破損したインデックスのトラブルシューティング: PostgreSQLインデックスの再構築と修復方法

PostgreSQLは、高度なオープンソースのリレーショナルデータベースとして、その堅牢性とパフォーマンスで有名です。そのパフォーマンスアーキテクチャの重要な構成要素はインデックスであり、テーブルのすべての行をスキャンすることなく、データベースがデータを迅速に見つけることを可能にします。しかし、インデックスは時間の経過とともに非効率になったり、破損したりすることがあり、クエリパフォーマンスとデータベース全体の健全性の著しい低下につながります。これらの問題を特定し、修復することは、すべてのPostgreSQL管理者に不可欠なスキルです。

この包括的なガイドでは、問題のあるPostgreSQLインデックスを診断、再構築、修復するために必要な実用的なコマンドと戦略を順を追って説明します。インデックスの非効率性と破損の原因を探り、組み込みツールを使用してそのようなインデックスを特定する方法について議論し、強力なCONCURRENTLYオプションを含めたREINDEXコマンドの使用方法に関するステップバイステップの指示、およびその他の関連するメンテナンスコマンドについて説明します。この記事の終わりまでに、インデックスの健全性を最適に維持し、PostgreSQLデータベースが最高の効率で動作することを保証する方法について明確に理解できるようになります。

PostgreSQLインデックスとその一般的な問題の理解

PostgreSQLのインデックス（最も一般的なのはB-treeインデックス）は、データベース検索エンジンがデータ検索を高速化するために使用できる特殊なルックアップテーブルです。これは本の巻末にある索引のようなものだと考えてください。トピックを見つけるために本全体を読む代わりに、索引に記載されているページ番号に直接ジャンプできます。これらのインデックスが正常であれば、それらを使用したクエリは例外的に高速に実行されます。そうでない場合、クエリのパフォーマンスは急落する可能性があります。

インデックスが問題を引き起こす主な理由は2つあります。ブロート（肥大化）と破損です。

インデックスのブロート（肥大化）

インデックスのブロートとは、インデックス構造内に「デッドタプル」（古いデータバージョン）が蓄積することです。PostgreSQLでは、行が更新または削除されると、データの古いバージョン（およびそれに対応するインデックスエントリ）はすぐに削除されません。代わりに、「デッド」としてマークされ、最終的にVACUUMプロセスによって回収されます。VACUUMが十分に頻繁に、または効果的に実行されない場合、あるいは更新/削除の割合が高い場合、これらのデッドタプルが蓄積し、インデックスが必要以上に大きくなることがあります。ブロートしたインデックスは、より多くのディスク領域を占有し、スキャンするために多くのI/O操作を必要とし、クエリの高速化における効果さえも低下させる可能性があります。

インデックスの破損

インデックスの破損は、インデックスの内部構造が論理的に矛盾したり、物理的に損傷したりする、より深刻な問題です。これは、次のようなさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。

• ハードウェア障害: ディスクエラー、メモリの問題、または電源障害。
• ソフトウェアバグ: PostgreSQL自体または基盤となるオペレーティングシステムコンポーネントのまれな欠陥。
• 予期せぬシステムクラッシュ: 適切なシャットダウン手順なしでのPostgreSQLサーバーの突然の終了。

破損したインデックスは、誤ったクエリ結果、「インデックスに予期しないデータが含まれている」といったエラー、さらにはクエリの完了を妨げる可能性があります。破損を特定して修正することは、データの整合性とデータベースの安定性にとって極めて重要です。

問題のあるインデックスの兆候には、特定のクエリの突然の遅延、理由なくI/Oアクティビティの増加、インデックススキャンに関連するエラーメッセージなどがよく見られます。

問題のあるインデックスの特定

インデックスを修復する前に、どのインデックスが問題を引き起こしているかを特定する必要があります。PostgreSQLには、これを行うためのいくつかの方法が用意されています。

未使用または非効率なインデックスの確認

pg_stat_user_indexesビューは、インデックスの使用状況に関する統計情報を提供します。これをクエリして、めったに使用されないか、まったく使用されていないインデックスを見つけ、削除または再評価の候補とすることができます。

