Introducción a la indexación en Azure Cosmos DB

Artículo
08/15/2024

SE APLICA A: NoSQL MongoDB Cassandra Gremlin Table

Azure Cosmos DB es una base de datos independiente del esquema que le permite iterar en la aplicación sin tener que tratar con la administración de esquemas o índices. De forma predeterminada, Azure Cosmos DB indexa automáticamente todas las propiedades de todos los elementos de su contenedor sin tener que definir ningún esquema ni configurar índices secundarios.

El objetivo de este artículo es explicar cómo Azure Cosmos DB indexa datos y cómo usa índices para mejorar el rendimiento de las consultas. Se recomienda revisar esta sección antes de explorar cómo personalizar las directivas de indexación.

De elementos a árboles

Cada vez que un elemento se almacena en un contenedor, su contenido se proyecta como un documento JSON y luego se convierte en una representación de árbol. Esta conversión significa que todas las propiedades de ese elemento se representan como nodos de un árbol. Para todas las propiedades de primer nivel del elemento, se crea un pseudonodo raíz como elemento primario. Los nodos hoja contienen los valores escalares reales pertenecientes a un elemento.

Por ejemplo, considere este elemento:

{
  "locations": [
    { "country": "Germany", "city": "Berlin" },
    { "country": "France", "city": "Paris" }
  ],
  "headquarters": { "country": "Belgium", "employees": 250 },
  "exports": [
    { "city": "Moscow" },
    { "city": "Athens" }
  ]
}

Este árbol representa el elemento JSON de ejemplo:

Diagrama del elemento JSON anterior representado como un árbol.

Observe cómo se codifican las matrices en el árbol: cada entrada de una matriz obtiene un nodo intermedio etiquetado con el índice de esa entrada dentro de la matriz (0, 1, etc.).

De árboles a rutas de acceso de propiedades

El motivo por el que Azure Cosmos DB transforma los elementos en árboles es porque permite que el sistema haga referencia a las propiedades mediante sus rutas de acceso dentro de esos árboles. Para obtener la ruta de acceso de una propiedad, podemos recorrer el árbol desde el nodo raíz hasta esa propiedad y concatenar las etiquetas de cada nodo recorrido.

Estas son las rutas de acceso de cada propiedad del elemento de ejemplo descrito anteriormente:

/locations/0/country: "Germany"
/locations/0/city: "Berlin"
/locations/1/country: "France"
/locations/1/city: "Paris"
/headquarters/country: "Belgium"
/headquarters/employees: 250
/exports/0/city: "Moscow"
/exports/1/city: "Athens"

Azure Cosmos DB indexa eficazmente la ruta de acceso de cada propiedad y su valor correspondiente cuando se escribe un elemento.

Tipos de índice

Actualmente, Azure Cosmos DB admite tres tipos de índices. Puede configurar estos tipos de índice al definir la directiva de indexación.

Índice de rangos

Los índices de Rango se basan en una estructura ordenada en forma de árbol. El tipo de índice de rango se usa para:

Consultas de igualdad:

SELECT * FROM container c WHERE c.property = 'value'

SELECT * FROM c WHERE c.property IN ("value1", "value2", "value3")

Coincidencia de igualdad numérica en un elemento de matriz
```
SELECT * FROM c WHERE ARRAY_CONTAINS(c.tags, "tag1")
```

Consultas por rango:

SELECT * FROM container c WHERE c.property > 'value'

Nota

(funciona para >, <, >=, <=, !=).

Comprobación de la presencia de una propiedad:
```
SELECT * FROM c WHERE IS_DEFINED(c.property)
```

Funciones del sistema de cadena:

SELECT * FROM c WHERE CONTAINS(c.property, "value")

SELECT * FROM c WHERE STRINGEQUALS(c.property, "value")

Consultas ORDER BY:

SELECT * FROM container c ORDER BY c.property

Consultas JOIN:

SELECT child FROM container c JOIN child IN c.properties WHERE child = 'value'

Los índices de rango se pueden usar en valores escalares (cadena o número). La directiva de indexación predeterminada para los contenedores recién creados exige que se usen índices de intervalo para todas las cadenas o números. Para obtener información sobre cómo configurar los índices de rango, consulte los ejemplos de la directiva de indexación de rangos.

Nota:

Una cláusula ORDER BY que ordena por una sola propiedad siempre necesita un índice de rango y dará error si la ruta de acceso a la que hace referencia no tiene uno. Del mismo modo, una consulta ORDER BY que se ordena por varias propiedades siempre necesita un índice compuesto.

