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Acerca de los esquemas

En esta página, se analizan los esquemas y se presentan tablas intercaladas, que pueden mejorar el rendimiento de las consultas cuando se consultan tablas en una relación de superior y secundario.

Las bases de datos de Cloud Spanner contienen una o más tablas. Las tablas están estructuradas como filas y columnas. Una o más de las columnas se definen como la clave primaria de la tabla, que identifica de forma única cada fila. Las claves primarias siempre se indexan para la búsqueda rápida de filas y puedes definir índices secundarios en una o más columnas. Si deseas actualizar o borrar las filas existentes en una tabla, la tabla debe tener una clave primaria. Una tabla sin columnas de clave primaria solo puede tener una fila. Solo las bases de datos de dialecto de Google SQL pueden tener tablas sin una clave primaria.

Los datos en Spanner están fuertemente escritos. Debes definir un esquema para cada base de datos, y ese esquema debe especificar el tipo de datos de cada columna de cada tabla. Los tipos de datos incluyen tipos escalares y complejos, que se describen en Tipos de datos en Google SQL y Tipos de datos de PostgreSQL.

Relaciones entre tablas superiores y secundarias

Existen dos maneras de definir relaciones entre superiores y secundarios en Spanner: la intercalación de tablas y las claves externas.

La intercalación de tablas de Spanner es una buena opción para muchas relaciones de superior y secundario. Con la intercalación, Spanner ubica físicamente las filas secundarias con las filas superiores en el almacenamiento. La ubicación conjunta puede mejorar el rendimiento de manera significativa. Por ejemplo, si tienes una tabla Customers y una tabla Invoices, y tu aplicación recupera con frecuencia todas las facturas de un cliente, puedes definir Invoices como una tabla secundaria intercalada de Customers. Al hacerlo, declaras una relación de localidad de datos entre dos tablas independientes. Le indicas a Spanner que almacene una o más filas de Invoices con una fila Customers.

Para asociar una tabla secundaria con una tabla superior, debes usar el DDL que declara la tabla secundaria como intercalada en la superior y, además, incluir la clave primaria de la tabla superior como la primera parte de la clave primaria compuesta de la tabla secundaria. Para obtener más información sobre la intercalación, consulta Crea tablas intercaladas más adelante en este tema.

Las claves externas son una solución de elementos principales y secundarios más general y abordan casos prácticos adicionales. No están limitadas a las columnas de clave primaria, y las tablas pueden tener varias relaciones de clave exterior, tanto como un superior en algunas relaciones, y un elemento secundario en otras. Sin embargo, una relación de clave externa no implica la ubicación conjunta de las tablas en la capa de almacenamiento.

Google recomienda que elijas representar las relaciones entre tablas primarias y secundarias como tablas intercaladas o como claves externas, pero no como ambas. Para obtener más información sobre las claves externas y su comparación con las tablas intercaladas, consulta Descripción general de las claves externas.

Elige una clave primaria

Es posible que tu aplicación ya tenga un campo que sirva naturalmente como clave primaria. Por ejemplo, para una tabla Customers, puede haber una CustomerId proporcionada por la aplicación que funcione bien como clave primaria. En otros casos, es posible que debas generar una clave primaria cuando insertes la fila. Por lo general, sería un valor entero único sin importancia empresarial (una clave primaria sustituta).

En todos los casos, debes tener cuidado de no crear hotspots con la clave primaria que elijas. Por ejemplo, si insertas registros con una clave que es un número entero que aumenta monótonamente, siempre se insertará al final del espacio de claves. Esto no es recomendable porque Spanner divide los datos entre los servidores por rangos de clave, lo que significa que las inserciones se dirigirán a un solo servidor y se creará un hotspot. Existen técnicas que pueden distribuir la carga entre varios servidores y evitar los hotspots:

Genera un hash de la clave y almacénalo en una columna. Usa la columna de hash (o la columna de hash más la columna de la clave única) como clave primaria.
Cambia el orden de las columnas en la clave primaria.
Usa un identificador único universal (UUID). Se recomienda usar un UUID de versión 4, ya que esta utiliza valores aleatorios en los bits de orden superior. No uses un algoritmo de UUID (como uno de versión 1) que almacene la marca de tiempo en los bits de orden superior.
Revierte los bits de los valores secuenciales.

