原著信息：《Pro SQL Server Internals, 2nd edition》CHAPTER 2 Tables and Indexes中的Clustered Indexes一节（即P36~P45）
聚集索引
聚集索引指示表中数据的物理顺序，该表根据聚簇索引键进行排序。 该表只能定义一个聚集索引。
假设您要在堆表上使用数据创建聚集索引。作为第一步，如图2-5所示，SQL Server创建另一个数据副本，然后根据群集密钥的值对其进行排序。 数据页链接在双链表中，其中每个页面都包含指向链中下一页和上一页的指针。 此列表称为索引的叶级，它包含实际的表数据。
图2-5。 聚类索引结构：叶级
■ 注意 页面上的排序顺序由插槽阵列控制。页面上的实际数据未排序。
当叶级由多个页组成时，SQL Server开始构建索引的中间级，如图2-6所示。
图2-6。 聚集索引结构：中级和叶级
中间级别为每个叶级页面存储一行。它存储两条信息：它引用的页面中的索引键的物理地址和最小值。唯一的例外是第一页上的第一行，其中SQL Server存储NULL而不是最小索引键值。 通过这种优化，当您在表中插入具有最低键值的行时，SQL Server不需要更新非叶级行。
中间级别的页面也链接到双链表。SQL Server添加了越来越多的中间级别，直到只包含单个页面的级别。此级别称为根级别，它将成为索引的入口点，如图2-7所示。
图2-7。聚集索引结构：根级别
如您所见，索引始终具有一个叶级别，一个根级别和零个或多个中间级别。唯一的例外是索引数据适合单个页面。在这种情况下，SQL Server不会创建单独的根级页面，索引只包含单个叶级页面。
索引中的级别数很大程度上取决于行和索引键大小。例如，4字节整数列上的索引在中间和根级别上每行需要13个字节。 这13个字节由一个2字节的插槽数组条目，一个4字节的索引键值，一个6字节的页面指针和一个1字节的行开销组成，这是足够的，因为索引键不包含可变长度和NULL列。
因此，每行可容纳8,060字节/ 13字节=每页620行。这意味着，使用一个中间级别，您可以存储最多620 * 620 = 384,400个叶级页面的信息。如果数据行的大小为200字节，则每个叶级页面可存储40行，索引中最多可存储15,376,000行，只有三个级别。向索引添加另一个中间级别将基本上涵盖所有可能的整数值。
■ 注意 在现实生活中，索引碎片会减少这些数字。我们将在第6章讨论索引碎片。
SQL Server可以通过三种不同的方式从索引中读取数据。第一个是有序扫描。 假设我们想要运行SELECT Name FROM dbo.Customers ORDER BY CustomerId查询。 索引的叶级别上的数据已根据CustomerId列值进行排序。因此，SQL Server可以从第一页到最后一页扫描索引的叶级，并按存储顺序返回行。
SQL Server从索引的根页开始，并从那里读取第一行。该行使用表中的最小键值引用中间页面。 SQL Server读取该页面并重复该过程，直到找到叶级别的第一页。然后，SQL Server开始逐个读取行，遍历页面的链接列表，直到读取完所有行。图2-8说明了这个过程。
图2-8。 有序索引扫描
上述查询的执行计划显示了“集群索引扫描”操作符，其中Ordered属性设置为true，如图2-9所示。
图2-9。 有序索引扫描执行计划
值得一提的是，触发有序扫描不需要order by子句。有序扫描只意味着SQL Server根据索引键的顺序读取数据。
SQL Server可以向前和向后两个方向导航索引。但是，您必须记住一个重要方面：SQL Server在向后索引扫描期间不使用并行性。
■ 提示 您可以通过检查执行计划中的INDEX SCAN或INDEX SEEK运算符属性来检查扫描方向。但请记住，Management Studio不会在执行计划的图形表示中显示这些属性。 您需要打开“属性”窗口以通过在执行计划中选择运算符并选择“视图/属性窗口”菜单项或按F4键来查看它。
SQL Server企业版具有称为旋转木马扫描的优化功能，允许多个任务共享相同的索引扫描。假设您有会话S1，它正在扫描索引。在扫描中间的某个时刻，另一个会话S2运行需要扫描相同索引的查询。 通过旋转木马扫描，S2将S1连接到当前扫描位置。SQL Server只读取每个页面一次，将行传递给两个会话。
