树相关
B树
定义
B树也称B-树,它是一颗多路平衡查找树。我们描述一颗B树时需要指定它的阶数,阶数表示了一个结点最多有多少个孩子结点,一般用字母m表示阶数。当m取2时,就是我们常见的二叉搜索树。
定义如下:
每个节点最多有m-1个关键字
根节点最少可以有1个关键字
非根节点至少有
math.ceil(m/2)-1
个关键字ceil上取整,floor下取整
每个节点中的关键字按从小到大的顺序排列,每个关键字中的左子树都小于它,而右子树中的所有关键字都大于它。
所有叶子节点都位于同一层,或者说根节点到每个叶子节点的长度都相同。
上图是一颗阶数为4的B树。在实际应用中的B树的阶数m都非常大(通常大于100),所以即使存储大量的数据,B树的高度仍然比较小。
每个结点中存储了关键字(key)和关键字对应的数据(data),以及孩子结点的指针。
我们将一个key和其对应的data称为一个记录。但为了方便描述,除非特别说明,后续文中就用key来代替(key, value)键值对这个整体。
在数据库中我们将B树(和B+树)作为索引结构,可以加快查询速速,此时B树中的key就表示键,而data表示了这个键对应的条目在硬盘上的逻辑地址。
插入操作
插入操作是指插入一条记录,即(key, value)的键值对。
果B树中已存在需要插入的键值对,则用需要插入的value替换旧的value。若B树不存在这个key,则一定是在叶子结点中进行插入操作。
根据要插入的key的值,找到叶子结点并插入。
判断当前结点key的个数是否小于等于m-1,若满足则结束,否则进行第3步。
节点有没有满
以结点中间的key为中心分裂成左右两部分,然后将这个中间的key插入到父结点中,这个key的左子树指向分裂后的左半部分,这个key的右子支指向分裂后的右半部分,然后将当前结点指向父结点,继续进行第3步。
下面以5阶B树为例,介绍B树的插入操作,在5阶B树中,结点最多有4个key,最少有2个key
在实现B树的代码中,为了使代码编写更加容易,我们可以将结点中存储记录的数组长度定义为m而非m-1,这样方便底层的结点由于分裂向上层插入一个记录时,上层有多余的位置存储这个记录。同时,每个结点还可以存储它的父结点的引用,这样就不必编写递归程序。
一般来说,对于确定的m和确定类型的记录,结点大小是固定的,无论它实际存储了多少个记录。
但是分配固定结点大小的方法会存在浪费的情况,比如key为28,29所在的结点,还有2个key的位置没有使用,但是已经不可能继续在插入任何值了,因为这个结点的前序key是27,后继key是30,所有整数值都用完了。
所以如果记录先按key的大小排好序,再插入到B树中,结点的使用率就会很低,最差情况下使用率仅为50%。
13,17,21,22,23,24,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,39,40,41,53,97
删除操作
删除操作是指,根据key删除记录,如果B树中的记录中不存对应key的记录,则删除失败。
如果当前需要删除的key位于非叶子结点上,则用后继key(这里的后继key均指后继记录的意思)覆盖要删除的key,然后在后继key所在的子支中删除该后继key。此时后继key一定位于叶子结点上,这个过程和二叉搜索树删除结点的方式类似。删除这个记录后执行第2步。
该结点key(移出后继节点的节点)个数大于等于Math.ceil(m/2)-1,结束删除操作,否则执行第3步。
如果兄弟结点key个数大于Math.ceil(m/2)-1,则父结点中的key(移上去的后继节点)下移到该结点,兄弟结点中的一个key上移,删除操作结束。
否则,将父结点中的key下移与当前结点及它的兄弟结点中的key合并,形成一个新的结点。父结点中的key的两个孩子指针就变成了一个孩子指针,指向这个新结点。然后当前结点的指针指向父结点,重复上第2步。
有些结点它可能即有左兄弟,又有右兄弟,那么我们任意选择一个兄弟结点进行操作即可。
合并操作会将当前指针,指向被合并节点的父节点
B+树
定义
维基百科上所定义的方式,即关键字个数比孩子结点个数小1,这种方式是和B树基本等价的。上图就是一颗阶数为4的B+树。
除此之外B+树还有以下的要求:
- B+树包含2种类型的结点:内部结点(也称索引结点)和叶子结点。根结点本身即可以是内部结点,也可以是叶子结点。根结点的关键字个数最少可以只有1个。
- B+树与B树最大的不同是内部结点不保存数据,只用于索引,所有数据(或者说记录)都保存在叶子结点中。
- m阶B+树表示了内部结点最多有m-1个关键字(或者说内部结点最多有m个子树),阶数m同时限制了叶子结点最多存储m-1个记录。
- 内部结点中的key都按照从小到大的顺序排列,对于内部结点中的一个key,左树中的所有key都小于它,右子树中的key都大于等于它。叶子结点中的记录也按照key的大小排列。
- 每个叶子结点都存有相邻叶子结点的指针,叶子结点本身依关键字的大小自小而大顺序链接。
插入操作
- 若为空树,创建一个叶子结点,然后将记录插入其中,此时这个叶子结点也是根结点,插入操作结束。
- 针对叶子类型结点:根据key值找到叶子结点,向这个叶子结点插入记录。
- 插入后,若当前结点key的个数小于等于m-1,则插入结束。
- 否则将这个叶子结点分裂成左右两个叶子结点,左叶子结点包含前m/2个记录,右结点包含剩下的记录,将第m/2+1个记录的key进位到父结点中(父结点一定是索引类型结点),进位到父结点的key左孩子指针向左结点,右孩子指针向右结点。将当前结点的指针指向父结点,然后执行第3步。
- 针对索引类型结点:若当前结点key的个数小于等于m-1,则插入结束。
- 否则,将这个索引类型结点分裂成两个索引结点,左索引结点包含前(m-1)/2个key,右结点包含m-(m-1)/2个key,将第m/2个key进位到父结点中,进位到父结点的key左孩子指向左结点, 进位到父结点的key右孩子指向右结点。将当前结点的指针指向父结点,然后重复第3步。
5,6,7,8,9,10,15,16,17,18,19,20,21,22
删除操作
如果叶子结点中没有相应的key,则删除失败。否则执行下面的步骤
1)删除叶子结点中对应的key。删除后若结点的key的个数大于等于Math.ceil(m-1)/2 – 1
,删除操作结束,否则执行第2步。
2)若兄弟结点key有富余(大于Math.ceil(m-1)/2 – 1),向兄弟结点借一个记录,同时用借到的key替换父结(指当前结点和兄弟结点共同的父结点)点中的key,删除结束。否则执行第3步。
3)若兄弟结点中没有富余的key,则当前结点和兄弟结点合并成一个新的叶子结点,并删除父结点中的key(父结点中的这个key两边的孩子指针就变成了一个指针,正好指向这个新的叶子结点),将当前结点指向父结点(必为索引结点),执行第4步(第4步以后的操作和B树就完全一样了,主要是为了更新索引结点)。
4)若索引结点的key的个数大于等于Math.ceil(m-1)/2 – 1
,则删除操作结束。否则执行第5步
5)若兄弟结点有富余,父结点key下移,兄弟结点key上移,删除结束。否则执行第6步
6)当前结点和兄弟结点及父结点下移key合并成一个新的结点。将当前结点指向父结点,重复第4步。
注意,通过B+树的删除操作后,索引结点中存在的key,不一定在叶子结点中存在对应的记录。
下面是一颗5阶B树的删除过程,5阶B数的结点最少2个key,最多4个key。