询执行器负责重新检查这些元组并丢弃不匹配查询条件的元组——换句话说,这些索引是“有损的”。由于一个BRIN索引非常小,扫描索引相对于顺序扫描的开销很小,但可能会避免扫描表中已知不包含匹配元组的大部分区域。

一个BRIN索引将存储的具体数据,以及索引能够满足的特定查询,取决于为索引的每个列选择的操作符类。具有线性排序顺序的数据类型可以具有操作符类,这些类存储每个块范围内的最小值和最大值,例如;几何类型可能存储块范围内所有对象的边界框。

块范围的大小在索引创建时由 pages_per_range 存储参数确定。索引条目的数量将等于关系的大小(以页为单位)除以所选的 pages_per_range 值。因此,数字越小,索引越大(因为需要存储更多的索引条目),但同时存储的摘要数据可以更精确,并且在索引扫描期间可以跳过更多数据块。

65.5.1.1. 索引维护 #

创建时,会扫描所有现有的堆页,并为每个范围创建一个摘要索引元组,包括末尾可能不完整的范围。随着新页面的填充数据,已经摘要的页面范围将导致摘要信息使用新元组中的数据进行更新。当创建一个不属于最后一个摘要范围的新页面时,该新页面所属的范围不会自动获得摘要元组;这些元组将保持未摘要状态,直到稍后调用摘要运行,为该范围创建初始摘要。

有几种方法可以触发页面范围的初始摘要。如果表被 vacuum,无论是手动还是通过 autovacuum,所有现有的未摘要页面范围都将被摘要。此外,如果索引的 autosummarize 参数被启用(默认情况下未启用),则每当 autovacuum 在该数据库中运行时,所有已填充的未摘要页面范围都将进行摘要,而无论表本身是否由 autovacuum 处理;见下文。

最后,可以使用以下函数(当这些函数运行时,search_path 会暂时更改为 pg_catalog, pg_temp):

brin_summarize_new_values(regclass),它会摘要所有未摘要的范围;
brin_summarize_range(regclass, bigint),它只摘要包含给定页面的范围(如果该页面是未摘要的)。

当启用自动摘要时,会向 autovacuum 发送一个请求,在检测到下一个块范围的第一页的第一个项被插入时,执行针对该块范围的摘要,该请求将在下一个 autovacuum 工作进程在同一个数据库中完成运行时被满足。如果请求队列已满,则不会记录该请求,并且会向服务器日志发送一条消息。

LOG:  request for BRIN range summarization for index "brin_wi_idx" page 128 was not recorded

发生这种情况时,该范围将保持未摘要状态,直到对表进行下一次常规 vacuum 运行,或者调用上面提到的函数之一。

反之,可以使用 brin_desummarize_range(regclass, bigint) 函数对范围进行反摘要,这在索引元组不再是很好的表示(因为现有值已更改)时很有用。有关详细信息,请参阅 第 9.28.8 节

65.5.2. 内置操作符类 #

核心 PostgreSQL 发行版包含BRIN表 65.4 中所示的操作符类。

minmax 操作符类存储在范围内的索引列中出现的值的最小值和最大值。inclusion 操作符类存储一个包含范围内的索引列中的值的单个值。bloom 操作符类为范围内的所有值构建一个 Bloom 过滤器。minmax-multi 操作符类存储多个最小值和最大值,代表在范围内的索引列中出现的值。

