4. 多版本索引
在openGauss中实现了多版本索引ubtree，是专用于ustore的B-Tree索引变种，相比原有的B-Tree索引有如下差异点。
（1） 支持索引数据的多版本管理及可见性检查，能够自主鉴别旧版本元组并进行回收，同时索引层的可见性检查使得索引扫描（Index Scan）及仅索引扫描（Index Only Scan）性能有所提升。
（2） 在索引插入操作之外，增加了索引删除操作，用于对被删除或修改的元组对应的索引元组进行标记。
（3） 索引按照key + TID的顺序排列，索引列相同的元组按照对应元组的TID作为第二关键字进行排序。
（4） 添加新的可选页面分裂策略“insertpt”。
ubtree实现了索引访问接口所要求的全部接口，如表4-23所示：
此外，还实现了新增的的索引删除函数UBTreeDelete。
1） 索引页面组织
多版本索引层次结构与B-Tree索引基本相同，非叶子节点与B-Tree索引保持一致，仅页尾的Special字段有所不同。ubtree中的Special字段UBTPageOpaqueDataInternal如下所示：
……
/* 以上部分与BTPageOpaqueDataInternal一致 */
TransactionId last_delete_xid; /* 记录页面上最后一次删除事务的 XID */
TransactionId xid_base; /* 页面上的 xid-base */
int16 activeTupleCount; /* 页面上活跃元组计数 */
} UBTPageOpaqueDataInternal;
typedef UBTPageOpaqueDataInternal* UBTPageOpaqueInternal;
其中last_delete_xid与activeTupleCount用于索引的自治式回收，会在ustore中的“6. 空间管理和回收”一节详细讲解。
通过xid_base字段，页面上的XID可以仅储存基于该xid_base的一个32位偏移（Offset），节省XID存储的空间开销。实际的XID为页面上的xid_base加上存储的XID（也就是偏移）得到。
多版本中的叶子页面的结构如图4-17所示。
图4-17 ubtree 叶子页面结构示意图
与astore堆页面中维护版本信息的方法类似，ubtree的叶子节点中每个索引元组尾部都附加了对应的xmin和xmax。由于索引只是用于加速搜索的结构，本身不与历史版本概念强相关，仅通过xmin和xmax来标识这个索引元组是从什么时候开始有效的，又是什么时候被删除的，而不像astore中堆元组一样会有指向旧版本元组的指针。
新插入的索引元组尾部用于存放xmin和xmax 空间在ubtinsert函数执行的过程中预留出来。预留的空间及xmin在索引元组插入时通过UBTreePageAddTuple函数中写入页面，而xmax在索引元组删除时通过UBTreeDeleteOnPage函数中写入页面。
在UBTreePagePruneOpt函数中，索引元组通过其xmin和xmax信息来判断该元组是否已经无效（Dead），进而进行独立的页面清理。该函数会尝试清除所有无效的元组，并进行相应的碎片整理。
索引扫描时会调用UBTreeFirst函数定位到第一个满足扫描条件的索引元组，然后调用UBTreeReadPage获取当前页面中符合索引扫描条件，且能够通过可见性检查的元组。可见性检查通过UBTreeVisibilityCheckXid函数及UBTreeVisibilityCheckCid函数处理，其基本逻辑与astore类似，通过xmin与xmax及当前的快照进行可见性判断。
在ubtree中，索引元组除了按照索引列有序排列之外，对于索引列相同的元组，还将其对应堆元组的TID作为第二关键字进行排序。其具体实现大致都集中在ubtbuild函数及ubtinsert函数调用的过程中，这中间对索引列相同的元组会按照TID来进行额外的比较。实现还借助了BTScanInsert结构体，该结构体定义如下：
bool heapkeyspace; /* 标志索引是否额外按 TID 排序 */
bool anynullkeys; /* 标志待查找的索引元组是否有为 NULL的列 */
bool nextkey; /* 标志是否希望寻找第一个大于扫描条件的元组 */
bool pivotsearch; /* 标志是否希望查找 Pivot 元组 */
ItemPointer scantid; /* 用于作为排序依据的 TID */
int keysz; /* scankeys 数组的大小 */
ScanKeyData scankeys[INDEX_MAX_KEYS];
} BTScanInsertData;