SELECT
    relname AS table_name,
    indexrelname AS index_name,
    idx_scan AS index_scans,
    idx_tup_read AS tuples_read,
    idx_tup_fetch AS tuples_fetched
FROM
    pg_stat_user_indexes
WHERE
    idx_scan = 0 -- 一度もスキャンされていないインデックス
    AND schemaname = 'public'
ORDER BY
    pg_relation_size(indexrelid) DESC;

idx_scanが0であることは未使用のインデックスを示している可能性がありますが、一部のインデックスは制約（例: UNIQUE、PRIMARY KEY）やめったにアクセスされないレポートのために使用されることを常に考慮することが重要です。削除する前に必ず調査してください。

インデックスのブロートの検出

ブロートの直接的な検出は困難ですが、テーブルサイズと比較してインデックスサイズが不均衡に大きい場合や、対応するデータ量の増加なしにインデックスが過度に増加している場合は、ブロートを示している可能性があります。テーブルとそのインデックスのサイズを比較できます。

SELECT
    relname AS table_name,
    pg_size_pretty(pg_relation_size(relid)) AS table_size,
    pg_size_pretty(pg_indexes_size(relid)) AS indexes_size,
    pg_size_pretty(pg_total_relation_size(relid)) AS total_size
FROM
    pg_stat_user_tables
ORDER BY
    pg_total_relation_size(relid) DESC;

より高度なブロート検出のために、コミュニティ提供のスクリプトやpg_repackやpgstattuple（タプルの密度を調べることでブロートを推定できる）などの拡張機能の使用を検討するかもしれません。

EXPLAIN ANALYZEを使用した遅延クエリの特定

特定のクエリが遅くなった場合、EXPLAIN ANALYZEがあなたの最良の味方です。これはクエリの実行計画と実際の実行時統計情報を示し、インデックスがどのように使用されているか（または使用されていないか）を含みます。

EXPLAIN ANALYZE
SELECT * FROM your_table WHERE your_column = 'some_value';

計画がインデックススキャンが期待される場所でシーケンシャルスキャンを示している場合、またはインデックススキャンが異常に長い時間がかかっている場合、それは非効率または問題のあるインデックスを示している可能性があります。

インデックス破損の確認

インデックスの破損は、PostgreSQLログ内のエラーや、クエリが予期せず失敗したときに現れることがよくあります。「corruption」、「unexpected data」、「bad block」などのフレーズを含むメッセージを探します。残念ながら、インデックスを使用しようとせずに「破損をチェックする」ための直接的なSQLコマンドはありません。破損を確認する最良の方法は、特定のインデックスを参照するクエリが失敗したときです。

ヒント: PostgreSQLログを定期的に監視してエラーメッセージを確認してください。破損を早期に検出することで、より大きな問題を未然に防ぐことができます。

REINDEXコマンド: 主要なツール

REINDEXコマンドは、PostgreSQLインデックスを再構築するための主要なツールです。これはインデックスを最初から再構築し、デッドタプルを削除し、テーブルの現在のデータに基づいて新しく有効な構造を構築することで、ブロートを効果的に修正し、破損を修復します。

REINDEXの仕組み

REINDEXが実行されると（CONCURRENTLYなし）、既存のインデックスを実質的に削除し、現在のテーブルデータを使用して再作成します。このプロセスにより、新しく、コンパクトで、有効なインデックス構造が作成されます。その後、元のインデックスは削除されます。

REINDEXの構文と使用法

REINDEXは異なる粒度で適用できます。

1. 特定のインデックスの再インデックス作成:
   sql REINDEX INDEX index_name;
   これは最も一般的な使用例で、単一の問題のあるインデックスを対象とします。

2. テーブル上のすべてのインデックスの再インデックス作成:
   sql REINDEX TABLE table_name;
   テーブルに複数のブロートまたは破損したインデックスがある場合に役立ちます。

3. データベース上のすべてのインデックスの再インデックス作成:
   sql REINDEX DATABASE database_name;
   これはより抜本的な措置であり、広範囲の破損やブロートが疑われる状況で通常使用されます。これはかなりのダウンタイムを引き起こす可能性があります。

4. データベースのシステムカタログの再インデックス作成:
   sql REINDEX SYSTEM database_name;
   これは、指定されたデータベース内のシステムカタログテーブル上のすべてのインデックスを再構築します。これは極度の注意を払って使用し、システムカタログインデックスに問題が疑われる場合にのみ使用する必要があります。なぜなら、データベース全体の機能に影響を与え、排他的アクセスが必要になるからです。

