MongoDB索引详解
索引能够提高数据库的查询效率，没有索引的话，查询会进行全表扫描（scan every document in a collection）,严重降低了查询效率。默认情况下，Mongo在一个集合（collection）创建时，自动地对集合的_id创建了唯一索引。
(NOTE:In sharded clusters, if you do not use the _id field as the shard key, then your application must ensure the uniqueness of the values in the _id field to prevent errors. This is most-often done by using a standard auto-generated ObjectId.)
1.索引的分类
1.1单属性索引（Single Field）
针对单属性索引，排序顺序无关紧要，因为MongoDB能够在任意方向来回移动。
(For a single-field index and sort operations, the sort order (i.e. ascending or descending) of the index key does not matter because MongoDB can traverse the index in either direction.)
单属性索引示例图：
详细信息：https://docs.mongodb.com/manual/core/index-single/
1.2 复合索引(Compound Index）
针对单复合索引，索引中key的排序顺序决定了索引是否支持排序操作:
举例子:
假如:一个对象包含username和date两个属性,如果创建索引如下:
db.events.createIndex( { "username" : 1, "date" : -1 } )
则查询支持
db.events.find().sort( { username: -1, date: 1 } )
和
db.events.find().sort( { username: 1, date: -1 } ).
但是不支持如下查询:
db.events.find().sort( { username: 1, date: 1 } ).
详细信息：https://docs.mongodb.com/manual/core/index-compound/ 。
1.3 多值索引（Multikey indexes）
针对属性包含数组数据的情况，MongoDB支持针对数组中每一个element创建索引，Multikey indexes支持strings，numbers和nested documents。
详细信息：https://docs.mongodb.com/manual/core/index-multikey/ 。
1.4地理空间索引（Geospatial Index）：
针对地理空间坐标数据创建索引，类似于oracle geometry类型。
1.5 文本索引（Text Index）
MongoDB提供了针对string内容的文本查询，Text Index支持任意属性值为string或string数组元素的索引查询。注释：一个集合仅支持最多一个Text Index。
详细信息：https://docs.mongodb.com/manual/core/index-text/
1.6 Hashed Index
针对属性的哈希值进行索引查询，当要使用Hashed index时，MongoDB能够自动的计算hash值，无需程序计算hash值。注：hash index仅支持等于查询，不支持范围查询
2.索引属性
2.1 唯一索引（Unique Indexes）
即不允许属性有重复的值。
2.2部分索引（Partial Indexes）（3.2版本新增）
对集合中指定的筛选器表达式筛选后的部分集合进行创建索引，优点：减少了存储空间，提高的查询效率
2.3 稀疏索引
索引只保存一定条目的索引属性值，跳过没有被指定属性；当使用3.2之后的Mongo版本时，应优先考虑Partial Indexes。
（Changed in version 3.2: Starting in MongoDB 3.2, MongoDB provides the option to create partial indexes. Partial indexes offer a superset of the functionality of sparse indexes. If you are using MongoDB 3.2 or later, partial indexes should be preferred over sparse indexes.）
2.4 TTL索引
TTL索引是特殊的索引,MongoDB能够在指定时间之后自动的删除集合中的数据,主要应用场景为机器产生的事件数据、日志、会话信息等。
(TTL indexes are special indexes that MongoDB can use to automatically remove documents from a collection after a certain amount of time. This is ideal for certain types of information like machine generated event data, logs, and session information that only need to persist in a database for a finite amount of time.)
详细信息：https://docs.mongodb.com/manual/core/index-ttl/ 。
3.索引限制
3.1 如果MongoDB的索引项超过索引限制，即1024 bytes，MongoDB将不会创建该索引，注:2.6版本之前能够创建索引，但是不能够对该documents进行索引；
3.2 当试图插入一个包含索引项的属性超过1024 bytes的documents时，MongoDB将插入documents失败，并返回错误；注:2.6版本之前能够插入成功，但是不能够对该documents进行索引；
3.3 当试图更新documents的属性时时，如果索引项的属性超过1024 bytes的，MongoDB将插入documents失败，并返回错误；注:2.6版本之前能够插入成功，但是不能够对该documents进行索引；
3.4 如果documents存在某索引，其索引属性超过了索引限制，则任何更新该documents将会失败；
3.5 针对分片的collections，当数据迁移时，如果数据块中包含索引属性超过了索引限制，数据块的迁移将会失败；
3.6 一个collections最多能够有64个索引；
3.7 针对索引的全名，包含命名空间和“.”分隔符,如:
3.8 针对复合索引,包含的索引属性不能够超过31个属性;
3.9 查询不能够同时使用文本索引和地理空间索引(Queries cannot use both text and Geospatial Indexes);
3.11 包含2d sphere属性的索引，只能够针对地理空间属性；
3.12 如果通过覆盖索引查询得到的属性值是NaN（Not a Number），则NaN的类型总是double类型；
（If the value of a field returned from a query that is covered by an index is NaN, the type of that NaN value isalways double）；
3.13 multikey index不支持covered query。
4.交叉索引
MongoDB可以使用多个索引的交叉来满足查询，通常每个交叉索引包含两个索引，但是MongoDB能够使用多个或嵌套索引交叉来实现查询。
