作者： Solrex

摘要：bitmap 索引是一种典型的数据库索引方案，本文基于 Fastbit 软件包，使用实际用例对一些常用的 bitmap 索引算法进行了一个较为系统的介绍。

一、Fastbit是什么？

引用 Fastbit 的官方网站上的介绍：Fastbit是一个追随 NoSQL(Not Only SQL) 运动精神的开源的数据处理程序库，它提供了一系列的用压缩的 bitmap 索引支持的查询函数。在这里，我们关注的关键词是“bitmap 索引”。Fastbit 使用的是按列存储方式，其 bitmap 索引也是在按列存储的数据上建立起来的。

二、Fastbit 中的 bitmap 索引算法

Fastbit 的源代码有着非常清晰的结构。在 Fastbit 的源代码中，每个索引算法都用一个 C++ 类来实现，所有的索引算法类都是基类 index 的派生，并且在 fastbit 源代码中保存为以 i 开头的源文件。

下面是 Fastbit 中的索引类的派生关系图，从美观考虑，直接使用 xmind 思维导图而不是 UML 来展现了：

下面我们将对其中部分算法进行简单的介绍。我们将这些索引算法分为几大类：基础算法、扩展算法、多层算法和多成分算法。

三、基础 bitmap 索引算法

基础的 bitmap 索引算法是最简单的 bitmap 索引算法，给出了 bitmap 索引的基本原理。

3.1 relic

relic （定义在 irelic.h 中，实现在 irelic.cpp ） 是最原始的 equality-encoded 算法，这个单词代表“遗迹”的意思。它可谓是最简单直观的 bitmap 索引算法。relic 为需要索引的每个值都建立一个 bitvector，在该 bitvector 中，只有等于该值的列才会被置 1，其它位都被置 0，如下表所示：

数据	索引（bitmap）
	a	b	d	e	g
a	1	0	0	0	0
g	0	0	0	0	1
d	0	0	1	0	0
e	0	0	0	1	0
b	0	1	0	0	0
d	0	0	1	0	0
g	0	0	0	0	1
e	0	0	0	1	0

3.2 bin

bin （定义于 ibin.h，实现在 ibin.cpp）是 binned equality-encoded 算法，这里它代表“桶”的意思。它可以视为是 relic 的一种变形，它将值域分为几个不相交的区间，将原本是相等才置一的规则转变为值落在该区间内就置一，如下表所示。当然，relic 也可以视为 bin 的一个特例（将区间定义为 [a, a+ε）。bin 每个区间的范围由程序遵从某些规则设定，这些规则由命令行通过参数传入。

数据	索引（bitmap）
	(…,b)	[b,e)	[e,…)
a	1	0	0
g	0	0	1
d	0	1	0
e	0	0	1
b	0	1	0
d	0	1	0
g	0	0	1
e	0	0	1

3.3 bin->range

range （定义于 ibin.h，实现于 irange.cpp）是 range-encoded 算法，这里它代表“范围”的意思。正如它字面所表达的意思，range 的每个 bitvector 标记着小于某边界值的值，如下表所示。因此，它可以视为是 bin 的一个累积表示，这也是 fastbit 软件包中所做的：首先构造 bin，然后累加转换成 range。值得注意的是，一般最后一列代表着小于无穷大，因此该 bitvector 全为 1，会被略去不写。

数据	索引（bitmap）
	(…,b)	(…,e)	(…,g)
a	1	1	1
g	0	0	0
d	0	1	1
e	0	0	1
b	0	1	1
d	0	1	1
g	0	0	0
e	0	0	1

3.4 bin->mesa

mesa （定义于 ibin.h，实现于 imesa.cpp）是 interval-encoded 算法[1]，它与 bin 类似，只不过它的区间之间有重叠部分。与 range 相同，在 fastbit 软件包中，它也是通过 bin 构造起来的。

数据	索引（bitmap）
	(…,d)	[a,e)	[b,g)	[d,…)
a	1	1	0	0
g	0	0	0	1
d	0	1	1	1
e	0	0	1	1
b	1	1	1	0
d	0	1	1	1
g	0	0	0	1
e	0	0	1	1

四、扩展 bitmap 索引算法

4.1 direkte

direkte （定义于 idirekte.h，实现于 idirekte.cpp）是丹麦语中的 direct，它与 relic 几乎是一样的，不同点只是它为小于最大值的所有值都建立了一个 bitvector（即使该值并不存在于列中）。