警告: REINDEX（CONCURRENTLYなし）を実行すると、再インデックス作成されるインデックスまたはテーブルに対してACCESS EXCLUSIVEロックが取得されます。これは、再インデックス作成プロセス中に影響を受けるオブジェクトに対して読み取りも書き込みもできないことを意味し、ダウンタイムにつながります。テーブルの場合、関連するすべてのインデックスがロックされます。データベースの場合、すべてのテーブルとそのインデックスがロックされます。

REINDEX CONCURRENTLYによるダウンタイムの最小化

ダウンタイムが許容できない本番システムでは、REINDEX CONCURRENTLYは非常に貴重なオプションです。これにより、テーブルに対する並行する読み取りおよび書き込み操作をブロックすることなく、インデックスを再構築できます。

REINDEX CONCURRENTLYの仕組み:

1. 通常の操作と並行して新しいインデックス定義を構築します。
2. テーブルに対して短いSHARE UPDATE EXCLUSIVEロックを取得し、DDL（ALTER TABLEなど）はブロックしますが、DML（INSERT、UPDATE、DELETE）およびSELECTステートメントは許可します。
3. その後、テーブルをスキャンして新しいインデックスを構築します。
4. 初期構築後、構築中に発生した変更を適用するために、もう一度非常に短いSHARE UPDATE EXCLUSIVEロックを取得します。
5. 最後に、古いインデックスを新しいインデックスに置き換え、古いインデックスを削除します。

構文:

REINDEX INDEX CONCURRENTLY index_name;

REINDEX CONCURRENTLYに関する重要な考慮事項:

• 実行速度の低下: 並行処理の変更を処理する必要があるため、REINDEX CONCURRENTLYは通常、非並行REINDEXよりも遅くなります。
• ディスク領域: 再構築中の古いインデックス構造と新しいインデックス構造の両方の一時的なディスク領域が必要です。
• トランザクションサポートなし: REINDEX CONCURRENTLYはトランザクションブロック内では実行できません。
• エラー処理: REINDEX CONCURRENTLYが失敗した場合（例: 一意性インデックスでの一意の制約違反が原因）、無効なインデックスが残ります。この無効なインデックスをDROPしてから、REINDEX CONCURRENTLYコマンドを再実行する必要があります。

再インデックス作成の実用的な例

productsというテーブルがあり、idx_products_nameというインデックスがあると仮定します。

単一インデックスの再構築（ダウンタイムあり）

影響を受けるインデックスに対して短い停止時間が許容できる場合：

REINDEX INDEX idx_products_name;

単一インデックスの再構築（並行処理、最小限のダウンタイム）

productsテーブルへのアクセスを維持する必要がある本番システムの場合：

-- B-treeインデックスの場合:
REINDEX INDEX CONCURRENTLY idx_products_name;

-- プライマリキーまたは一意性制約インデックスの場合（多くの場合特別な処理が必要ですが、REINDEX CONCURRENTLYで対応できます）:
-- プライマリキーまたは一意性制約インデックスを再構築する必要がある場合は、通常、基盤となるインデックスを再構築します。
-- たとえば、「products_pkey」がプライマリキーインデックスの場合:
REINDEX INDEX CONCURRENTLY products_pkey;

テーブル上のすべてのインデックスの再構築

productsテーブル上の複数のインデックスが問題を引き起こしている可能性がある場合：

-- これは「products」テーブルに対してACCESS EXCLUSIVEロックを取得します。
REINDEX TABLE products;

注: REINDEX TABLE CONCURRENTLYコマンドはありません。テーブル上のすべてのインデックスを並行して再インデックス作成する必要がある場合は、各インデックスをREINDEX INDEX CONCURRENTLYを使用して個別に再インデックス作成する必要があります。

最初に、テーブルのすべてのインデックスを特定します。

SELECT indexname FROM pg_indexes WHERE tablename = 'products';

次に、各インデックスに対して：

REINDEX INDEX CONCURRENTLY index_name_1;
REINDEX INDEX CONCURRENTLY index_name_2;
-- など

データベース上のすべてのインデックスの再構築

これは最終手段であり、かなりのダウンタイムが必要です。スケジュールされたメンテナンスウィンドウ中にのみ実行する必要があります。

REINDEX DATABASE your_database_name;

あるいは、データベース内のすべてのインデックス（システムインデックスを除く）を反復処理し、それらを並行して再インデックス作成することもできますが、これははるかに遅く、慎重なスクリプト作成が必要です。

