6.2 B树 & B+树

1. B树基本性质(又称为多路平衡查找树)(包括 B树的高度计算方法)

  • B树中所有结点的孩子结点数最大值称为B树的阶,通常用m表示,一颗m阶B树或为空树,或满足以下条件
  • 每个结点最多有m棵子树
  • 若结点不是终端结点,至少有两棵子树
  • 出根结点外的非叶结点至少有 ⌈m/2⌉ 棵子树
  • 非叶子结点结构
结点结构

n为该结点孩子数量,p是指针,k是关键字。
p0指向的结点的数均小于k1,p1指向的结点的数均大于k1,小于k2,如此类推

2. B树查找

  1. 找到结点,在结点内找指向下一个结点的指针
  2. 在最终的结点找关键字。
    由于B树常存储在磁盘上,则前一个查找操作是在磁盘上进行的,而后一个查找操作是在内存中进行的,即在找到目标结点后,先将结点中的信息读入内存,然后再采用顺序查找法或折半查找法查找等于K的关键字。

根据B树查找规律可知,每在磁盘中查找到一个结点,需把结点读取到内存里通过对比寻找关键字 / 找到指向下一个结点的指针。
计算机中,磁盘读取尤为耗费时间,所以,B树查找的时间复杂度主要计算关键字在第几层即可(每一层需要从磁盘读取一个结点到内存中)。

  • 假设一颗包含 n 个关键字、高度为 h 、阶数为 m 的B树
    此时影响B树高度的是每个结点所包含的子树数,如果尽可能使结点子树数都等于 ⌈m/2⌉ ,则层数最多,最坏情况;如果尽可能使结点子树数都等于 m ,则层数最少,最好情况。
    1. 最好情况:h >= logm(n + 1)
    2. 最坏情况:h <= log⌈m/2⌉((n + 1) / 2) + 1

3. B树插入

插入本是直接加入相应叶子结点的相应位置就没问题了。
但是存在特殊情况,那就是插入后,结点的关键字个数大于m。
因此,B树的关键字插入分为两个步骤:

  1. 定位:通过查找,找到最底层的结点,便是该插入的位置了。
  2. 插入:如果给结点的关键字个数小于等于m - 1,直接插入,否则进行分裂插入
  3. 分裂插入:插入后,对结点进行分裂,分裂后的新结点插入到其父结点中。如果造成父结点的关键字也超过上限,继续分裂。

4. B树删除

分为三种情况:

  1. 直接删除关键字
  2. 删除关键字后,结点的关键字小于 ⌈m/2⌉ 。与相邻兄弟,合并,然后分裂。(从相邻兄弟中取部分关键字,并在双亲结点中,两兄弟指针之间的关键字调整)
  3. 删除关键字之后,结点的关键字小于 ⌈m/2⌉,而相邻的兄弟关键字结点等于 ⌈m/2⌉不能借。两个结点合并。(此时需从双亲结点中删除关键字,双亲结点也要进行删除关键字操作。)

5. B+树

与B树不同之处:

  1. 每个结点都少了大于kn的子树,即没有了指针pn,所以每个结点的子树最多只有m - 1
  2. 非叶子结点不存储关键字,里面的key只是区分其子树的分界数,所有关键字存储于叶子结点
  3. 所有叶子结点内的数字按顺序排列,且叶子节点之间按顺序相互链接
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