表 65.4. 内置BRIN操作符类

名称 可索引操作符
bit_minmax_ops = (bit,bit)
< (bit,bit)
> (bit,bit)
<= (bit,bit)
>= (bit,bit)
box_inclusion_ops @> (box,point)
<< (box,box)
&< (box,box)
&> (box,box)
>> (box,box)
<@ (box,box)
@> (box,box)
~= (box,box)
&& (box,box)
<<| (box,box)
&<| (box,box)
|&> (box,box)
|>> (box,box)
bpchar_bloom_ops = (character,character)
bpchar_minmax_ops = (character,character)
< (character,character)
<= (character,character)
> (character,character)
>= (character,character)
bytea_bloom_ops = (bytea,bytea)
bytea_minmax_ops = (bytea,bytea)
< (bytea,bytea)
<= (bytea,bytea)
> (bytea,bytea)
>= (bytea,bytea)
char_bloom_ops = ("char","char")
char_minmax_ops = ("char","char")
< ("char","char")
<= ("char","char")
> ("char","char")
>= ("char","char")
date_bloom_ops = (date,date)
date_minmax_ops = (date,date)
< (date,date)
<= (date,date)
> (date,date)
>= (date,date)
date_minmax_multi_ops = (date,date)
< (date,date)
<= (date,date)
> (date,date)
>= (date,date)
float4_bloom_ops = (float4,float4)
float4_minmax_ops = (float4,float4)
< (float4,float4)
> (float4,float4)
<= (float4,float4)
>= (float4,float4)
float4_minmax_multi_ops = (float4,float4)
< (float4,float4)
> (float4,float4)
<= (float4,float4)
>= (float4,float4)
float8_bloom_ops = (float8,float8)
float8_minmax_ops = (float8,float8)
< (float8,float8)
<= (float8,float8)
> (float8,float8)
>= (float8,float8)
float8_minmax_multi_ops = (float8,float8)
< (float8,float8)
<= (float8,float8)
> (float8,float8)
>= (float8,float8)
inet_inclusion_ops << (inet,inet)
<<= (inet,inet)
>> (inet,inet)
>>= (inet,inet)
= (inet,inet)
&& (inet,inet)
inet_bloom_ops = (inet,inet)
inet_minmax_ops = (inet,inet)
< (inet,inet)
<= (inet,inet)
> (inet,inet)
>= (inet,inet)
inet_minmax_multi_ops = (inet,inet)
< (inet,inet)
<= (inet,inet)
> (inet,inet)
>= (inet,inet)
int2_bloom_ops = (int2,int2)
int2_minmax_ops = (int2,int2)
< (int2,int2)
> (int2,int2)
<= (int2,int2)
>= (int2,int2)
int2_minmax_multi_ops = (int2,int2)
< (int2,int2)
> (int2,int2)
<= (int2,int2)
>= (int2,int2)
int4_bloom_ops = (int4,int4)
int4_minmax_ops = (int4,int4)
< (int4,int4)
> (int4,int4)
<= (int4,int4)
>= (int4,int4)
int4_minmax_multi_ops = (int4,int4)
< (int4,int4)
> (int4,int4)
<= (int4,int4)
>= (int4,int4)
int8_bloom_ops = (bigint,bigint)
int8_minmax_ops = (bigint,bigint)
< (bigint,bigint)
> (bigint,bigint)
<= (bigint,bigint)
>= (bigint,bigint)
int8_minmax_multi_ops = (bigint,bigint)
< (bigint,bigint)
> (bigint,bigint)
<= (bigint,bigint)
>= (bigint,bigint)
interval_bloom_ops = (interval,interval)
interval_minmax_ops = (interval,interval)
< (interval,interval)
<= (interval,interval)
> (interval,interval)
>= (interval,interval)
interval_minmax_multi_ops = (interval,interval)
< (interval,interval)
<= (interval,interval)
> (interval,interval)
>= (interval,interval)
macaddr_bloom_ops = (macaddr,macaddr)
macaddr_minmax_ops = (macaddr,macaddr)
< (macaddr,macaddr)
<= (macaddr,macaddr)
> (macaddr,macaddr)
>= (macaddr,macaddr)
macaddr_minmax_multi_ops = (macaddr,macaddr)
< (macaddr,macaddr)
<= (macaddr,macaddr)
> (macaddr,macaddr)
>= (macaddr,macaddr)
macaddr8_bloom_ops = (macaddr8,macaddr8)
macaddr8_minmax_ops = (macaddr8,macaddr8)
< (macaddr8,macaddr8)
<= (macaddr8,macaddr8)
