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B+樹與B*樹小結

 B樹:二叉樹,每個結點只儲存一個關鍵字,等於則命中,小於走左結點,大於走右結點;但是B樹經過多次的刪除插入操作,可能會出現長鏈

 B-樹:多路搜尋樹,每個結點儲存M/2M個關鍵字,非葉子結點儲存指向關鍵字範圍的子結點;

所有關鍵字在整顆樹中出現,且只出現一次,非葉子結點可以命中;

   B+樹:在B-樹基礎上,為葉子結點增加連結串列指標,所有關鍵字都在葉子結點中出現,非葉子結點作為葉子結點的索引;B+樹總是到葉子結點才命中;

一、B+樹

1.B+樹定義與特性

B+樹是B-樹的變體,也是一種多路搜尋樹:

其定義基本與B-樹同,除了:

1).非葉子結點的子樹指標與關鍵字個數相同

2).非葉子結點的子樹指標

P[i],指向關鍵字值屬於[K[i], K[i+1])的子樹B-樹是開區間);

3).為所有葉子結點增加一個鏈指標

4).所有關鍵字都在葉子結點出現

為了全面 這裡給出網上另外一種說法:

一棵m階的B+樹和m階的B-樹的差異在於:

      1.有n棵子樹的結點中含有n個關鍵字; (而B- 樹是n棵子樹有n-1個關鍵字)

      2.所有的葉子結點中包含了全部關鍵字的信息,及指向含有這些關鍵字記錄的指標,且葉子結點本身依關鍵字的大小自小而大的順序連結。 (而B 樹的葉子節點並沒有包括全部需要查詢的資訊)

      3.所有的非終端結點可以看成是索引部分,結點中僅含有其子樹根結點中最大(或最小)關鍵字。 (而B 樹的非終節點也包含需要查詢的有效資訊)

下圖給出典型的3階B+樹示例

B+的特性:

1).所有關鍵字都出現在葉子結點的連結串列中(稠密索引),且連結串列中的關鍵字恰好是有序的;

2).不可能在非葉子結點命中;

3).非葉子結點相當於是葉子結點的索引(稀疏索引),葉子結點相當於是儲存(關鍵字)資料的資料層;

4).更適合檔案索引系統;

2.B+樹的基本操作

1)查詢操作

     對B+樹可以進行兩種查詢運算:

  a.從最小關鍵字起順序查詢

  b.從根結點開始,進行隨機查詢

  在查詢時,若非終端結點上的劇組機等於給定值,並不終止,而是繼續向下直到葉子結點。因此,在B+樹中,不管查詢成功與否,每次查詢都是走了一條從根到葉子結點的路徑。其餘同B-樹的查詢類似。

2).插入操作

      B+樹的插入與B樹的插入過程類似。不同的是B+樹在葉結點上進行,如果葉結點中的關鍵碼個數超過m,就必須分裂成關鍵碼數目大致相同的兩個結點,並保證上層結點中有這兩個結點的最大關鍵碼。(演算法見百度百科)

3)刪除操作

      B+樹的刪除也僅在葉子結點進行,當葉子結點中的最大關鍵字被刪除時,其在非終端結點中的值可以作為一個“分界關鍵字”存在。若因刪除而使結點中關鍵字的個數少於m/2 (m/2結果取上界,如5/2結果為3)時,其和兄弟結點的合併過程亦和B-樹類似。

PS:

a.不同於B+樹只適合隨機檢索,B+樹同時支援隨機檢索和順序檢索,在實際中應用比較多.

b.為什麼說B+樹比B 樹更適合實際應用中作業系統的檔案索引和資料庫索引?

1) B+樹的磁碟讀寫代價更低

     B+樹的內部結點並沒有指向關鍵字具體資訊的指標。因此其內部結點相對B 樹更小。如果把所有同一內部結點的關鍵字存放在同一盤塊中,那麼盤塊所能容納的關鍵字數量也越多。一次性讀入記憶體中的需要查詢的關鍵字也就越多。相對來說IO讀寫次數也就降低了。

    舉個例子,假設磁碟中的一個盤塊容納16bytes,而一個關鍵字2bytes,一個關鍵字具體資訊指標2bytes。一棵9階B-tree(一個結點最多8個關鍵字)的內部結點需要2個盤快。而B+樹內部結點只需要1個盤快(全部關鍵字都在葉結點的緣故?)。當需要把內部結點讀入記憶體中的時候,B-樹就比B+樹多一次盤塊查詢時間(在磁碟中就是碟片旋轉的時間)(B+樹的內結點只有索引的作用,何來“把內部結點讀入記憶體”...,對於B+樹找到葉結點就可以,另外B+樹可以順序查詢)。

2) B+樹的查詢效率更加穩定

     由於非終結點並不是最終指向檔案內容的結點,而只是葉子結點中關鍵字的索引。所以任何關鍵字的查詢必須走一條從根結點到葉子結點的路。所有關鍵字查詢的路徑長度相同,導致每一個數據的查詢效率相當

c.B+樹和B-樹最大的不同點是:

1).B-樹的關鍵字和記錄是放在一起的,葉子節點可以看作外部節點,不包含任何資訊;B+樹的非葉子節點中只有關鍵字和指向下一個節點的索引,記錄只放在葉子節點中。

2).在B-樹中,越靠近根節點的記錄查詢時間越快,只要找到關鍵字即可確定記錄的存在;而B+樹中每個記錄的查詢時間基本是一樣的,都需要從根節點走到葉子節點,而且在葉子節點中還要再比較關鍵字。從這個角度看B-樹的效能好像要比B+樹好,而在實際應用中卻是B+樹的效能要好些。因為B+樹的非葉子節點不存放實際的資料,這樣每個節點可容納的元素個數比B-樹多,樹高比B-樹小,這樣帶來的好處是減少磁碟訪問次數。儘管B+樹找到一個記錄所需的比較次數要比B-樹多,但是一次磁碟訪問的時間相當於成百上千次記憶體比較的時間,因此實際中B+樹的效能可能還會好些,而且B+樹的葉子節點使用指標連線在一起,方便順序遍歷(例如檢視一個目錄下的所有檔案,一個表中的所有記錄等),這也是很多資料庫和檔案系統使用B+樹的緣故。

二、B*樹(這個網上介紹的甚少,教科書我也沒有找到細緻的介紹)

B*Tree是B+樹的變體,在B+Tree的非根和非葉子結點(內結點)再增加指向兄弟的指標

B*樹定義了非葉子結點關鍵字個數至少為(2/3)*M,即塊的最低使用率為2/3(代替B+樹的1/2);

B+樹的分裂:當一個結點滿時,分配一個新的結點,並將原結點中1/2的資料複製到新結點,最後在父結點中增加新結點的指標;B+樹的分裂隻影響原結點和父結點,而不會影響兄弟結點,所以它不需要指向兄弟的指標;

B*樹的分裂:當一個結點滿時,如果它的下一個兄弟結點未滿,那麼將一部分資料移到兄弟結點中,再在原結點插入關鍵字,最後修改父結點中兄弟結點的關鍵字(因為兄弟結點的關鍵字範圍改變了);如果兄弟也滿了,則在原結點與兄弟結點之間增加新結點,並各複製1/3的資料到新結點,最後在父結點增加新結點的指標

所以,B*樹分配新結點的概率比B+樹要低,空間使用率更高。