当S1扫描到达索引的末尾时，S2开始从索引的开头扫描数据，直到S2扫描开始的点。旋转木马扫描是另一个例子，说明为什么不能依赖索引键的顺序以及为什么在重要时应始终指定ORDER BY子句。
在有序扫描之后的下一个访问方法称为分配顺序扫描。 SQL Server通过IAM页面访问表数据，类似于使用堆表的方式。 SELECT名称FROM dbo.Customers WITH（NOLOCK）查询和图2-10说明了这种方法。图2-11显示了查询执行计划。
图2-10。 分配订单扫描
图2-11。 分配订单扫描执行计划
不幸的是，当SQL Server使用分配顺序扫描时，检测起来并不容易。即使执行计划中的Ordered属性显示为false，也表示SQL Server不关心是否按索引键的顺序读取行，而不是使用分配顺序扫描。
尽管扫描大型表具有更高的启动成本，但分配顺序扫描可以更快地扫描大型表。 当表很小时，SQL Server不使用此访问方法。另一个重要的考虑是数据一致性。 SQL Server不在具有聚簇索引的表中使用转发指针，并且分配顺序扫描可能会产生不一致的结果。 由于页面拆分导致的数据移动，可以多次跳过或读取行。 因此，SQL Server通常会避免使用分配顺序扫描，除非它读取READ UNCOMMITTED或SERIALIZABLE事务隔离级别中的数据。
■注意 我们将在第6章“索引碎片”中讨论页面拆分和碎片，并讨论第三部分“锁定，阻塞和并发”中的锁定和数据一致性。
最后一个索引访问方法称为索引查找。SELECT Name FROM dbo.Customers WHERE CustomerId BETWEEN 4 AND 7查询以及图2-12说明了操作。
图2-12。索引查找
为了从表中读取行的范围，SQL Server需要从该范围中找到具有最小键值的行，即4。 SQL Server以根页面开始，其中第二行引用最小键值为350的页面。它大于我们要查找的键值（4），并且SQL Server读取中间级别数据页面（ 1：170）由根页面上的第一行引用。
同样，中间页面将SQL Server引导到第一个叶级页面（1：176）。 SQL Server读取该页面，然后它读取CustomerIds等于4和5的行，最后，它从第二页读取剩余的两行。
执行计划如图2-13所示。
图2-13。 索引查找执行计划
您可以猜测，索引搜索比索引扫描更有效，因为SQL Server只处理行和数据页的子集，而不是扫描整个表。
从技术上讲，索引搜索操作有两种。第一种称为单例查找，有时称为点查找，其中SQL Server寻找并返回单行。 您可以考虑WHERE CustomerId = 2谓词作为示例。另一种类型的索引查找操作称为范围扫描，它要求SQL Server查找键的最低或最高值，并扫描（向前或向后）行集，直到达到扫描范围的末尾。 CustomerId BETWEEN 4 AND 7之间的谓词WHERE导致范围扫描。 这两种情况都在执行计划中显示为INDEX SEEK操作。
您可以猜到，范围扫描完全可以强制SQL Server处理索引中的大量甚至所有数据页。 例如，如果您将查询更改为使用WHERE CustomerId> 0谓词，则SQL Server将读取所有行/页，即使您在执行计划中显示了Index Seek运算符。您必须牢记此行为，并始终在查询性能调整期间分析范围扫描的效率。
关系数据库中有一个名为SARGable谓词的概念，它代表搜索参数。 如果索引存在，如果SQL Server可以使用索引查找操作，则谓词是SARGable。 简而言之，当SQL Server可以隔离要处理的单个值或索引键值范围时，谓词是SARGable，因此在谓词评估期间限制搜索。显然，使用SARGable谓词编写查询并尽可能利用索引查找是有益的。
SARGable谓词包括以下运算符：=，>，> =，<，<=，IN，BETWEEN和LIKE（在前缀匹配的情况下）。 非SARGable运算符包括NOT，<>，LIKE（在非前缀匹配的情况下）和NOT IN。
使谓词非SARGable的另一种情况是对表列使用函数或数学计算。 SQL Server必须为其处理的每一行调用该函数或执行计算。 幸运的是，在某些情况下，您可以重构查询以使这样的谓词成为SARGable。表2-1列出了一些例子。
表2-1。 将非SARGable谓词重构为SARGable的示例
