如何設計一個數據庫？
要設計一個關係型數據庫，首先要劃分爲兩部分，存儲模塊和程序實例模塊，程序實例實現了對存儲模塊的管理。
其中索引管理和鎖管理是重點。
1、爲什麼要使用索引？
最基本的數據查詢方式便是全表掃描，全表掃描是非常慢的，需要避免。索引便是一種更高效的查詢機制。
2、什麼樣的信息能成爲索引？
主鍵、唯一鍵以及普通鍵。
3、索引的數據結構？
索引的數據結構分爲樹結構和 Hash 結構。
索引最簡單的樹結構便是二叉查找樹，還有平衡二叉樹、紅黑樹、B 樹、B+ 樹。MySQL 存儲引擎 InnoDB 的 B 樹索引便是通過 B+ 樹來實現的。
下面詳細看下這些數據結構，以體驗其優勢和劣勢：
(1) 二叉查找樹
特點：每個節點最多有兩個子樹，稱爲左子樹和右子樹；對於每個節點的值 x，其左子樹值均小於 x，右子樹的值均大於 x。
查找方式：二分查找。時間複雜度 O(logn)。
缺點：有可能變成線性的二叉樹，查詢時間複雜度會變爲 O(n)，大大降低了查詢效率。
(2) 平衡二叉樹
特點：在二叉查找樹的基礎上，任意一個節點左子樹和右子樹的高度均不超過 1。
查找方式：二分查找，時間複雜度 O(logn)。
缺點：平衡二叉樹是利用樹的旋轉特性，來保證樹是平衡二叉樹，時間複雜度會維持在 O(logn)，但是如果樹的深度特別深，就會增加大量的 IO 操作，其檢索性能會比全表掃描還要差很多。
那麼爲了即降低時間複雜度，又降低 IO 的次數，需要讓樹變的矮一些，每個節點能存儲的數據多一些，即引出了 B 樹。
(3) B 樹
B 樹又稱爲平衡多路查找樹，如果每個節點最有 m 個孩子，那麼這樣的樹便是 m 階 B 樹，下面是一個三階 B 樹：
特點：
- 根節點至少包括兩個孩子；
- 樹中每個節點最多含有 m 個孩子(m>=2)；
- 除根節點和葉子節點外，其他節點至少有 ceil(m/2) 個孩子，ceil 函數表示取上限，例如 ceil(3/2) = 2；
- 所有葉子節點都位於同一層，即葉子節點的高度都是一樣的。
查找的時間複雜度 O(logn)。
(4) B+ 樹
B+ 樹是比 B 樹更優秀的數據結構。下面是一個三階 B+ 樹：
B+ 樹是 B 樹的變體，其定義基本與 B 樹相同，除了：
- 非葉子節點的子樹指針與關鍵字個數相同；
- 非葉子節點的子樹指針P[i]，指向關鍵字值 [K[i], K[i+1]) 的子樹；
- 非葉子節點僅用來做索引，數據都保存在葉子節點中；
- 所有葉子節點均有一個鏈指針指向下一個葉子節點，並按大小順序鏈接，作用：方便直接在葉子節點做範圍統計。
B+ 樹所有的檢索都是從根部開始，檢索到葉子節點才能結束，非葉子節點僅用來做索引，不存儲數據，這樣非葉子節點就能存儲更多的關鍵字了，使得 B+ 樹比 B 樹更矮，IO 性能會更好。
查找的時間複雜度 O(logn)。
經過上面的分析，發現 B+ 樹更適合用來存儲索引，原因如下：
- B+ 樹的磁盤 IO 代價更低；
- B+ 樹查詢效率更加穩定；
- B+ 樹更有利於對數據庫的掃描；
除了 B 樹索引，有些存儲引擎還支持 Hash 索引，例如 InnoDB。
Hash 索引
Hash 索引使用了 Hash 表來存儲索引，檢索只需要計算一次 Hash 值便可以定位 “桶” 的位置，然後把 “桶” 裏面的數據全部加載進內存，由於 “桶” 裏面的數據是一個鏈表，順着鏈表便可以定位到索引的位置。
Hash 索引的查詢效率理論上要比 B 樹索引高。既然 Hash 索引性能好，那麼爲什麼還要使用 B 樹索引呢？
這是因爲 Hash 索引是有缺點的：
- 僅僅能滿足 “=” “IN”，不能使用範圍查詢；
- 無法被用來避免數據的排序操作；
- 不能利用部分索引鍵查詢；
- 不能避免表掃描，Hash 索引是將索引鍵通過 Hash 運算之後，將 Hash 值和所對應行指針信息存放在鏈表節點中的，由於不同索引鍵存在相同 Hash 值，所以即使取出數據，也無法直接完成查詢，還需要訪問鏈表節點中的實際數據進行相應的比較；
- 遇到大量 Hash 值相等的情況後，性能並不一定就會比 B 樹索引高。
除了 B 樹索引，Hash 索引，還有一些數據庫支持 BitMap 索引，即位圖索引，目前已知的是 Oracle 數據庫支持，當表中的數據只有幾種值時，例如性別字段，BitMap 索引就是最佳的選擇了。BitMap 索引不適合高併發的聯機事務處理系統，而適合於併發較少，且統計運算較多的系統。
4、密集索引和稀疏索引的區別？
| 定義 | |
|---|---|
| 密集索引 | 密集索引文件中的每個搜索碼值都對應一個索引值。即葉子節點不僅僅保存鍵位信息、該行數據的地址，還保存了位於同一行記錄裏的其他列的信息，由於密集索引決定了表的物理排列順序，一個表只能有一個物理排列順序，所以一個表只能創建一個密集索引。 |
| 稀疏索引 | 稀疏索引文件只爲搜索碼的某些值建立索引項。即葉子節點僅保存了鍵位信息、該行數據的地址。 |
InnoDB 主鍵索引、唯一索引、普通索引均屬於稀疏索引。
InnoDB 有且僅有一個密集索引，這個密集索引的選取規則：
- 若一個主鍵被定義，該主鍵則作爲密集索引；
- 若沒有主鍵被定義，該表的第一個唯一非空索引則作爲密集索引；
- 若不滿足以上條件，InnoDB 內部會生成一個隱藏主鍵（密集索引）；
- 在 InnoDB 中，非主鍵索引即是稀疏索引，存儲了相關鍵位信息和該行數據的地址，包含兩次查找，而密集索引只需要一次查找。