> (macaddr8,macaddr8)
>= (macaddr8,macaddr8)
macaddr8_minmax_multi_ops = (macaddr8,macaddr8)
< (macaddr8,macaddr8)
<= (macaddr8,macaddr8)
> (macaddr8,macaddr8)
>= (macaddr8,macaddr8)
name_bloom_ops = (name,name)
name_minmax_ops = (name,name)
< (name,name)
<= (name,name)
> (name,name)
>= (name,name)
numeric_bloom_ops = (numeric,numeric)
numeric_minmax_ops = (numeric,numeric)
< (numeric,numeric)
<= (numeric,numeric)
> (numeric,numeric)
>= (numeric,numeric)
numeric_minmax_multi_ops = (numeric,numeric)
< (numeric,numeric)
<= (numeric,numeric)
> (numeric,numeric)
>= (numeric,numeric)
oid_bloom_ops = (oid,oid)
oid_minmax_ops = (oid,oid)
< (oid,oid)
> (oid,oid)
<= (oid,oid)
>= (oid,oid)
oid_minmax_multi_ops = (oid,oid)
< (oid,oid)
> (oid,oid)
<= (oid,oid)
>= (oid,oid)
pg_lsn_bloom_ops = (pg_lsn,pg_lsn)
pg_lsn_minmax_ops = (pg_lsn,pg_lsn)
< (pg_lsn,pg_lsn)
> (pg_lsn,pg_lsn)
<= (pg_lsn,pg_lsn)
>= (pg_lsn,pg_lsn)
pg_lsn_minmax_multi_ops = (pg_lsn,pg_lsn)
< (pg_lsn,pg_lsn)
> (pg_lsn,pg_lsn)
<= (pg_lsn,pg_lsn)
>= (pg_lsn,pg_lsn)
range_inclusion_ops = (anyrange,anyrange)
< (anyrange,anyrange)
<= (anyrange,anyrange)
>= (anyrange,anyrange)
> (anyrange,anyrange)
&& (anyrange,anyrange)
@> (anyrange,anyelement)
@> (anyrange,anyrange)
<@ (anyrange,anyrange)
<< (anyrange,anyrange)
>> (anyrange,anyrange)
&< (anyrange,anyrange)
&> (anyrange,anyrange)
-|- (anyrange,anyrange)
text_bloom_ops = (text,text)
text_minmax_ops = (text,text)
< (text,text)
<= (text,text)
> (text,text)
>= (text,text)
tid_bloom_ops = (tid,tid)
tid_minmax_ops = (tid,tid)
< (tid,tid)
> (tid,tid)
<= (tid,tid)
>= (tid,tid)
tid_minmax_multi_ops = (tid,tid)
< (tid,tid)
> (tid,tid)
<= (tid,tid)
>= (tid,tid)
timestamp_bloom_ops = (timestamp,timestamp)
timestamp_minmax_ops = (timestamp,timestamp)
< (timestamp,timestamp)
<= (timestamp,timestamp)
> (timestamp,timestamp)
>= (timestamp,timestamp)
timestamp_minmax_multi_ops = (timestamp,timestamp)
< (timestamp,timestamp)
<= (timestamp,timestamp)
> (timestamp,timestamp)
>= (timestamp,timestamp)
timestamptz_bloom_ops = (timestamptz,timestamptz)
timestamptz_minmax_ops = (timestamptz,timestamptz)
< (timestamptz,timestamptz)
<= (timestamptz,timestamptz)
> (timestamptz,timestamptz)
>= (timestamptz,timestamptz)
timestamptz_minmax_multi_ops = (timestamptz,timestamptz)
< (timestamptz,timestamptz)
<= (timestamptz,timestamptz)
> (timestamptz,timestamptz)
>= (timestamptz,timestamptz)
time_bloom_ops = (time,time)
time_minmax_ops = (time,time)
< (time,time)
<= (time,time)
> (time,time)
>= (time,time)
time_minmax_multi_ops = (time,time)
< (time,time)
<= (time,time)
> (time,time)
>= (time,time)
timetz_bloom_ops = (timetz,timetz)
timetz_minmax_ops = (timetz,timetz)
< (timetz,timetz)
<= (timetz,timetz)
> (timetz,timetz)
>= (timetz,timetz)
timetz_minmax_multi_ops = (timetz,timetz)
< (timetz,timetz)
<= (timetz,timetz)
> (timetz,timetz)
>= (timetz,timetz)
uuid_bloom_ops = (uuid,uuid)
uuid_minmax_ops = (uuid,uuid)
< (uuid,uuid)
> (uuid,uuid)
<= (uuid,uuid)
>= (uuid,uuid)
uuid_minmax_multi_ops = (uuid,uuid)
< (uuid,uuid)
> (uuid,uuid)
<= (uuid,uuid)
>= (uuid,uuid)
varbit_minmax_ops = (varbit,varbit)
< (varbit,varbit)
> (varbit,varbit)
<= (varbit,varbit)
>= (varbit,varbit)