数据	索引（bitmap）
	a	b	c	d	e	f	g
a	1	0	0	0	0	0	0
g	0	0	0	0	0	0	1
d	0	0	0	1	0	0	0
e	0	0	0	0	1	0	0
b	0	1	0	0	0	0	0
d	0	0	0	1	0	0	0
g	0	0	0	0	0	0	1
e	0	0	0	0	1	0	0

4.2 relic->slice

slice（定义于 irelic.h，实现于 islice.cpp）实现了 O'Neil'97 [2] 提出的 bit-slice 算法。它的基本思想就是首先将原始数据用二进制进行编码，bitmap 就是所有值的二进制编码表示的集合，bitvector 的个数由最大值的二进制表示决定，如下表所示：

数据	编码	索引(bitmap)
a	0	0	0	0
g	4	1	0	0
d	2	0	1	0
e	3	0	1	1
b	1	0	0	1
d	2	0	1	0
g	4	1	0	0
e	3	0	1	1

4.3 bin->bak

bak （定义于 ibin.h，实现于 idbak.cpp）是丹麦语中的 bin，因此它是 bin 的变形。它使用减精度来表示 bin 区间的中心，即它的每一个区间都是用一个更低精度的数来表示，具体来说就是四舍五入啦。下面是一个对 1-100 的数据列建立 bak 索引的输出，其中第一列表示区间的中心，第二三列代表区间最小最大值，第四列代表该区间内数据的个数：

index (equality encoding on reduced precision values) for data.a contains 19 bitvectors for 100 objects
1   1   1   1
2   2   2   1
3   3   3   1
4   4   4   1
5   5   5   1
6   6   6   1
7   7   7   1
8   8   8   1
9   9   9   1
10  10  14  5
20  15  24  10
30  25  34  10
40  35  44  10
50  45  54  10
60  55  65  11
70  66  74  9
80  75  84  10
90  85  94  10
100 95  100 6

4.4 bin->bak2

bak2 （定义于 ibin.h，实现于 idbak2.cpp）是 bak 的变形，也是以减精度来表示区间。但与 bak 不同的是，它将 bak 的每个区间区分为两个区间：小于减精度数的区间，和大于等于减精度数的区间。虽然注释中这样说，但实现时 bak2 是将 bak 的区间分为了三个：小于、等于和大于。下面是一个对 1-100 的数据列建立 bak2 索引的输出，每列的含义与 bak 中示例相同：

index (equality encoding on reduced precision values) for data.a contains 37 bitvectors for 100 objects
1   1   1   1
2   2   2   1
3   3   3   1
4   4   4   1
5   5   5   1
6   6   6   1
7   7   7   1
8   8   8   1
9   9   9   1
10  10  10  1   
10  11  14  4   
15  15  19  5
20  20  20  1
20  21  24  4
25  25  29  5
30  30  30  1
30  31  34  4
35  35  39  5
40  40  40  1
40  41  44  4
45  45  49  5
50  50  50  1
50  51  54  4
55  55  59  5
60  60  60  1
60  61  65  5
66  66  69  4
70  70  70  1
70  71  74  4
75  75  79  5
80  80  80  1
80  81  84  4
85  85  89  5
90  90  90  1
90  91  94  4
95  95  99  5
100 100 100 1

除了上面几个算法之外，扩展的算法还有 roster 和 keywords，这两种算法比较复杂，这里就不示例讲解了。

五、多层 bitmap 索引算法

有了几个基础的 bitmap 索引算法，我们就可以考虑将这些算法组合成一个层次的结构，构造出多层的 bitmap 索引算法。下面的几个算法，即是由前面的基础 bitmap 索引算法构造出来的二（多）层 bitmap 索引算法。

5.1 bin->ambit

ambit（定义于 ibin.h，实现于 ixambit.cpp）是 multilevel-range based算法，在这个算法中索引分为多层，每层索引都是基于 range 的索引。具体实现时，fastbit 首先构造 bin，然后对桶进行分组(调用 bin::divideBitmaps)，然后构造 ambit。分组粒度可以由命令行传入参数 ncoarse=x 和/或 nrefine=n 指定，否则由一简单算法确定，确定分组个数的算法为（第一个桶不参与分组）：

ixambit.cpp:
33     // the default number of coarse bins is determined based on a set
34     // of simplified assumptions about expected sizes of range encoded
35     // bitmaps and word size being 32 bits.
36     const uint32_t defaultJ = static_cast
37         (nbins < 100 ? sqrt((double)nbins) :
38          0.5*(31.0 + sqrt(31.0*(31 + 4.0*nbins))));