Agrega índices secundarios basados en claves primarias

En ciertas circunstancias, tu uso de la base de datos puede beneficiarse si agregas índices secundarios basados en claves primarias. Esto sucede en particular si ejecutas consultas con frecuencia que requieren análisis en orden inverso de la clave primaria de una tabla.

Claves primarias en tablas intercaladas

Para la intercalación, cada tabla debe tener una clave primaria. Si declaras que una tabla es una secundaria de otra tabla, la tabla debe tener una clave primaria compuesta que incluya todos los componentes de la clave primaria de la misma entidad en el mismo orden y, por lo general, una o más columnas secundarias de la tabla secundaria.

Spanner almacena las filas ordenadas según los valores de clave primaria, con filas secundarias insertadas entre las filas superiores. Consulta una ilustración de filas intercaladas en la sección Crea tablas intercaladas más adelante en este tema.

En resumen, Spanner puede ubicar físicamente juntas las filas de las tablas relacionadas. Los ejemplos de esquema muestran cómo se ve este diseño físico.

Divisiones de bases de datos

Puedes definir jerarquías de relaciones intercaladas superiores y secundarias de hasta siete capas de profundidad, lo que significa que puedes ubicar juntas las filas de siete tablas independientes. Si el tamaño de los datos de tus tablas es pequeño, es probable que un solo servidor de Spanner controle tu base de datos. Pero ¿qué sucede cuando crecen las tablas relacionadas y comienzan a alcanzar los límites de recursos de un servidor individual? Spanner es una base de datos distribuida, lo que significa que a medida que la base de datos crece, Spanner divide los datos en fragmentos llamados “divisiones”. Las divisiones individuales pueden moverse de forma independiente respecto de las otras y asignarse a distintos servidores, que pueden estar en diferentes ubicaciones físicas. Una división contiene un rango de filas contiguas. Las claves de inicio y fin de este rango se denominan “límites de división”. Spanner agrega y quita de forma automática los límites de división según el tamaño y la carga, lo que cambia la cantidad de divisiones de la base de datos.

División basada en la carga

Como ejemplo de cómo Spanner realiza la división basada en la carga para mitigar los hotspots de lectura, supongamos que tu base de datos contiene una tabla con 10 filas que se leen con más frecuencia que el resto de las filas de la tabla. Spanner puede agregar límites de división entre cada una de esas 10 filas a fin de que cada uno los controle un servidor diferente, en lugar de permitir que todas las lecturas de esas filas consuman los recursos de un solo servidor.

Como regla general, si sigues las prácticas recomendadas para el diseño de esquemas, Spanner puede mitigar los hotspots de modo que la capacidad de procesamiento de lectura deba mejorar cada pocos minutos hasta saturar los recursos de la instancia o ejecutarse en casos en los que no se pueden agregar límites de división nuevos (porque tienes una división que cubre solo una fila sin elementos secundarios intercalados).

Ejemplos de esquemas

En los siguientes ejemplos de esquema, se muestra cómo crear tablas superiores y secundarias con y sin intercalación. También se ilustran los diseños físicos correspondientes de los datos.

Crear una tabla superior

Supongamos que quieres crear una aplicación de música y necesitas una tabla simple que almacene filas de datos de cantantes:

Tabla de cantantes con 5 filas y 4 columnas SingerID es la primera columna.

Ten en cuenta que la tabla contiene una columna de clave primaria, SingerId, que aparece a la izquierda de la línea en negrita, y que las tablas están organizadas por filas y columnas.