65.5.2.1. 操作符类参数 #

一些内置操作符类允许指定影响操作符类行为的参数。每个操作符类都有自己的一组允许参数。只有 bloomminmax-multi 操作符类允许指定参数。

bloom 操作符类接受以下参数:

n_distinct_per_range

定义块范围内不同非空值的估计数量,用于BRINbloom 索引为 Bloom 过滤器调整大小。它与 n_distinct 选项类似,用于 ALTER TABLE。当设置为正值时,每个块范围假定包含此数量的不同非空值。当设置为负值(必须大于或等于 -1)时,不同非空值的数量假定随块范围内可能的最大元组数量(每块约 290 行)线性增长。默认值为 -0.1,不同非空值的最小数量为 16

false_positive_rate

定义所需的误报率,由BRINbloom 索引用于 Bloom 过滤器的大小调整。值必须在 0.0001 和 0.25 之间。默认值为 0.01,即 1% 的误报率。

minmax-multi 操作符类接受以下参数:

values_per_range

定义用于摘要块范围的BRINminmax 索引存储的最大值数量。每个值可能代表一个点或一个区间的边界。值必须在 8 到 256 之间,默认值为 32。

65.5.3. 可扩展性 #

BRIN接口具有高度抽象性,要求访问方法实现者只需实现被访问数据类型的语义。该BRIN层本身负责并发、日志记录和搜索索引结构。

要使BRIN访问方法正常工作,只需实现几个用户定义的函数,这些函数定义索引中存储的摘要值的行为以及它们与扫描键的交互方式。简而言之,BRIN将可扩展性与通用性、代码重用和清晰的接口相结合。

操作符类需要为BRIN提供四个方法:

BrinOpcInfo *opcInfo(Oid type_oid)

返回有关被索引列摘要的内部信息。返回值必须指向一个 palloc'd 的 BrinOpcInfo,其定义如下:

typedef struct BrinOpcInfo
{
    /* Number of columns stored in an index column of this opclass */
    uint16      oi_nstored;

    /* Opaque pointer for the opclass' private use */
    void       *oi_opaque;

    /* Type cache entries of the stored columns */
    TypeCacheEntry *oi_typcache[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];
} BrinOpcInfo;

BrinOpcInfo.oi_opaque 可由操作符类例程在索引扫描期间在支持函数之间传递信息。

bool consistent(BrinDesc *bdesc, BrinValues *column, ScanKey *keys, int nkeys)

返回给定范围的索引值是否与所有 ScanKey 条目一致。要使用的属性号作为扫描键的一部分传递。可能一次传递同一属性的多个扫描键;条目数量由 nkeys 参数确定。

bool consistent(BrinDesc *bdesc, BrinValues *column, ScanKey key)