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 bin，右侧是基于该 bin 构造的 ambit：

5.2 bin->pale

pale（定义于 ibin.h，实现于 ixpale.cpp）是 two-level binned equality-range算法，它的索引分为两层，第一层为 binned equality(bin) 索引，第二层为 range 索引。在具体实现时，pale 首先构造 bin，然后对桶进行分组(调用 bin::divideBitmaps)，然后构造 pale。与 ambit 相同，分组粒度可以由命令行传入参数 ncoarse=x 和/或 nrefine=n 指定，否则当 bin 桶数大于31时，默认第一层为16个组：

ixpale.cpp:
45     else { // default -- 16 coarse bins
46         if (nbins > 31) {
47         j = 16;
48         }
49         else {
50         j = nbins;
51         }
52     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 bin，右侧是基于该 bin 构造的 pale：

5.3 bin->pack

pack（定义于 ibin.h，实现于 ixpack.cpp）是 two-level binned range-equality 算法。它的索引分两层，与 pale 相反，第一层为 range 索引，第二层为 binned equality(bin) 索引。具体实现时，fastbit 首先构造 bin，然后对桶进行分组(调用bin::divideBitmaps)，然后构造 pack。分组粒度可以由命令行传入参数 ncoarse=x 和/或 nrefine=n 指定，否则当bin桶数大于63时，默认第一层为31个组：

ixpack.cpp:
44     else { // default -- 31 coarse bins
45         if (nbins > 63) {
46         j = 31;
47         }
48         else {
49         j = nbins;
50         }
51     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 bin，右侧是基于该 bin 构造的 pack：

5.4 bin->zone

zone（定义于 ibin.h，实现于 ixzone.cpp）是 two-level binned equality-equality 算法，它的索引分两层，两层均为 binned equality(bin) 索引。它的实现方式也是首先构造 bin，然后对桶进行分组(调用 bin::divideBitmaps)，然后构造 zone。其分组粒度可以由命令行传入参数 ncoarse=x 和/或 nrefine=n 指定，否则当bin桶数大于31时，默认第一层为14个组：

ixpack.cpp:
46     else { // default -- 14 coarse bins
47         if (nbins > 31) {
48         j = 14;
49         }
50         else {
51         j = nbins;
52         }
53     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 bin，右侧是基于该 bin 构造的 zone：

5.5 bin->fuge

fuge（定义于 ibin.h，实现于 ixfuge.cpp）是 two-level binned interval-equality 算法，fuge 为德语中 interstice 的表述。fuge 的索引分两层，第一层为 interval(mesa) 索引，第二层为 binned equality(bin) 索引，它也是采用首先构造 bin，然后基于 bin 构造 fuge 的方式。其分组粒度由 ncoarse=x 指定，否则默认的分组个数由下面算法确定：

ixfuge.cpp:
887     // default size based on the size of fine level index sf: sf(w-1)/N/sqrt(2)
...
899     if (ncoarse < 5U && offset32.back() >
900     offset32[0]+static_cast(nrows/31)) {
901     ncoarse = sizeof(ibis::bitvector::word_t);
...
913     else {
914         ncoarse = ncmax;
915     }
916     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 bin，右侧是基于该 bin 构造的 fuge：

5.6 relic->bylt

bylt（定义于 irelic.h，实现于 ixrelic.cpp）是 two-level unbinned range-equality 算法，bylt 是丹麦语的 pack(binned 版本算法)。bylt 索引分两层，第一层为 range 索引，第二层为 unbinned equality(relic) 索引。在实现时首先构造 relic，然后对桶进行分组(调用bin::divideBitmaps)，然后构造 bylt。分组粒度可以由 ncoarse=x 指定，bylt 保证每组中桶数是大致均匀的，否则由下面算法决定分组的个数：

ixbylt.cpp:
182     // default size based on the size of fine level index sf:
183     // (w-1) * sqrt(sf*(sf-N/(w-1))) / (2N)
184     if (ncoarse < 5U && offset64.back() > offset64[0]+(int32_t)(nrows/31U)) { 
185     ncoarse = sizeof(ibis::bitvector::word_t);
     const int wm1 = ncoarse*8-1;
...
199         ncoarse = ncmax;
200     }
201     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 relic，右侧是基于该 relic 构造的 bylt：

