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B+树
B+树是B树的扩展,旨在提高插入、删除和搜索操作的效率。
B+树的特性与B树类似,不同之处在于B树可以在所有内部节点和叶子节点中存储键和记录,而B+树在叶子节点中存储记录,在内部节点中存储键。B+树的一个重要特性是所有叶子节点都以单链表的形式相互连接,并且有一个数据指针指向磁盘文件中存在的数据。这有助于以相同的磁盘访问次数获取记录。
由于主内存的大小有限,B+树充当无法存储在主内存中的记录的数据存储。为此,内部节点存储在主内存中,叶子节点存储在辅助存储器中。
B+树的特性
B+树中除根节点外的每个节点最多包含m个子节点和(m-1)个键,最少包含$\mathrm{\left \lceil \frac{m}{2}\right \rceil}$个子节点和$\mathrm{\left \lceil \frac{m-1}{2}\right \rceil}$个键,因为树的阶数为m。
根节点必须至少有两个子节点和至少一个搜索键。
B树中的所有路径必须在同一级别结束,即叶子节点必须在同一级别。
B+树始终保持数据排序。
B+树的基本操作
B+树支持的操作包括插入、删除和搜索,每个操作的时间复杂度为O(log n)。
它们与B树操作几乎相同,因为这两种数据结构存储数据的基本思想相同。然而,不同之处在于数据只存储在B+树的叶子节点中,而B树则不然。
插入操作
向B+树插入数据从叶子节点开始。
步骤1 - 计算要添加到B+树节点中的键的最大值和最小值。
步骤2 - 将元素逐个添加到叶子节点中,直到超过最大键数。
步骤3 - 将节点分成两半,左子节点包含最小数量的键,其余键存储在右子节点中。
步骤4 - 但是,如果内部节点也超过最大键属性,则将节点分成两半,左子节点包含最小数量的键,其余键存储在右子节点中。但是,右子节点中最小的数字将成为父节点。
步骤5 - 如果叶子节点和内部节点都具有最大数量的键,则以类似的方式将它们都分割,并将右子节点中最小的键添加到父节点中。
示例
以下是各种编程语言中此操作的实现:
// C program for Bplus tree #include <stdio.h> #include <stdlib.h> struct BplusTree { int *d; struct BplusTree **child_ptr; int l; int n; }; struct BplusTree *r = NULL, *np = NULL, *x = NULL; struct BplusTree* init() { //to create nodes int i; np = (struct BplusTree*)malloc(sizeof(struct BplusTree)); np->d = (int*)malloc(6 * sizeof(int)); // order 6 np->child_ptr = (struct BplusTree**)malloc(7 * sizeof(struct BplusTree*)); np->l = 1; np->n = 0; for (i = 0; i < 7; i++) { np->child_ptr[i] = NULL; } return np; } void traverse(struct BplusTree *p) { //traverse tree printf("\n"); int i; for (i = 0; i < p->n; i++) { if (p->l == 0) { traverse(p->child_ptr[i]); } printf(" %d", p->d[i]); } if (p->l == 0) { traverse(p->child_ptr[i]); } printf("\n"); } void sort(int *p, int n) { int i, j, t; for (i = 0; i < n; i++) { for (j = i; j <= n; j++) { if (p[i] > p[j]) { t = p[i]; p[i] = p[j]; p[j] = t; } } } } int split_child(struct BplusTree *x, int i) { int j, mid; struct BplusTree *np1, *np3, *y; np3 = init(); np3->l = 1; if (i == -1) { mid = x->d[2]; x->d[2] = 0; x->n--; np1 = init(); np1->l = 0; x->l = 1; for (j = 3; j < 6; j++) { np3->d[j - 3] = x->d[j]; np3->child_ptr[j - 3] = x->child_ptr[j]; np3->n++; x->d[j] = 0; x->n--; } for (j = 0; j < 6; j++) { x->child_ptr[j] = NULL; } np1->d[0] = mid; np1->child_ptr[np1->n] = x; np1->child_ptr[np1->n + 1] = np3; np1->n++; r = np1; } else { y = x->child_ptr[i]; mid = y->d[2]; y->d[2] = 0; y->n--; for (j = 3; j < 6; j++) { np3->d[j - 3] = y->d[j]; np3->n++; y->d[j] = 0; y->n--; } x->child_ptr[i + 1] = y; x->child_ptr[i + 1] = np3; } return mid; } void insert(int a) { int i, t; x = r; if (x == NULL) { r = init(); x = r; } else { if (x->l == 1 && x->n == 6) { t = split_child(x, -1); x = r; for (i = 0; i < x->n; i++) { if (a > x->d[i] && a < x->d[i + 1]) { i++; break; } else if (a < x->d[0]) { break; } else { continue; } } x = x->child_ptr[i]; } else { while (x->l == 0) { for (i = 0; i < x->n; i++) { if (a > x->d[i] && a < x->d[i + 1]) { i++; break; } else if (a < x->d[0]) { break; } else { continue; } } if (x->child_ptr[i]->n == 6) { t = split_child(x, i); x->d[x->n] = t; x->n++; continue; } else { x = x->child_ptr[i]; } } } } x->d[x->n] = a; sort(x->d, x->n); x->n++; } int main() { int i, n, t; insert(10); insert(20); insert(30); insert(40); insert(50); printf("Insertion Done"); printf("\nB+ tree:"); traverse(r); return 0; }