您必须牢记的另一个重要因素是类型转换。 在某些情况下，您可以使用不正确的数据类型使谓词非SARGable。 让我们创建一个带有varchar列的表，并用一些数据填充它，如清单2-6所示。
清单2-6 SARG谓词和数据类型：测试表创建
create table dbo.Data
(
VarcharKey varchar(10) not null,
Placeholder char(200)
);
create unique clustered index IDX_Data_VarcharKey
on dbo.Data(VarcharKey);
;with N1(C) as (select 0 union all select 0) -- 2 rows
,N2(C) as (select 0 from N1 as T1 cross join N1 as T2) -- 4 rows
,N3(C) as (select 0 from N2 as T1 cross join N2 as T2) -- 16 rows
,N4(C) as (select 0 from N3 as T1 cross join N3 as T2) -- 256 rows
,N5(C) as (select 0 from N4 as T1 cross join N4 as T2) -- 65,536 rows
,IDs(ID) as (select row_number() over (order by (select null)) from N5)
insert into dbo.Data(VarcharKey)
select convert(varchar(10),ID) from IDs;
聚集簇索引键列定义为varchar，即使它存储整数值。现在，让我们运行两个查询语句，如清单2-7所示，并查看执行计划。
清单2-7 SARG谓词和数据类型：使用整数参数选择
declare
@IntParam int = '200'
select * from dbo.Data where VarcharKey = @IntParam;
select * from dbo.Data where VarcharKey = convert(varchar(10),@IntParam);
如图2-14所示，对于整数参数，SQL Server扫描聚集索引，将varchar转换为每行的整数。在第二种情况下，SQL Server在开始时将整数参数转换为varchar，并使用更高效的聚集索引查找操作。
图2-14。 SARG谓词和数据类型：具有整数参数的执行计划
■ 提示 请注意连接谓词中的列数据类型。 隐式或显式数据类型转换可能会显着降低查询的性能。
在unicode字符串参数的情况下，您将观察到非常类似的行为。让我们运行清单2-8中所示的查询。图2-15显示了语句的执行计划。
清单2-8 SARG谓词和数据类型：使用字符串参数选择
select * from dbo.Data where VarcharKey = '200';
select * from dbo.Data where VarcharKey = N'200'; -- unicode parameter
图2-15。 SARG谓词和数据类型：带字符串参数的执行计划
如您所见，对于varchar列，unicode字符串参数是非SARGable。这是一个比它看起来更大的问题。 虽然您很少以这种方式编写查询，如清单2-8所示，但现在大多数应用程序开发环境都将字符串视为unicode。 因此，除非将参数数据类型显式指定为varchar，否则SQL Server客户端库会为字符串对象生成unicode（nvarchar）参数。 这使得谓词不具有SARG，并且由于不必要的扫描，它可能导致主要的性能命中，即使对varchar列进行索引也是如此。
■ 要点 始终在客户端应用程序中指定参数数据类型。例如，在ADO.Net中，使用Parameters.Add（“@ ParamName”，SqlDbType.Varchar，<Size>）.Value = stringVariable而不是Parameters.Add（“@ ParamName”）.Value = stringVariable overload。 在ORM框架中使用映射来显式指定类中的非unicode属性。
值得一提的是，对于nvarchar unicode数据列，varchar参数是SARGable。