在索引元组将TID作为第二关键字排序之后，用于划分搜索空间的非叶子节点元组及叶子节点的Hikey元组（统称Pivot元组）也需要携带对应的TID信息。这会使得Pivot元组占用空间增加，非叶子的扇出（fan out）降低。为了避免这一特性导致的扇出降低，若不需要比较TID即可区分两个叶子页面，则对应的Pivot原则中就不需要储存TID信息。类似地，Pivot元组中也可以去掉一些不需要进行比较的索引列，这一逻辑在UBTreeTruncate函数中进行处理。原则是当比较前几列就可以区分两个叶子页面时，Pivot元组中就不需要储存后续的列。
2） 索引操作
对于原有的B-Tree索引而言，主要有四类操作：索引创建、索引扫描、索引插入以及索引删除。下面将依次进行介绍。
（1） 索引创建。
索引创建操作由索引上的ubtbuild函数及ustore上的IndexBuildUHeapScan函数配合完成。IndexBuildUHeapScan函数负责扫描对应的ustore表，并取出每个元组的最新版本（遵循SnapshotNow的语义）以及其对应的xmin和xmax。若发现某个元组存在被就地更新的旧版本，则会将该索引标记为HotChainBroken。被标记为HotChainBroken的索引，会复用astore原有的逻辑，禁止隔离级别为可重复读（Read Repeatable）的老事务访问。ubtbuild函数会接收IndexBuildUHeapScan传过来的元组，将其按照索引列及TID排序后依次插入到索引页面中，并构建相应的元页面及上层页面。整个创建流程需要将所有页面都记录到XLOG中，并强制将存储管理中的内容刷到永久存储介质后才算成功结束。
（2） 索引扫描。
索引扫描与B-Tree索引基本一致，但是需要对索引元组进行可见性检查。没有通过可见性检查的索引元组不会被返回，通过可见性检查的元组仍需要在ustor 堆表上进行可见性检查，并找到正确的可见版本。在IndexOnlyScan场景中，通过可见性检查的元组即可直接返回，不需要再访问堆表。
不过索引进行可见性检查时，由于索引元组只存放了xmin和xmax而没有CID（对应“4.2.3 astore”节堆表元组中的t_cid字段）信息，如果发现了当前事务修改过的索引元组则不能正确地通过CID来判断其可见性。此时会将该元组视为可见，但会标记xs_recheck_itup，告知ustore的数据页面需要在取到对应的数据元组后，再次构建对应的索引元组并与返回的索引元组进行比较，来确认该索引元组是不是真正可见。相关逻辑在 UBTreeVisibilityCheckXid、UBTreeVisibilityCheckCid以及RecheckIndexTuple函数中进行处理。
（3） 索引插入。
索引元组需要存储对应的xmin和xmax版本信息，但其所占用的空间并不表现在IndexTupleSize中，而是对外部透明。索引插入的接口函数为ubtinsert，为了正确插入带有版本信息的元组，需要在执行插入前增加IndexTupleSize以预留用于储存版本信息的空间。真正将元组插入到页面的时候，会将版本信息所占用的空间大小从IndexTupleSize中去除。
在索引插入的过程中若页面空间不足，会首先调用UBTreePagePruneOpt函数尝试对已经无效的元组进行清理。若清理失败或清理成功后空间仍然不足，会进行索引页面分裂。索引页面分裂会在UBTreeInsertOnPage函数中进行。ubtree中存在两种分裂策略：default以及insertpt。其中default策略会将原页面上的内容均匀地分配到两个页面上，而insertpt会根据新插入元组的插入规律、插入位置及TID等信息选择合适的分裂点。
在ubtree需要申请新的页面时，并不会像原有的B-Tree索引一样调用_bt_getbuf通过FSM来查找可用页面。ubtree带有自治式的空间管理机制，通过UBtreeGetNewPage函数获取新页面。该自治式空间管理机制将在空间管理和回收部分介绍。
（4） 索引删除。
索引删除操作用于在堆元组被删除的同时，将对应的索引元组也标上对应的xmax。索引删除的流程与插入类似，通过二分查找定位到待删除元组的位置，并将xmax写入到对应的位置。需要注意的是，要删除的元组是索引列以及TID都匹配，且还未被写入xmax的那个元组，这部分逻辑在UBTreeFindDeleteLoc函数中处理。在最后会调用UBTreeDeleteOnPage函数为对应的索引元组写上xmax，更新页面上的last_delete_xid以及activeTupleCount，并在检测到activeTupleCount为0时将该页面放入潜在空页队列（Potential Empty Page Queue）中。关于潜在空页队列会在空间管理和回收部分介绍。