输出
Insertion Done B+ tree: 10 20 30 40 50
#include<iostream> using namespace std; struct BplusTree { int *d; BplusTree **child_ptr; bool l; int n; } *r = NULL, *np = NULL, *x = NULL; BplusTree* init() { //to create nodes int i; np = new BplusTree; np->d = new int[6];//order 6 np->child_ptr = new BplusTree *[7]; np->l = true; np->n = 0; for (i = 0; i < 7; i++) { np->child_ptr[i] = NULL; } return np; } void traverse(BplusTree *p) { //traverse tree cout<<endl; int i; for (i = 0; i < p->n; i++) { if (p->l == false) { traverse(p->child_ptr[i]); } cout << " " << p->d[i]; } if (p->l == false) { traverse(p->child_ptr[i]); } cout<<endl; } void sort(int *p, int n) { //sort the tree int i, j, t; for (i = 0; i < n; i++) { for (j = i; j <= n; j++) { if (p[i] >p[j]) { t = p[i]; p[i] = p[j]; p[j] = t; } } } } int split_child(BplusTree *x, int i) { int j, mid; BplusTree *np1, *np3, *y; np3 = init(); np3->l = true; if (i == -1) { mid = x->d[2]; x->d[2] = 0; x->n--; np1 = init(); np1->l = false; x->l = true; for (j = 3; j < 6; j++) { np3->d[j - 3] = x->d[j]; np3->child_ptr[j - 3] = x->child_ptr[j]; np3->n++; x->d[j] = 0; x->n--; } for (j = 0; j < 6; j++) { x->child_ptr[j] = NULL; } np1->d[0] = mid; np1->child_ptr[np1->n] = x; np1->child_ptr[np1->n + 1] = np3; np1->n++; r = np1; } else { y = x->child_ptr[i]; mid = y->d[2]; y->d[2] = 0; y->n--; for (j = 3; j <6 ; j++) { np3->d[j - 3] = y->d[j]; np3->n++; y->d[j] = 0; y->n--; } x->child_ptr[i + 1] = y; x->child_ptr[i + 1] = np3; } return mid; } void insert(int a) { int i, t; x = r; if (x == NULL) { r = init(); x = r; } else { if (x->l== true && x->n == 6) { t = split_child(x, -1); x = r; for (i = 0; i < (x->n); i++) { if ((a >x->d[i]) && (a < x->d[i + 1])) { i++; break; } else if (a < x->d[0]) { break; } else { continue; } } x = x->child_ptr[i]; } else { while (x->l == false) { for (i = 0; i < (x->n); i++) { if ((a >x->d[i]) && (a < x->d[i + 1])) { i++; break; } else if (a < x->d[0]) { break; } else { continue; } } if ((x->child_ptr[i])->n == 6) { t = split_child(x, i); x->d[x->n] = t; x->n++; continue; } else { x = x->child_ptr[i]; } } } } x->d[x->n] = a; sort(x->d, x->n); x->n++; } int main() { int i, n, t; insert(10); insert(20); insert(30); insert(40); insert(50); cout<<"Insertion Done"; cout<<"\nB+ tree:"; traverse(r); }
输出
Insertion Done B+ tree: 10 20 30 40 50
//Java program for Bplus code import java.util.*; class BplusTree { int[] d; BplusTree[] child_ptr; boolean l; int n; } public class Main { static BplusTree r = null, np = null, x = null; static BplusTree init() { // to create nodes int i; np = new BplusTree(); np.d = new int[6]; // order 6 np.child_ptr = new BplusTree[7]; np.l = true; np.n = 0; for (i = 0; i < 7; i++) { np.child_ptr[i] = null; } return np; } static void traverse(BplusTree p) { // traverse tree int i; for (i = 0; i < p.n; i++) { if (p.l == false) { traverse(p.child_ptr[i]); } System.out.print(" " + p.d[i]); } if (p.l == false) { traverse(p.child_ptr[i]); } System.out.println(); } static void sort(int[] p, int n) { // sort the tree int i, j, t; for (i = 0; i < n; i++) { for (j = i; j <= n; j++) { if (p[i] > p[j]) { t = p[i]; p[i] = p[j]; p[j] = t; } } } } static int split_child(BplusTree