Índice espacial

Los índices espaciales permiten realizar consultas eficaces en objetos geoespaciales como puntos, líneas, polígonos y multipolígonos. Estas consultas usan las palabras clave ST_DISTANCE, ST_WITHIN, ST_INTERSECTS. A continuación se muestran algunos ejemplos que usan el tipo de índice espacial:

Consultas de distancia geoespaciales:

SELECT * FROM container c WHERE ST_DISTANCE(c.property, { "type": "Point", "coordinates": [0.0, 10.0] }) < 40

Información geoespacial dentro de consultas:

SELECT * FROM container c WHERE ST_WITHIN(c.property, {"type": "Point", "coordinates": [0.0, 10.0] })

Consultas de intersecciones geoespaciales:

SELECT * FROM c WHERE ST_INTERSECTS(c.property, { 'type':'Polygon', 'coordinates': [[ [31.8, -5], [32, -5], [31.8, -5] ]]  })

Los índices espaciales pueden usarse en objetos GeoJSON con un formato correcto. Actualmente, se admiten Points, LineStrings, Polygons y MultiPolygons. Para obtener información sobre cómo configurar los índices espaciales, vea ejemplos de la directiva de indexación espacial.

Índices compuestos

Los índices compuestos aumentan la eficacia al realizar operaciones en varios campos. El tipo de índice compuesto se usa con:

Consultas ORDER BY en varias propiedades:

SELECT * FROM container c ORDER BY c.property1, c.property2

Consultas con un filtro y ORDER BY. Estas consultas pueden emplear un índice compuesto si la propiedad de filtro se agrega a la cláusula ORDER BY.
```
SELECT * FROM container c WHERE c.property1 = 'value' ORDER BY c.property1, c.property2
```
Consultas con un filtro en dos o más propiedades en las que al menos una propiedad es un filtro de igualdad
```
SELECT * FROM container c WHERE c.property1 = 'value' AND c.property2 > 'value'
```

Siempre y cuando un predicado de filtro use un tipo de índice, el motor de consultas evalúa ese primero antes de examinar el resto. Por ejemplo, si tiene una consulta SQL como SELECT * FROM c WHERE c.firstName = "Andrew" and CONTAINS(c.lastName, "Liu")

La consulta anterior primero filtrará las entradas en las que firstName = "Andrew" mediante el índice. Después, pasa todas las entradas firstName = "Andrew" a través de una canalización subsiguiente para evaluar el predicado de filtro CONTAINS.
Puede acelerar las consultas y evitar exámenes completos de contenedores al usar funciones que realizan un examen completo como CONTAINS. Puede agregar más predicados de filtro que usen el índice para acelerar estas consultas. El orden de las cláusulas de filtro no es importante. El motor de consultas averigua qué predicados son más selectivos y ejecuta la consulta en consecuencia.

Para obtener información sobre cómo configurar los índices compuestos, consulte los ejemplos de la directiva de indexación compuesta.

Índices vectoriales

Los índices vectoriales aumentan la eficacia al realizar búsquedas vectoriales mediante la función del sistema VectorDistance. Las búsquedas de vectores tendrán una latencia significativamente menor, un mayor rendimiento y un menor consumo de RU al aprovechar un índice vectorial. Para obtener información sobre cómo configurar los índices vectoriales, consulte los ejemplos de la directiva de indexación de vectores.

Consultas del vector de búsqueda de ORDER BY:

SELECT TOP 10 *
FROM c
ORDER BY VectorDistance(c.vector1, c.vector2)

Proyección de la puntuación de similitud en las consultas del vector de búsqueda:

SELECT TOP 10 c.name, VectorDistance(c.vector1, c.vector2) AS SimilarityScore
FROM c
ORDER BY VectorDistance(c.vector1, c.vector2)

Filtros de intervalo en la puntuación de similitud.

SELECT TOP 10 *
FROM c
WHERE VectorDistance(c.vector1, c.vector2) > 0.8
ORDER BY VectorDistance(c.vector1, c.vector2)

Uso de índices

El motor de consultas tiene cinco maneras de evaluar los filtros de consulta, ordenados del más eficaz al menos eficaz:

Búsqueda de índice
Examen preciso del índice
Examen expandido del índice
Examen completo del índice
Examen completo

Al indexar las rutas de acceso de propiedad, el motor de consultas usa automáticamente el índice de la manera más eficaz posible. Además de indexar rutas de acceso de propiedad nuevas, no es necesario configurar nada a fin de optimizar el modo en que las consultas usan el índice. El cargo por RU de una consulta es una combinación del cargo por RU del uso del índice y el cargo por RU de la carga de elementos.