Puedes definir la tabla con un esquema de Spanner de la manera siguiente:

GoogleSQL

CREATE TABLE Singers (
SingerId   INT64 NOT NULL,
FirstName  STRING(1024),
LastName   STRING(1024),
SingerInfo BYTES(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId);

PostgreSQL

CREATE TABLE singers (
singer_id   BIGINT PRIMARY KEY,
first_name  VARCHAR(1024),
last_name   VARCHAR(1024),
singer_info BYTEA
);

Ten en cuenta lo siguiente sobre el esquema de ejemplo:

Singers es una tabla ubicada en la raíz de la jerarquía de la base de datos (porque no está definida como secundaria intercalada de otra tabla).
Para las bases de datos de dialecto de Google SQL, las columnas de clave primaria suelen anotarse con NOT NULL (aunque puedes omitir esta anotación si deseas permitir valores NULL en columnas de clave). Para obtener más información, consulta Columnas de clave).
Las columnas que no se incluyen en la clave primaria se denominan columnas sin clave y pueden tener una anotación NOT NULL opcional.
Las columnas que usan el tipo STRING o BYTES en Google SQL deben definirse con una longitud, que representa la cantidad máxima de caracteres Unicode que se pueden almacenar en el campo. La especificación de longitud es opcional para los tipos varchar y character varying de PostgreSQL. A fin de obtener más información, consulta Tipos de datos escalares para las bases de datos de diagnóstico de Google SQL y Tipos de datos de PostgreSQL para las bases de datos de dialecto PostgreSQL.

¿Cómo es la disposición física de las filas de la tabla Singers? En el siguiente diagrama, se muestran las filas de la tabla Singers que almacena la clave primaria ("Singers(1)", luego "Singers(2)", y así sucesivamente, donde el número entre paréntesis es el valor de la clave primaria.

En el diagrama anterior, se ilustra un límite de división de ejemplo entre las filas con claves de Singers(3) y Singers(4), con los datos de las divisiones resultantes asignadas a diferentes servidores. A medida que crece esta tabla, es posible que las filas de datos de Singers se almacenen en ubicaciones diferentes.

Crear tablas superiores y secundarias

Supongamos que ahora quieres agregar algunos datos básicos sobre los álbumes de cada cantante a la aplicación de música.

Ten en cuenta que la clave primaria de Albums se compone de dos columnas: SingerId y AlbumId. Esto permite asociar cada álbum con su cantante. En el siguiente esquema de ejemplo, se definen las tablas Albums y Singers en la raíz de la jerarquía de la base de datos, lo que las convierte en tablas del mismo nivel.

-- Schema hierarchy:
-- + Singers (sibling table of Albums)
-- + Albums (sibling table of Singers)

GoogleSQL

CREATE TABLE Singers (
 SingerId   INT64 NOT NULL,
 FirstName  STRING(1024),
 LastName   STRING(1024),
 SingerInfo BYTES(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId);

CREATE TABLE Albums (
SingerId     INT64 NOT NULL,
AlbumId      INT64 NOT NULL,
AlbumTitle   STRING(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId, AlbumId);

PostgreSQL

CREATE TABLE singers (
singer_id   BIGINT PRIMARY KEY,
first_name  VARCHAR(1024),
last_name   VARCHAR(1024),
singer_info BYTEA
);

CREATE TABLE albums (
singer_id     BIGINT,
album_id      BIGINT,
album_title   VARCHAR,
PRIMARY KEY (singer_id, album_id)
);

El diseño físico de las filas de Singers y Albums se parece al siguiente diagrama, con filas de la tabla Albums almacenadas por clave primaria contigua y, luego, filas de Singers almacenadas por clave primaria contigua:

Una nota importante sobre el esquema es que Spanner supone que no hay relaciones de localidad de datos entre las tablas Singers y Albums, ya que son tablas de nivel superior. A medida que crece la base de datos, Spanner puede agregar límites de división entre cualquiera de las filas. Esto significa que las filas de la tabla Albums podrían terminar en una división distinta a las de las filas de la tabla Singers, y ambas divisiones podrían moverse independientemente una de otra.

Según las necesidades de la aplicación, podría ser aceptable permitir que los datos de Albums se ubiquen en divisiones diferentes a las de los datos de Singers. Sin embargo, esto podría generar una penalización por rendimiento debido a la necesidad de coordinar lecturas y actualizaciones en recursos distintos. Si tu aplicación necesita con frecuencia recuperar información sobre todos los álbumes de un cantante en particular, entonces debes crear Albums como una tabla secundaria intercalada de Singers, que ubica juntas las filas de las dos tablas en la dimensión de la clave primaria. En el siguiente ejemplo, se explica esto con más detalle.

