B树的定义
B 树又叫平衡多路查找树。一棵m阶的B 树 (注:切勿简单的认为一棵m阶的B树是m叉树,虽然存在四叉树,八叉树,KD树,及vp/R树/R*树/R+树/X树/M树/线段树/希尔伯特R树/优先R树等空间划分树,但与B树完全不等同)的特性如下:
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树中每个结点最多含有m个孩子(m>=2);
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除根结点和叶子结点外,其它每个结点至少有[ceil(m / 2)]个孩子(其中ceil(x)是一个取上限的函数);
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若根结点不是叶子结点,则至少有2个孩子(特殊情况:没有孩子的根结点,即根结点为叶子结点,整棵树只有一个根节点);
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所有叶子结点都出现在同一层,叶子结点不包含任何关键字信息(可以看做是外部接点或查询失败的接点,实际上这些结点不存在,指向这些结点的指针都为null);(读者反馈@冷岳:这里有错,叶子节点只是没有孩子和指向孩子的指针,这些节点也存在,也有元素。@研究者July:其实,关键是把什么当做叶子结点,因为如红黑树中,每一个NULL指针即当做叶子结点,只是没画出来而已)。
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每个非终端结点中包含有n个关键字信息: (n,P0,K1,P1,K2,P2,......,Kn,Pn)。其中:
a) Ki (i=1...n)为关键字,且关键字按顺序升序排序K(i-1)< Ki。
b) Pi为指向子树根的接点,且指针P(i-1)指向子树种所有结点的关键字均小于Ki,但都大于K(i-1)。
c) 关键字的个数n必须满足: [ceil(m / 2)-1]<= n <= m-1。
注:树的深度大于2时,根节点可以为2
这是一个m=3的B树,以磁盘块2举例,其中含有2个关键字,P1,P2,P3分别指向x<8,8<x<12,x>12的磁盘块
B树查找:
模拟下查找文件29的过程:
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根据根结点指针找到文件目录的根磁盘块1,将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作 1次】
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此时内存中有两个文件名17、35和三个存储其他磁盘页面地址的数据。根据算法我们发现:17<29<35,因此我们找到指针p2。
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根据p2指针,我们定位到磁盘块3,并将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作 2次】
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此时内存中有两个文件名26,30和三个存储其他磁盘页面地址的数据。根据算法我们发现:26<29<30,因此我们找到指针p2。
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根据p2指针,我们定位到磁盘块8,并将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作 3次】
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此时内存中有两个文件名28,29。根据算法我们查找到文件名29,并定位了该文件内存的磁盘地址。
B树插入:
插入的过程分两步完成:
(1)利用前述的B-树的查找算法查找关键字的插入位置。若找到,则说明该关键字已经存在,直接返回。否则查找操作必失败于某个最低层的非终端结点上。
(2)判断该结点是否还有空位置。即判断该结点的关键字总数是否满足n<=m-1。若满足,则说明该结点还有空位置,直接把关键字k插入到该结点的合适位置上。若不满足,说明该结点己没有空位置,需要把结点分裂成两个。
分裂的方法是:生成一新结点。把原结点上的关键字和k按升序排序后,从中间位置把关键字(不包括中间位置的关键字)分成两部分。左部分所含关键字放在旧结点中,右部分所含关键字放在新结点中,中间位置的关键字连同新结点的存储位置插入到父结点中。如果父结点的关键字个数也超过(m-1),则要再分裂,再往上插。直至这个过程传到根结点为止。
图见: http://blog.163.com/zhoumhan_0351/blog/static/39954227200910231032917/
B树高度推导:
根据上面的例子我们可以看出,对于辅存做IO读的次数取决于B树的高度。而B树的高度由什么决定的呢?
若B树某一非叶子节点包含N个关键字,则此非叶子节点含有N+1个孩子结点,而所有的叶子结点都在第I层,我们可以得出:- 因为根至少有两个孩子,因此第2层至少有两个结点。
- 除根和叶子外,其它结点至少有┌m/2┐个孩子,
- 因此在第3层至少有2*┌m/2┐个结点,
- 在第4层至少有2*(┌m/2┐^2)个结点,
- 在第 I 层至少有2*(┌m/2┐^(l-2) )个结点,于是有: N+1 ≥ 2*┌m/2┐I-2;
- 考虑第L层的结点个数为N+1,那么2*(┌m/2┐^(l-2))≤N+1,也就是L层的最少结点数刚好达到N+1个,即: I≤ log┌m/2┐((N+1)/2 )+2;
最底层叶子节点个数在树的深度最深时为2*(┌m/2┐^(l-2)),根据不等式得到l的关系式