返回扫描键是否与给定范围的索引值一致。要使用的属性号作为扫描键的一部分传递。这是 consistent 函数的一个较旧的向后兼容变体。

bool addValue(BrinDesc *bdesc, BrinValues *column, Datum newval, bool isnull)

给定一个索引元组和一个索引值,修改元组的指定属性,使其另外表示新值。如果对元组进行了任何修改,则返回 true

bool unionTuples(BrinDesc *bdesc, BrinValues *a, BrinValues *b)

合并两个索引元组。给定两个索引元组,修改第一个元组的指定属性,使其表示两个元组。第二个元组不会被修改。

操作符类可以为BRIN选择性地指定以下方法:

void options(local_relopts *relopts)

定义一组用户可见的参数,用于控制操作符类的行为。

options 函数接收一个指向 local_relopts 结构的指针,该结构需要用一组操作符类特定的选项来填充。可以通过 PG_HAS_OPCLASS_OPTIONS()PG_GET_OPCLASS_OPTIONS() 宏从其他支持函数访问选项。

由于被索引值的键提取和键在BRIN中的表示都非常灵活,它们可能依赖于用户指定的参数。

核心发行版支持四种类型的操作符类:minmax、minmax-multi、inclusion 和 bloom。使用这些操作符类的操作符类定义会根据需要提供给核心数据类型。用户可以通过使用等效定义为其他数据类型定义额外的操作符类,而无需编写任何源代码;声明适当的目录条目就足够了。请注意,有关操作符策略的语义的假设已嵌入到支持函数的源代码中。

实现完全不同语义的操作符类也是可能的,前提是实现了上述四个主要支持函数。请注意,不同主要版本之间的向后兼容性不能保证:例如,后续版本可能需要额外的支持函数。

要为实现全序集的某个数据类型编写操作符类,可以使用 minmax 支持函数以及相应的操作符,如 表 65.5 所示。所有操作符类成员(函数和操作符)都是强制性的。

表 65.5. Minmax 操作符类的函数和支持编号

操作符类成员 对象
支持函数 1 内部函数 brin_minmax_opcinfo()
支持函数 2 内部函数 brin_minmax_add_value()
支持函数 3 内部函数 brin_minmax_consistent()
支持函数 4 内部函数 brin_minmax_union()
操作符策略 1 操作符小于
操作符策略 2 操作符小于或等于
操作符策略 3 操作符等于
操作符策略 4 操作符大于或等于
操作符策略 5 操作符大于

要为包含值在一个类型内的复杂数据类型编写操作符类,可以使用 inclusion 支持函数以及相应的操作符,如 表 65.6 所示。它只需要一个额外的函数,可以用任何语言编写。可以定义更多函数来实现附加功能。所有操作符都是可选的。某些操作符需要其他操作符,如表格所示的依赖关系。

表 65.6. Inclusion 操作符类的函数和支持编号

操作符类成员 对象 依赖
支持函数 1 内部函数 brin_inclusion_opcinfo()  
支持函数 2 内部函数 brin_inclusion_add_value()  
支持函数 3 内部函数 brin_inclusion_consistent()  
支持函数 4 内部函数 brin_inclusion_union()  
支持函数 11 合并两个元素的函数  
支持函数 12 检查两个元素是否可合并的可选函数  
支持函数 13 检查元素是否包含在另一个元素内的可选函数  
支持函数 14 检查元素是否为空的可选函数  
操作符策略 1 操作符左侧 操作符策略 4
操作符策略 2 操作符不向右扩展 操作符策略 5
操作符策略 3 操作符重叠  
操作符策略 4 操作符不向左扩展 操作符策略 1
操作符策略 5 操作符右侧 操作符策略 2
操作符策略 6, 18 操作符相同或等于 操作符策略 7
操作符策略 7, 16, 24, 25 操作符包含或等于  
操作符策略 8, 26, 27 操作符被包含或等于 操作符策略 3
操作符策略 9 操作符不向上扩展 操作符策略 11
操作符策略 10 操作符在下方 操作符策略 12
操作符策略 11 操作符在上方 操作符策略 9
操作符策略 12 操作符不向下扩展 操作符策略 10
操作符策略 20 操作符小于 操作符策略 5
操作符策略 21 操作符小于或等于 操作符策略 5
操作符策略 22 操作符大于 操作符策略 1
操作符策略 23 操作符大于或等于 操作符策略 1