En esta tabla se resumen las distintas formas en que se usan los índices en Azure Cosmos DB:

Tipo de búsqueda de índice	Descripción	Ejemplos comunes	Cargo por RU del uso del índice	Cargos por RU de la carga de elementos desde el almacén de datos transaccionales
Búsqueda de índice	Lectura solo de los valores indexados necesarios y carga solo de los elementos coincidentes desde el almacén de datos transaccionales	Filtros de igualdad, IN	Constante por filtro de igualdad	Aumenta en función de la cantidad de elementos en los resultados de la consulta
Examen preciso del índice	Búsqueda binaria de los valores indexados necesarios y carga solo de los elementos coincidentes desde el almacén de datos transaccionales	Comparaciones de rangos (>, <, <= o >=), StartsWith	Comparable a la búsqueda de índice, aumenta ligeramente en función de la cardinalidad de las propiedades indexadas	Aumenta en función de la cantidad de elementos en los resultados de la consulta
Examen expandido del índice	Búsqueda optimizada (pero menos eficaz que una búsqueda binaria) de valores indexados y carga solo de los elementos coincidentes desde el almacén de datos transaccionales	StartsWith (sin distinguir mayúsculas de minúsculas), StringEquals (sin distinguir mayúsculas de minúsculas)	Aumenta ligeramente en función de la cardinalidad de las propiedades indexadas	Aumenta en función de la cantidad de elementos en los resultados de la consulta
Examen completo del índice	Lectura de un conjunto distinto de valores indexados y carga solo de los elementos coincidentes desde el almacén de datos transaccionales	Contains, EndsWith, RegexMatch, LIKE	Aumenta de manera lineal en función de la cardinalidad de las propiedades indexadas	Aumenta en función de la cantidad de elementos en los resultados de la consulta
Examen completo	Carga de todos los elementos del almacén de datos transaccionales	Upper, Lower	N/D	Aumenta en función de la cantidad de elementos del contenedor

Al escribir consultas, debe usar predicados de filtro que usen el índice de la manera más eficaz posible. Por ejemplo, si en su caso de uso funcionaría StartsWith o Contains, debería optar por StartsWith, porque realiza un examen preciso del índice en lugar de un examen completo del índice.

Detalles de uso del índice

En esta sección, se tratan más detalles sobre cómo las consultas usan los índices. Este nivel de detalle no es necesario para aprender a empezar a trabajar con Azure Cosmos DB, pero se documenta en detalle para satisfacer la curiosidad de los usuarios. Hacemos referencia al elemento de ejemplo que ya se compartió en este documento:

Elementos de ejemplo:

{
  "id": 1,
  "locations": [
    { "country": "Germany", "city": "Berlin" },
    { "country": "France", "city": "Paris" }
  ],
  "headquarters": { "country": "Belgium", "employees": 250 },
  "exports": [
    { "city": "Moscow" },
    { "city": "Athens" }
  ]
}

{
  "id": 2,
  "locations": [
    { "country": "Ireland", "city": "Dublin" }
  ],
  "headquarters": { "country": "Belgium", "employees": 200 },
  "exports": [
    { "city": "Moscow" },
    { "city": "Athens" },
    { "city": "London" }
  ]
}

Azure Cosmos DB usa un índice invertido. El índice funciona asignando cada ruta de acceso JSON al conjunto de elementos que contienen ese valor. La asignación del id. de elemento se representa en muchas páginas de índice diferentes para el contenedor. Este es un diagrama de ejemplo de un índice invertido para un contenedor que incluye los dos elementos de ejemplo:

Ruta de acceso	Value	Lista de los id. de elemento
/locations/0/country	Alemania	1
/locations/0/country	Irlanda	2
/locations/0/city	Berlín	1
/locations/0/city	Dublín	2
/locations/1/country	Francia	1
/locations/1/city	Paris	1
/headquarters/country	Bélgica	1, 2
/headquarters/employees	200	2
/headquarters/employees	250	1

El índice invertido tiene dos atributos importantes:

Para una ruta de acceso determinada, los valores se ordenan de manera ascendente. Por lo tanto, el motor de consultas puede procesar ORDER BY fácilmente desde el índice.
Para una ruta de acceso determinada, el motor de consultas puede examinar el conjunto distinto de valores posibles para identificar las páginas de índice donde hay resultados.