5.7 relic->fuzz

fuzz（定义于 irelic.h，实现于 ixfuzz.cpp）是two-level unbinned interval-equality 算法，即 fuge 的 unbinned 版本，名字起源于 fuzzy 聚类/分类。fuzz 索引分两层，第一层为 interval(mesa) 索引，第二层为 unbinned equality(relic) 索引，具体实现时 fastbit 也是采用首先构造 relic，然后构造 fuzz 的方式。其分组粒度可以由 ncoarse=x 指定，否则默认分组个数由下面算法确定：

ixfuzz.cpp:
168     // default size based on the size of fine level index sf: sf(w-1)/N/        sqrt(2) 
169     if (ncoarse < 5U && offset64.back() > offset64[0]+nrows/31U) {
170     ncoarse = sizeof(ibis::bitvector::word_t);
...
182     else {
183         ncoarse = ncmax;
184     }
185     }

下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 relic，右侧是基于该 relic 构造的 fuzz：

5.8 relic->zona

zona（定义于 irelic.h，实现于 ixzona.cpp）是 two-level unbinned equality-equality 算法，zona 是丹麦语的zone(binned 版本算法)，其索引分两层，两层均为 unbinned equality(relic) 索引。首先构造 relic，然后对桶进行分组构造zona，分组个数默认为11个。下面看一个实际的例子，左侧是对 1-100 的数据列构造的 relic，右侧是基于该 relic 构造的 zona：

六、多成分 bitmap 索引

多成分（multi-component）bitmap 索引[3]是使用一组基数将数据值分解成多个部分，分别对每个部分进行 bitmap 索引的方案。原理描述如下：给定 n-1 个基数 { b_n-1, b_n-2, ..., b₁}，那么一个值 v 可以通过下式分解为 {v_n, v_n-1, ..., v₁}：

这和数的表示法类似，如果令 b_i 都是 10，那么 v_i 就是十进制表示法中第 i 位的值（大于等于0，小于10）。更准确的表述可以参考[3]。下面我们来看 fastbit 中的几个实现。

6.1 relic->fade

fade（定义于 irelic.h，实现于 ifade.cpp）是 multicomponent range-encoded 算法，即在每个部分中，是使用的 range 索引。下面来看一个 range-encoded 的例子：

在(b)图中，选择的基数是 9，那么索引就变成了一个单成分的 range 索引算法；在(c)图中，选择的基数是 <3, 3> 这样一个双成分编码，对分解出来的每个成分（大于等于0，小于3）生成 range 索引，就得出了 (c) 图中的结果。

6.2 relic->fade->sapid

sapid（定义于 irelic.h，实现于 isapid.cpp）是 multicomponent equality-encoded 算法，即在每个部分中是使用的 equality(relic) 索引。下面来看一个 equality-encoded 的例子：

在(b)图中，选择的基数是 <3, 4> 这样一个双成分编码，对分解出来的每个成分生成 relic 索引，就得到了 (b) 图中的索引结果。

除了这两个索引算法之外，还有 sbiad(multicomponent interval-encoded)，egale(multicomponent equality code on bins), entre(multicomponent interval code on bins), moins(multicomponent range code on bins)这几个索引算法。从括号中我们可以大致猜出这些索引的实现方式，但是由于我们现在没有一个很好的示例展现方式，用实际用例来展现这些索引算法的效果将会留给以后的文章进行。

七、总结

这篇文章基于 fastbit 软件包，加以实际的用例对常用的 bitmap 索引算法进行了一个较为系统的介绍。不过生成 bitmap 索引仅仅是第一步，bitmap 索引在存储时会有很大的开销，在不损害（较少损害）查询效率的情况下，对 bitmap 索引进行有效的压缩是一个非常有挑战性的课题。除了 bitmap 索引的生成和存储之外，在不同类型的 bitmap 索引上实现高效的各种类型的查询，也是一个值得进一步探讨的问题。我们很高兴地看到 fastbit 软件包实现了很多这些相关领域的算法，为我们提供了非常宝贵的资料。

参考文献

[1] C-Y. Chan and Y. E. Ioannidis, An efficient bitmap encoding scheme for selection queries, in Proceedings of the ACM international conference on Management of data (SIGMOD), 1999.
[2] P. O’Neil and DalIan Quass, Improved Query Performance with Variant Indexes, in Proceedings of the ACM international conference on Management of data (SIGMOD), 1997.
[3] C-Y. Chan and Y. E. Ioannidis, Bitmap Index Design and Evaluation, in Proceedings of the ACM international conference on Management of data (SIGMOD), 1998.