支持函数编号 1 到 10 保留给 BRIN 内部函数,因此 SQL 级别的函数从编号 11 开始。支持函数编号 11 是构建索引所需的主要函数。它应该接受两个与操作符类相同数据类型的参数,并返回它们的并集。如果使用了 STORAGE 参数定义了 inclusion 操作符类,则它允许存储不同数据类型的并集值。并集函数返回值应与 STORAGE 数据类型匹配。

支持函数编号 12 和 14 用于支持内置数据类型的不规则性。函数编号 12 用于支持不同族但不可合并的网络地址。函数编号 14 用于支持空范围。函数编号 13 是一个可选但推荐的函数,它允许在将新值传递给并集函数之前对其进行检查。由于 BRIN 框架可以在并集未更改时跳过某些操作,因此使用此函数可以提高索引性能。

要为仅实现相等操作符并支持哈希的数据类型编写操作符类,可以使用 bloom 支持过程以及相应的操作符,如 表 65.7 所示。所有操作符类成员(过程和操作符)都是强制性的。

表 65.7. Bloom 操作符类的过程和支持编号

操作符类成员 对象
支持过程 1 内部函数 brin_bloom_opcinfo()
支持过程 2 内部函数 brin_bloom_add_value()
支持过程 3 内部函数 brin_bloom_consistent()
支持过程 4 内部函数 brin_bloom_union()
支持过程 5 内部函数 brin_bloom_options()
支持过程 11 计算元素哈希的函数
操作符策略 1 操作符等于

支持过程编号 1-10 保留给 BRIN 内部函数,因此 SQL 级别的函数从编号 11 开始。支持过程编号 11 是构建索引所需的主要函数。它应该接受一个与操作符类相同数据类型的参数,并返回该值的哈希值。

minmax-multi 操作符类也用于实现全序集的数据类型,可以看作是 minmax 操作符类的一个简单扩展。虽然 minmax 操作符类将每个块范围的值摘要为一个连续区间,但 minmax-multi 允许摘要为多个较小的区间以改善异常值处理。可以使用 minmax-multi 支持过程以及相应的操作符,如 表 65.8 所示。所有操作符类成员(过程和操作符)都是强制性的。

表 65.8. minmax-multi 操作符类的过程和支持编号

操作符类成员 对象
支持过程 1 内部函数 brin_minmax_multi_opcinfo()
支持过程 2 内部函数 brin_minmax_multi_add_value()
支持过程 3 内部函数 brin_minmax_multi_consistent()
支持过程 4 内部函数 brin_minmax_multi_union()
支持过程 5 内部函数 brin_minmax_multi_options()
支持过程 11 计算两个值之间距离(区间长度)的函数
操作符策略 1 操作符小于
操作符策略 2 操作符小于或等于
操作符策略 3 操作符等于
操作符策略 4 操作符大于或等于
操作符策略 5 操作符大于

minmax 和 inclusion 操作符类都支持跨数据类型的操作符,尽管使用这些操作符会使依赖关系变得更加复杂。minmax 操作符类需要为两个参数都具有相同数据类型的一整套操作符。它允许通过定义额外的操作符集来支持其他数据类型。inclusion 操作符类的操作符策略依赖于另一个操作符策略,如 表 65.6 所示,或者依赖于自身的操作符策略。它们要求依赖项操作符使用 STORAGE 数据类型作为操作符的左侧参数,而另一个支持的数据类型作为右侧参数。以 float4_minmax_ops 为 minmax 的示例,以 box_inclusion_ops 为 inclusion 的示例。

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