Crear tablas intercaladas

Una tabla intercalada es una tabla que declaras como secundaria intercalada de otra, ya que quieres que las filas de la tabla secundaria se almacenen físicamente con la fila superior asociada. Como se mencionó antes, la clave primaria de la tabla superior debe ser la primera parte de la clave primaria compuesta de la tabla secundaria.

Cuando diseñas la aplicación de música, supongamos que necesitas acceder con frecuencia a las filas de la tabla Albums cuando accede a una fila Singers. Por ejemplo, cuando accedes a la fila Singers(1), también debes acceder a las filas Albums(1, 1) y Albums(1, 2). En este caso, Singers y Albums deben tener una relación de localidad de datos sólida. Puedes declarar esta relación de localidad de datos si creas Albums como una tabla secundaria intercalada de Singers.

-- Schema hierarchy:
-- + Singers
--   + Albums (interleaved table, child table of Singers)

La línea en negrita del siguiente esquema muestra cómo crear Albums como una tabla intercalada de Singers.

GoogleSQL

CREATE TABLE Singers (
 SingerId   INT64 NOT NULL,
 FirstName  STRING(1024),
 LastName   STRING(1024),
 SingerInfo BYTES(MAX),
 ) PRIMARY KEY (SingerId);

CREATE TABLE Albums (
 SingerId     INT64 NOT NULL,
 AlbumId      INT64 NOT NULL,
 AlbumTitle   STRING(MAX),
 ) PRIMARY KEY (SingerId, AlbumId),
INTERLEAVE IN PARENT Singers ON DELETE CASCADE;

PostgreSQL

CREATE TABLE singers (
 singer_id   BIGINT PRIMARY KEY,
 first_name  VARCHAR(1024),
 last_name   VARCHAR(1024),
 singer_info BYTEA
 );

CREATE TABLE albums (
 singer_id     BIGINT,
 album_id      BIGINT,
 album_title   VARCHAR,
 PRIMARY KEY (singer_id, album_id)
 )
 INTERLEAVE IN PARENT singers ON DELETE CASCADE;

Notas sobre este esquema:

SingerId, que es la primera parte de la clave primaria de la tabla secundaria Albums, también es la clave primaria de su tabla superior Singers.
La anotación ON DELETE CASCADE significa que, cuando se borra una fila de la tabla superior, sus filas secundarias también se borran de forma automática. Si una tabla secundaria no la tiene o es ON DELETE NO ACTION, debes borrar las filas secundarias antes de borrar la fila superior.
Las filas intercaladas se ordenan primero según las filas de la tabla superior y, luego, según las filas contiguas de la tabla secundaria que comparten la clave primaria de la tabla superior. Por ejemplo, "Cantantes(1)", "Álbumes(1, 1)", "Álbumes(1, 2)", etc.
La relación de localidad de datos de cada cantante y los datos de sus álbumes se conserva si esta base de datos se divide, siempre que el tamaño de una fila de Singers y todas sus filas de Albums se mantenga por debajo del límite de tamaño de división y de que no haya un hotspot en ninguna de estas filas de Albums.
La fila superior debe existir antes de que puedas insertar filas secundarias. La fila superior puede ya existir en la base de datos o puede insertarse antes de la inserción de las filas secundarias en la misma transacción.

Crea una jerarquía de tablas intercaladas

La relación de superior y secundaria entre Singers y Albums se puede extender a más tablas descendientes. Por ejemplo, puedes crear una tabla intercalada llamada Songs como secundaria de Albums para almacenar la lista de pistas de cada álbum:

Tabla de canciones con 6 filas y 4 columnas. Las tres columnas más a la izquierda comprenden la clave primaria.

Songs debe tener una clave primaria que incluya todas las claves primarias de las tablas que se encuentran en la jerarquía, es decir, SingerId y AlbumId.