El motor de consultas puede utilizar el índice invertido de cuatro maneras distintas:

Búsqueda de índice

Considere la consulta siguiente:

SELECT location
FROM location IN company.locations
WHERE location.country = 'France'

El predicado de consulta (filtrado por elementos, donde cualquier ubicación tiene "France" como su país o región) coincidiría con la ruta de acceso resaltada en este diagrama:

Diagrama de un recorrido (búsqueda) que coincide con una ruta de acceso específica dentro de un árbol.

Puesto que esta consulta tiene un filtro de igualdad, después de recorrer este árbol, podemos identificar rápidamente las páginas de índice que contienen los resultados de la consulta. En este caso, el motor de consultas leería las páginas de índice que contienen el elemento 1. Una búsqueda de índice es la manera más eficaz de usar el índice. Con una búsqueda de índice solo se leen las páginas de índice necesarias y solo se cargan los elementos de los resultados de la consulta. Por lo tanto, el tiempo de búsqueda de índice y el cargo por RU de la búsqueda de índice son increíblemente bajos, independientemente del volumen total de los datos.

Examen preciso del índice

Considere la consulta siguiente:

SELECT *
FROM company
WHERE company.headquarters.employees > 200

El predicado de consulta (filtrado por elementos en los que hay más de 200 empleados) se puede evaluar con un examen preciso del índice de la ruta de acceso headquarters/employees. Al realizar un examen preciso del índice, el motor de consultas comienza al realizar una búsqueda binaria del conjunto distinto de valores posibles para encontrar la ubicación del valor 200 de la ruta de acceso headquarters/employees. Como los valores de cada ruta de acceso se ordenan de manera ascendente, resulta fácil para el motor de consultas realizar una búsqueda binaria. Una vez que el motor de consultas encuentra el valor 200, comienza a leer todas las páginas de índice restantes (en dirección ascendente).

Debido a que el motor de consultas puede realizar una búsqueda binaria para evitar examinar páginas de índice innecesarias, los exámenes precisos del índice tienden a tener una latencia comparable y cargos por RU para las operaciones de búsqueda de índice.

Examen expandido del índice

Considere la consulta siguiente:

SELECT *
FROM company
WHERE STARTSWITH(company.headquarters.country, "United", true)

El predicado de consulta (filtrado por elementos que tienen oficinas centrales en una ubicación que comienza con "United" y que no distingue mayúsculas de minúsculas) se puede evaluar con un examen expandido del índice de la ruta de acceso headquarters/country. Las operaciones que realizan un examen expandido del índice cuentan con optimizaciones que pueden ayudar a evitar la necesidad de examinar cada página de índice, pero son ligeramente más costosas que la búsqueda binaria de un examen preciso del índice.

Por ejemplo, al evaluar StartsWith que no distingue mayúsculas de minúsculas, el motor de consultas comprueba las distintas combinaciones posibles de valores en mayúsculas y minúsculas del índice. Esta optimización permite al motor de consultas evitar leer la mayoría de las páginas de índice. Las distintas funciones del sistema tienen optimizaciones diferentes que pueden usar para evitar leer cada página de índice, por lo que las clasificamos ampliamente como un examen expandido del índice.

Examen completo del índice

Considere la consulta siguiente:

SELECT *
FROM company
WHERE CONTAINS(company.headquarters.country, "United")

El predicado de consulta (filtrado por elementos que tienen oficinas centrales en una ubicación que incluye "United") se puede evaluar con un examen del índice de la ruta de acceso headquarters/country. A diferencia de un examen preciso del índice, un examen completo del índice siempre examina el conjunto distinto de valores posibles para identificar las páginas de índice donde hay resultados. En este caso, Contains se ejecuta en el índice. El tiempo de búsqueda de índice y el cargo por RU para los exámenes del índice aumentan a medida que aumenta la cardinalidad de la ruta de acceso. En otras palabras, cuanto más valores distintos necesite examinar el motor de consultas, mayores serán la latencia y el cargo por RU implicados en realizar un examen completo del índice.

Por ejemplo, considere dos propiedades: town y country. La cardinalidad de ciudad es 5000 y la de country es 200. A continuación, se muestran dos consultas de ejemplo que tienen una función del sistema Contains que realiza un examen completo del índice en la propiedad town. La primera consulta usa más RU que la segunda, porque la cardinalidad de ciudad es mayor que la de country.

