一、B+树的结点组成
B+树包含两种结点:
0、根结点:(一般区分为两种,这里我将根结点分开说明,因为根节点非常特殊而且唯一)
若树只有一层:仅有根结点,此根结点也是叶结点,根结点中索引值个数无最少限制。
若树为两层以及以上:最上面那一层为根结点,根结点属于内部结点,根节点中指针最少为2个。
1、叶结点:叶节点在B+树的最底层(所有叶节点都在一层),叶结点中存放索引值、指向记录的指针、指向下一个叶结点的指针。叶结点内的索引值是记录中键的拷贝,这些索引值以排好序的形式,从左到右分布在叶节点中。
2、内部结点:所有非叶结点都属于内部结点,所有内部结点上的索引值都是叶结点的副本。内部结点中存放索引值、指向某一个结点(可以是叶结点也可以是内部节点)的指针。
这两种节点的构成直观图如下: (可以看到两者的存储空间是一样的)
二、B+树的结构,结点的合法性
B+树必然是平衡的,从树根到树叶的所有路径都是等长的。
不同格式的B+树的区别仅有唯一参数n,n为树中所有结点(无论叶结点还是内部结点)包含的指针数目。
在上图中我们可以看出,n为4。
一旦n确定下来,在整个操作过程中都不会变,在整个操作过程中,任何结点的占用空间均为:
n-1个索引值空间 + n个指针空间
事实上,在文件系统中,每个物理块都代表一个结点(可能有未被利用的空间,但要保证能放下一个结点,且n尽可能大)
在树高度大于等于2层时,若结点是合法的,则有如下:
0.对于根节点:存放指针的空间只需 >= 2 即可。
1.对于内部结点:存放指针空间的装满量必须 >= 一半,在上图中,n=4因此必须存放2~4个指针才算合法。
2.对于叶结点:存放指向记录的指针的装满量必须 >= 一半。注意!存放记录的指针量是n-1,有1个是指向下一个叶结点的指针,因此当n=4时,存放记录的指针个数为2或3时都是合法的。
3.叶节点每一个索引值对应一个记录指针。内部结点每一个索引值划分两个区间,并把区间对应到指针上,因此若内部结点有a个索引,指针需要a+1个。
4.索引值不重复(这里不讨论索引值重复的变体)
对于高度仅为1的树,没有上述要求(因为最开始单个节点中肯定没有东西)
一颗棵合法的B+树可能有如下形状:
三、B+树的查找
从根结点开始,首先从结点内部查找(由于结点内部是升序的,二分查找即可)
比如查找4,结点内部存放1,5,8,3 那么查到5就可以停了,沿着对应的5左边的指针(区间1<=x<5)继续向下查找
直到最后进入叶节点。
若叶节点中存在该索引值,就能找到对应记录的指针,若不存在,则查找失败
四、B+树的插入
B+树插入流程图:
经过(1)的插入:
经过(1)、(2)的插入:
经过(1)、(2)、(3)的插入:
五、B+树删除
相比插入,删除过程更为复杂:
经过(1)删除:
经过(1)、(2)删除:
经过(1)、(2)、(3)删除:
经过(1)、(2)、(3)、(4)删除:
经过(1)、(2)、(3)、(4)、(5)删除:
例题:
Given the following 2-gram search keys:
(A,5), (D,3), (D,7), (H,5), (K,1), (N,1), (P,2), (Q,3), (X,1), (X,2)
Please construct a B+ tree, which each node can hold 4 pointers and 3 search keys.
(1) How many search key can a root node, a non-root & non-leaf node, or a leaf node at least hold ? How many times of splitting during the construction of the B+ tree?
(2) Please give the B+ tree after deleting (N,1) and (P,2).
(3) Please describe the process of searching keys that are greater than (D,8), and not equals to (H,8).
例题解答:
此题涉及的就是B+树的结构以及操作。
(1) 问:B+树种一个结点能容纳4个指针和3个索引值(查找键),分别说出根、叶、非根非叶的结点至少有多少索引值,在上述序列插入过程中,会分裂多少次。
(2) 问:给出删除N1和P2后的树。
(3) 问:描述查找大于D8小于H8索引值的过程。
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