-- Schema hierarchy:
-- + Singers
--   + Albums (interleaved table, child table of Singers)
--     + Songs (interleaved table, child table of Albums)

GoogleSQL

CREATE TABLE Singers (
 SingerId   INT64 NOT NULL,
 FirstName  STRING(1024),
 LastName   STRING(1024),
 SingerInfo BYTES(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId);

CREATE TABLE Albums (
 SingerId     INT64 NOT NULL,
 AlbumId      INT64 NOT NULL,
 AlbumTitle   STRING(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId, AlbumId),
 INTERLEAVE IN PARENT Singers ON DELETE CASCADE;

CREATE TABLE Songs (
 SingerId     INT64 NOT NULL,
 AlbumId      INT64 NOT NULL,
 TrackId      INT64 NOT NULL,
 SongName     STRING(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId, AlbumId, TrackId),
 INTERLEAVE IN PARENT Albums ON DELETE CASCADE;

PostgreSQL

CREATE TABLE singers (
 singer_id   BIGINT PRIMARY KEY,
 first_name  VARCHAR(1024),
 last_name   VARCHAR(1024),
 singer_info BYTEA
 );

CREATE TABLE albums (
 singer_id     BIGINT,
 album_id      BIGINT,
 album_title   VARCHAR,
 PRIMARY KEY (singer_id, album_id)
 )
 INTERLEAVE IN PARENT singers ON DELETE CASCADE;

CREATE TABLE songs (
 singer_id     BIGINT,
 album_id      BIGINT,
 track_id      BIGINT,
 song_name     VARCHAR,
 PRIMARY KEY (singer_id, album_id, track_id)
 )
 INTERLEAVE IN PARENT albums ON DELETE CASCADE;

El siguiente diagrama representa una vista física de filas intercaladas.

Vistas físicas de las filas: Los datos de Songs se intercalan entre los de Albums, que, a su vez, se intercalan entre los datos de Singers.

En este ejemplo, a medida que aumenta la cantidad de cantantes, Spanner agrega límites de división entre los cantantes para preservar la localidad de los datos entre un cantante y su álbum y los datos de la canción. Sin embargo, si el tamaño de una fila de cantante y sus filas secundarias superan el límite de tamaño de la división o si se detecta un hotspot en las filas secundarias, Spanner intenta agregar límites de división para aislar esa fila de hotspot junto con todas las filas secundarias que la contienen.

En resumen, una tabla superior junto con todas sus tablas secundarias y descendientes forman una jerarquía de tablas en el esquema. Aunque cada tabla de la jerarquía es independiente de forma lógica, intercalarlas físicamente de esta manera puede mejorar el rendimiento, ya que las tablas se unen previamente y te permiten acceder a las filas relacionadas al mismo tiempo, a la vez que minimizas los accesos de almacenamiento.

Uniones con tablas intercaladas

Si es posible, une los datos de las tablas intercaladas por clave primaria. Debido a que cada fila intercalada suele almacenarse físicamente en la misma división que su fila superior, Spanner puede realizar uniones localmente según la clave primaria, lo que minimiza el acceso al almacenamiento y el tráfico de red. En el siguiente ejemplo, Singers y Albums se unen en la clave primaria SingerId.

GoogleSQL

SELECT s.FirstName, a.AlbumTitle
FROM Singers AS s JOIN Albums AS a ON s.SingerId = a.SingerId;

PostgreSQL

SELECT s.first_name, a.album_title
FROM singers AS s JOIN albums AS a ON s.singer_id = a.singer_id;

Columnas de clave

En esta sección, se incluyen algunas notas sobre las columnas de claves.

Cambia las claves de tabla

No es posible modificar las claves de una tabla. Es decir, no puedes agregar una columna de clave a una tabla existente ni quitar una columna de clave que ya exista.

Almacena valores NULL en una clave primaria

En Google SQL, si deseas almacenar NULL en una columna de clave primaria, omite la cláusula NOT NULL para esa columna en el esquema. (Las bases de datos de dialecto PostgreSQL no admiten valores NULL en una columna de clave primaria).