SELECT *
FROM c
WHERE CONTAINS(c.town, "Red", false)

SELECT *
FROM c
WHERE CONTAINS(c.country, "States", false)

Examen completo

En algunos casos, es posible que el motor de consultas no pueda evaluar un filtro de consulta mediante el índice. En este caso, el motor de consultas debe cargar todos los elementos del almacén transaccional para evaluar el filtro de consulta. Los exámenes completos no usan el índice y tienen un cargo por RU que aumenta linealmente con el tamaño total de los datos. Afortunadamente, las operaciones que requieren exámenes completos son poco frecuentes.

Consultas de del vector de búsqueda sin un índice vectorial definido

Si no define una directiva de índice vectorial y usa la función del sistema VectorDistance en una cláusula ORDER BY, esto dará como resultado un examen completo y tendrá un cargo de RU mayor que si define una directiva de índice vectorial. De forma similar, si usa VectorDistance con el valor booleano por fuerza bruta establecido en true y no tiene un índice flat definido para la ruta de acceso vectorial, se producirá un examen completo.

Consultas con expresiones de filtro complejas

En los ejemplos anteriores, solo se tenían en cuenta las consultas que tenían expresiones de filtro simples (por ejemplo, consultas con un solo filtro de igualdad o rango). En realidad, la mayoría de las consultas tienen expresiones de filtro mucho más complejas.

Considere la consulta siguiente:

SELECT *
FROM company
WHERE company.headquarters.employees = 200 AND CONTAINS(company.headquarters.country, "United")

Para ejecutar esta consulta, el motor de consultas debe realizar una búsqueda de índice en headquarters/employees y un examen completo del índice en headquarters/country. El motor de consultas cuenta con heurística interna que usa para evaluar la expresión de filtro de consulta de la manera más eficaz posible. En este caso, el motor de consultas evitaría tener que leer páginas de índice innecesarias al realizar primero la búsqueda de índice. Por ejemplo, si solo 50 elementos coincidían con el filtro de igualdad, el motor de consultas solo necesitaría evaluar Contains en las páginas de índice que contenían esos 50 elementos. No sería necesario realizar un examen completo del índice de todo el contenedor.

Uso del índice para funciones de agregado escalares

Las consultas con funciones de agregado deben basarse exclusivamente en el índice para poder usarlo.

En algunos casos, el índice puede devolver falsos positivos. Por ejemplo, al evaluar Contains en el índice,el número de coincidencias en el índice puede superar el número de resultados de la consulta. El motor de consultas carga todas las coincidencias de índice, evalúa el filtro en los elementos cargados y devuelve solo los resultados correctos.

Para la mayoría de las consultas, la carga de coincidencias de índice con falsos positivos no tiene ningún efecto perceptible en el uso del índice.

Por ejemplo, considere la siguiente consulta:

SELECT *
FROM company
WHERE CONTAINS(company.headquarters.country, "United")

La función del sistema Contains puede devolver algunas coincidencias de falsos positivos, por lo que el motor de consultas debe comprobar si cada elemento cargado coincide con la expresión de filtro. En este ejemplo, es posible que el motor de consultas solo necesite cargar algunos elementos adicionales, por lo que el efecto en el uso del índice y el cargo por RU es mínimo.

Sin embargo, las consultas con funciones de agregado deben basarse exclusivamente en el índice para poder usarlo. Por ejemplo, considere la consulta siguiente con un agregado Count:

SELECT COUNT(1)
FROM company
WHERE CONTAINS(company.headquarters.country, "United")

Al igual que en el primer ejemplo, la función del sistema Contains puede devolver algunas coincidencias de falsos positivos. Sin embargo, a diferencia de la consulta SELECT *, la consulta Count no puede evaluar la expresión de filtro en los elementos cargados para comprobar todas las coincidencias del índice. La consulta Count debe basarse exclusivamente en el índice, por lo que si hay alguna posibilidad de que una expresión de filtro devuelva coincidencias de falsos positivos, el motor de consultas recurre a un examen completo.

Las consultas con las funciones de agregado siguientes deben basarse exclusivamente en el índice, por lo que la evaluación de algunas funciones del sistema requiere un examen completo.

Pasos siguientes

Obtenga más información acerca de la indexación en los siguientes artículos:

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Introducción a la indexación en Azure Cosmos DB

De elementos a árboles

De árboles a rutas de acceso de propiedades

Tipos de índice

Índice de rangos

Índice espacial

Índices compuestos

Índices vectoriales

Uso de índices

Detalles de uso del índice

Búsqueda de índice

Examen preciso del índice

Examen expandido del índice

Examen completo del índice

Examen completo

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Consultas con expresiones de filtro complejas

Uso del índice para funciones de agregado escalares

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