4.1 索引前缀交叉
针对交叉索引，MongoDB能够使用交叉索引中任意一个索引的整个索引或者索引的前缀，索引前缀是指一个复合索引中索引的子集，由第一个或者前N个索引属性中的组成；
举例：
索引项如下：
{ qty: 1 }
{ status: 1, ord_date: -1 }
MongoDB能够使用如下索引：
db.orders.find( { qty: { $gt: 10 } , status: "A" } )
4.2 索引交叉与复合索引
索引交叉并不意味着复合索引没必要存在，因为属性在索引中的排列顺序和排序方式能够影响到复合索引，复合索引不支持不包含索引前缀或者不同的排序方式的查询情况
（a compound index may not support a query condition that does not include theindex prefix keys or that specifies a different sort order）
举例：
如果复合索引如下：
{ status: 1, ord_date: -1 }
复合索引支持如下查询：
db.orders.find( { status: { $in: ["A", "P" ] } } )
db.orders.find(
{
ord_date: { $gt: new Date("2014-02-01") },
status: {$in:[ "P", "A" ] }
})
但不支持如下查询：
db.orders.find( { ord_date: { $gt: new Date("2014-02-01") } } )db.orders.find( { } ).sort( { ord_date: 1 } )
但是如果collections包含如下索引：
{ status: 1 }
{ ord_date: -1 }
这两个索引，可以通过单独或者交叉支持以上4中查询。
4.3 索引交叉和排序
索引交叉不支持排序操作，即要求一个索引安全的从查询谓语分离出来的排序；
举例：collections包含如下索引：
{ qty: 1 }
{ status: 1, ord_date: -1 }
{ status: 1 }
{ ord_date: -1 }
MongoDB不支持如下带有排序的交叉索引：
db.orders.find( { qty: { $gt: 10 } } ).sort( { status: 1 } )
That is, MongoDB does not use the { qty: 1 } index for the query, and the separate { status: 1 }or the { status: 1, ord_date: -1 } index for the sort.
5 查询计划
MongoDB查询优化器执行查询，并针对现有的索引选择最高效的查询计划，查询系统在每次查询执行时使用查询计划，查询优化器仅缓存包含不止一种的可执行计划的查询计划情况。针对每一次查询，查询计划器从查询计划缓存中查询一条满足query shape的计划，如果不存在满足的计划，查询计划器将通过试用一段时间来进行评价，来产生候选查询计划。查询计划器选择胜出的计划，在查询计划缓存中创建一个查询计划，然后使用该计划产生查询结果。
（For each query, the query planner searches the query plan cache for an entry that fits the query shape. If there are no matching entries, the query planner generates candidate plans for evaluation over a trial period. The query planner chooses a winning plan, creates a cache entry containing the winning plan, and uses it to generate the result documents.If a matching entry exists, the query planner generates a plan based on that entry and evaluates its performance through a replanning mechanism. This mechanism makes a pass/fail decision based on the plan performance and either keeps or evicts the cache entry. On eviction, the query planner selects a new plan using the normal planning process and caches it. The query planner executes the plan and returns the result documents for the query）
可以使用db.collection.explain()或者 the cursor.explain() 来查看一个查询的查询计划统计数据。
Query shape：即查询谓语，排序和预测详细计划（A combination of query predicate, sort, and projection specifications）。
查询计划器的执行逻辑如下：
注释：
a. Catalog operations（比如index的删除或collection的删除）将刷新查询计划缓存；
b. 当Mongod重启或者关闭后，查询计划器缓存将不复存在。
6. 索引过滤（Index Filters）
Index Filters决定了优化器将为query shape评价那个索引，如果Index Filters中包含了该Index Filters，优化器将仅考虑执行Index Filters指定的索引（When an index filter exists for the query shape, MongoDB ignores the hint(). To see whether MongoDB applied an index filter for a query shape, check the indexFilterSet field of either thedb.collection.explain() or the cursor.explain() method.）
Index Filters仅影响了优化器评价哪一个索引优化器也可能仍然选择collection 扫描以得到最优查询计划。
索引过滤有些类似于Oracle的RBO: Rule-Based Optimization基于规则的优化器；
注释：
a. 由于Index Filters覆盖了优化器的预期的行为和hint（）方法，所以要有节制的使用index filters;
b. Index filters在MongoDB关闭之后将不复存在，也可以使用命令删除Index Filters。
7.覆盖查询（Covered Queries）
当一个查询的查询条件和查询计划中只包含索引属性时，MongoDB不需要扫描documents或者将documents调入内存中时，这样的查询效率将非常高。
当同时满足如下两个条件时，则该查询是Covered Queries：
a. 查询中的所有属性都是索引的一部分(all the fields in the query are part of an index)；
b. 所有查询到的结果中的属性值，都在同一个索引中(all the fields returned in the results are in the same index)。
举例:
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