Este es un ejemplo de omisión de la cláusula NOT NULL en la columna de clave primaria SingerId. Ten en cuenta que, como SingerId es la clave primaria, solo puede haber una fila que almacene NULL en esa columna.

CREATE TABLE Singers (
  SingerId   INT64,
  FirstName  STRING(1024),
  LastName   STRING(1024),
) PRIMARY KEY (SingerId);

La propiedad para admitir valores NULL de la columna de clave primaria debe coincidir entre las declaraciones de las tablas superior y secundaria. En este ejemplo, no se permite usar NOT NULL para la columna Albums.SingerId porque Singers.SingerId la omite.

CREATE TABLE Singers (
  SingerId   INT64,
  FirstName  STRING(1024),
  LastName   STRING(1024),
) PRIMARY KEY (SingerId);

CREATE TABLE Albums (
  SingerId     INT64 NOT NULL,
  AlbumId      INT64 NOT NULL,
  AlbumTitle   STRING(MAX),
) PRIMARY KEY (SingerId, AlbumId),
  INTERLEAVE IN PARENT Singers ON DELETE CASCADE;

Tipos no permitidos

Las siguientes columnas no pueden ser del tipo ARRAY:

Las columnas de clave de una tabla
Las columnas de clave de un índice

Diseña para arquitecturas multiusuario

Es posible que desees implementar la función multiusuario si almacenas datos que pertenecen a clientes diferentes. Por ejemplo, un servicio de música puede almacenar el contenido de cada sello discográfico por separado.

Multiusuario clásico

La forma clásica de diseñar para multiusuario es crear una base de datos independiente para cada cliente. En este ejemplo, cada base de datos tiene su propia tabla Singers:

Base de datos 1: Ackworth Records
SingerId	FirstName	LastName
1	Marc	Richards
2	Catalina	Smith

Base de datos 2: Cama Records
SingerId	FirstName	LastName
1	Alicia	Trentor
2	Gabriel	Wright

Base de datos 3: Eagan Records
SingerId	FirstName	LastName
1	Benjamín	Martínez
2	Hannah	Harris

Instancias múltiples administradas por el esquema

Otra forma de diseñar para la arquitectura multiusuario en Spanner es tener todos los clientes en una sola tabla en una sola base de datos y usar un valor de clave primaria diferente para cada cliente. Por ejemplo, puedes incluir una columna de clave CustomerId en tus tablas. Si defines CustomerId como primera columna de clave, los datos de cada cliente tendrán una buena localidad. Spanner luego puede usar divisiones de base de datos para maximizar el rendimiento según el tamaño de los datos y los patrones de carga. En el siguiente ejemplo, hay una sola tabla Singers para todos los clientes:

Base de datos de instancias múltiples de Spanner
CustomerId	SingerId	FirstName	LastName
1	1	Marc	Richards
1	2	Catalina	Smith
2	1	Alicia	Trentor
2	2	Gabriel	Wright
3	1	Benjamín	Martínez
3	2	Hannah	Harris

Existen restricciones que debes tener en cuenta en caso de que debas tener bases de datos separadas para cada usuario:

Existen límites para la cantidad de índices y tablas por base de datos por instancia. Según la cantidad de clientes, es posible que no sea posible tener bases de datos o tablas separadas.
Agregar nuevos índices no entrelazados y tablas puede tomar mucho tiempo. Es posible que no puedas conseguir el rendimiento que deseas si el diseño del esquema depende de agregar nuevos índices y tablas.

Si quieres crear bases de datos independientes, podrías tener más éxito si distribuyes las tablas en bases de datos de manera que cada base tenga una cantidad baja de cambios de esquema por semana.

Si creas índices y tablas separadas para cada cliente de tu aplicación, no pongas todos los índices y tablas en la misma base de datos. En su lugar, repártelos en muchas bases de datos para mitigar los problemas de rendimiento que se producen por la creación de una gran cantidad de índices.

Si deseas obtener más información sobre otros patrones de administración de datos y el diseño de aplicaciones para instancias múltiples, consulta Implementa instancias múltiples en Cloud Spanner.