x, int i) { int j, mid; BplusTree np1, np3, y; np3 = init(); np3.l = true; if (i == -1) { mid = x.d[2]; x.d[2] = 0; x.n--; np1 = init(); np1.l = false; x.l = true; for (j = 3; j < 6; j++) { np3.d[j - 3] = x.d[j]; np3.child_ptr[j - 3] = x.child_ptr[j]; np3.n++; x.d[j] = 0; x.n--; } for (j = 0; j < 6; j++) { x.child_ptr[j] = null; } np1.d[0] = mid; np1.child_ptr[np1.n] = x; np1.child_ptr[np1.n + 1] = np3; np1.n++; r = np1; } else { y = x.child_ptr[i]; mid = y.d[2]; y.d[2] = 0; y.n--; for (j = 3; j < 6; j++) { np3.d[j - 3] = y.d[j]; np3.n++; y.d[j] = 0; y.n--; } x.child_ptr[i + 1] = y; x.child_ptr[i + 1] = np3; } return mid; } static void insert(int a) { int i, t; x = r; if (x == null) { r = init(); x = r; } else { if (x.l == true && x.n == 6) { t = split_child(x, -1); x = r; for (i = 0; i < x.n; i++) { if (a > x.d[i] && a < x.d[i + 1]) { i++; break; } else if (a < x.d[0]) { break; } else { continue; } } x = x.child_ptr[i]; } else { while (x.l == false) { for (i = 0; i < x.n; i++) { if (a > x.d[i] && a < x.d[i + 1]) { i++; break; } else if (a < x.d[0]) { break; } else { continue; } } if (x.child_ptr[i].n == 6) { t = split_child(x, i); x.d[x.n] = t; x.n++; continue; } else { x = x.child_ptr[i]; } } } } x.d[x.n] = a; sort(x.d, x.n); x.n++; } public static void main(String[] args) { int i, n, t; insert(10); insert(20); insert(30); insert(40); insert(50); System.out.print("Insertion Done"); System.out.println("\nB+ tree:"); traverse(r); } }
输出
Insertion Done B+ tree: 10 20 30 40 50
#Python Program for Bplus tree #to create nodes class BplusTree: def __init__(self): self.d = [0] * 6 # order 6 self.child_ptr = [None] * 7 self.l = True self.n = 0 def init(): np = BplusTree() np.l = True np.n = 0 return np #traverse tree def traverse(p): for i in range(p.n): if not p.l: traverse(p.child_ptr[i]) print(" ", p.d[i], end="") if not p.l: traverse(p.child_ptr[p.n]) print() #sort the tree def sort(p, n): for i in range(n): for j in range(i, n + 1): if p[i] > p[j]: p[i], p[j] = p[j], p[i] def split_child(x, i): np3 = init() np3.l = True if i == -1: mid = x.d[2] x.d[2] = 0 x.n -= 1 np1 = init() np1.l = False x.l = True for j in range(3, 6): np3.d[j - 3] = x.d[j] np3.child_ptr[j - 3] = x.child_ptr[j] np3.n += 1 x.d[j] = 0 x.n -= 1 for j in range(6): x.child_ptr[j] = None np1.d[0] = mid np1.child_ptr[np1.n] = x np1.child_ptr[np1.n + 1] = np3 np1.n += 1 r = np1 else: y = x.child_ptr[i] mid = y.d[2] y.d[2] = 0 y.n -= 1 for j in range(3, 6): np3.d[j - 3] = y.d[j] np3.n += 1 y.d[j] = 0 y.n -= 1 x.child_ptr[i + 1] = y x.child_ptr[i + 1] = np3 return mid def insert(a): global r, x x = r if x is None: r = init() x = r else: if x.l and x.n == 6: t = split_child(x, -1) x = r for i in range(x.n): if a > x.d[i] and a < x.d[i + 1]: i += 1 break elif a < x.d[0]: break else: continue x = x.child_ptr[i] else: while not x.l: for i in range(x.n): if a > x.d[i] and a < x.d[i + 1]: i += 1 break elif a < x.d[0]: break else: continue if x.child_ptr[i].n == 6: t = split_child(x, i) x.d[x.n] = t x.n += 1 continue else: x = x.child_ptr[i] x.d[x.n] = a sort(x.d, x.n) x.n += 1 r = None x = None insert(10) insert(20) insert(30) insert(40) insert(50) print("Insertion Done") print("B+ tree:") traverse(r)
输出
Insertion Done B+ tree: 10 20 30 40 50