関連するメンテナンスコマンドとベストプラクティス

再インデックス作成は、より広範なメンテナンス戦略の一部であることがよくあります。インデックスの問題の予防において、他のコマンドも重要な役割を果たします。

VACUUMとVACUUM FULL

• VACUUM: デッドタプルが占有するスペースを回収し、再利用可能にします。ディスク上のテーブルやインデックスファイルを縮小しませんが、ブロートの防止に不可欠です。autovacuumデーモンは通常、これを自動的に処理します。
  sql VACUUM your_table;
• VACUUM FULL: テーブルとその関連インデックス全体を新しいディスクファイルに書き直し、最大スペースを回収し、ブロートを排除します。ただし、テーブルに対してACCESS EXCLUSIVEロックを取得し、すべての操作をブロックするため、極めて慎重に使用する必要があります。インデックスブロートに対しては、REINDEXが好まれることがよくあります。
  sql VACUUM FULL your_table;

ANALYZE

ANALYZEコマンドは、データベース内のテーブルのコンテンツに関する統計情報を収集し、pg_statisticに保存します。PostgreSQLクエリオプティマイザは、これらの統計情報を使用して、インデックスを使用するかどうかを含め、クエリをどのように実行するかについて賢明な決定を下します。大幅なデータ変更（または再インデックス作成後）の後にANALYZEを実行すると、オプティマイザが最新の情報を確実に得られます。

ANALYZE your_table;
-- またはデータベース全体を分析:
ANALYZE;

自動バキュームの監視

autovacuumデーモンが実行されており、正しく設定されていることを確認してください。ブロートを防ぎ、統計情報を最新に保つために不可欠なVACUUMおよびANALYZE操作を自動的に実行する責任があります。不適切なautovacuumの設定は、パフォーマンス低下の一般的な原因です。

定期的なメンテナンススケジュール

予防的なインデックスメンテナンスは、事後的なトラブルシューティングよりも優れています。次のためのスケジュールを確立します。

• インデックスの使用状況とサイズの監視: 潜在的なブロートや未使用のインデックスを特定します。
• REINDEX CONCURRENTLYの実行: 頻繁に更新または削除されるテーブル、あるいは大規模なデータ移行の後。
• autovacuumログと設定のレビュー: 自動バキュームがデータベースのアクティビティに追いついていることを確認します。

テストとバックアップ

• 常にテストする: 本番データベースで主要なメンテナンス操作を実行する前に、本番環境を反映したステージング環境または開発環境で徹底的にテストします。
• 常にバックアップする: すべてのREINDEX操作、特に非並行な操作やテーブル全体/データベース全体を対象とする操作を開始する前に、データベースの最新の信頼できるバックアップを取得します。REINDEXは一般的に安全ですが、破損したデータベースバックアップは役に立ちません。

トラブルシューティングのヒントと警告

• ディスク領域: REINDEX操作（特にCONCURRENTLY）には、再構築されるインデックスサイズの最大2倍になる可能性のある、かなりの一時ディスク領域が必要です。データベースサーバーに十分な空き容量があることを確認してください。
• パフォーマンスへの影響: REINDEX CONCURRENTLYでさえ、実行中にCPUとI/Oリソースを消費します。実行中はシステムパフォーマンスを注意深く監視してください。
• 根本原因の特定: インデックスがブロートしたり破損したりする理由を理解せずに、繰り返し再インデックス作成するだけでは不十分です。非効率なVACUUM設定、高いトランザクションレート、またはハードウェアの問題などの根本的な問題を調査します。
• インデックス作成と再インデックス作成の比較: CREATE INDEX CONCURRENTLYは、ブロックせずに新しいインデックスを作成する場合のREINDEX INDEX CONCURRENTLYに相当します。同様の原則に従い、同様の制限があります。

結論

健全で効率的なPostgreSQLインデックスを維持することは、クエリパフォーマンスを最適化し、データベース全体の安定性を確保するために不可欠です。インデックスのブロートと破損の原因を理解し、問題のあるインデックスを特定する方法を学び、REINDEXコマンド、特にそのCONCURRENTLYオプションを習得することで、PostgreSQL管理のための不可欠なスキルを身につけることができます。

インデックスメンテナンスには積極的に取り組むことを忘れないでください。インデックスを監視し、定期的なチェックをスケジュールし、REINDEX CONCURRENTLYおよびその他のメンテナンスツールを賢明に使用してください。常に非プロダクション環境で手順をテストし、信頼できるバックアップがあることを確認してください。これらのプラクティスにより、PostgreSQLインデックスをスリムで高速かつ堅牢に保ち、アプリケーションがスムーズかつ効率的に実行されることを保証できます。