數據庫索引 樹 學習

B-樹是一種多路搜索樹(並不是二叉的):
1、定義任意非葉子結點最多隻有M個兒子;且M>2;
2、根結點的兒子數爲[2, M]
3、除根結點以外的非葉子結點的兒子數爲[M/2, M];
4、每個結點存放至少M/2-1(取上整)和至多M-1個關鍵字;(至少2個關鍵字)
5、非葉子結點的關鍵字個數=指向兒子的指針個數-1;
6、非葉子結點的關鍵字:K[1], K[2],...,K[M-1]; 且K[i] < K[i+1];
7、非葉子結點的指針:P[1],P[2],... ,P[M]; 其中P[1]指向關鍵字小於K[1]的子樹,P[M]指向關鍵字大於K[M-1]的子樹,其它P[i]指向關鍵字屬於(K[i], K[i])的子樹;
8、所有葉子結點位於同一層;
如:(M=3)

B-樹的搜索,從根結點開始,對結點內的關鍵字(有序)序列進行二分查找,如果命中則結束,否則進入查詢關鍵字所屬範圍的兒子結點;重複,直到所對應的兒子指針爲空,或已經是葉子結點;

B-樹的特性:
1、關鍵字集合分佈在整顆樹中;
2、任何一個關鍵字出現且只出現在一個結點中;
3、搜索有可能在非葉子結點結束
4、其搜索性能等價於在關鍵字全集內做一次二分查找;
5、自動層次控制;
由於限制了除根結點以外的非葉子結點,至少含有M/2個兒子,確保了結點的至少利用率,其最底搜索性能爲:

其中,M爲設定的非葉子結點最多子樹個數,N爲關鍵字總數;
所以B-樹的性能總是等價於二分查找(與M值無關),也就沒有B樹平衡的問題;
由於M/2的限制,在插入結點時,如果結點已滿,需要將結點分裂爲兩個各佔M/2的結點;刪除結點時,需將兩個不足M/2的兄弟結點合併;

B+樹
B+樹是B-樹的變體,也是一種多路搜索樹:
其定義基本與B-樹相同,除了:
1、非葉子結點的子樹指針與關鍵字個數相同;
2、非葉子結點的子樹指針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、爲所有葉子結點增加一個鏈指針;
4、所有關鍵字都在葉子結點出現;
如:(M=3)



B+樹的搜索與B-樹也基本相同,區別是B+樹只有達到葉子結點才命中(B-樹可以在非葉子結點命中),其性能也等價於在關鍵字全集做一次二分查找;

B+樹的特性:
1、所有關鍵字都出現在葉子結點的鏈表中(稠密索引),且鏈表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),葉子結點相當於是存儲(關鍵字)數據的數據層;
4、更適合文件索引系統;

B*樹
B*樹是B+樹的變體,在B+樹的非根和非葉子結點再增加指向兄弟的指針;

B*樹定義了非葉子結點關鍵字個數至少爲(2/3)*M,即塊的最低使用率爲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的數據複製到新結點,最後在父結點中增加新結點的指針;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針;

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,那麼將一部分數據移到兄弟結點中,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(因爲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的數據到新結點,最後在父結點增加新結點的指針;
所以,B*樹分配新結點的概率比B+樹要低,空間使用率更高;

紅黑樹
紅黑樹是二叉搜索樹的一種改進。我們知道二叉搜索樹在最壞的情況下可能會變成一個鏈表(當所有節點按從小到大的順序依次插入後)。而紅黑樹在每一次插入或刪除節點之後都會花O(log N)的時間來對樹的結構作修改,以保持樹的平衡。也就是說,紅黑樹的查找方法與二叉搜索樹完全一樣;插入和刪除節點的方法前半部分與二叉搜索樹完全一樣,而後部分添加了一些修改樹的結構的操作。
紅黑樹的每個節點上的屬性除了有一個Key、3個指針:parent、lchild、rchild以外,還多了一個屬性:color。它只能是兩種顏色:紅或黑。而紅黑樹除了具有二叉搜索樹的所有性質之外,還具有以下4點性質:
1、根節點是黑色的
2、空節點是黑色的(紅黑樹中,根節點的parent以及所有葉節點Ichild、rchild都不指向null,而是指向一個定義好的空節點)。
3、紅色節點的父、左子、右子節點都是黑色。
4、在任何一棵子樹中,每一條從根節點向下走到空節點的路徑上包含的黑色節點數量都相同。

小結:
B樹:二叉樹,每個結點只存儲一個關鍵字,等於則命中,小於走左結點,大於走右結點;
B-樹:多路搜索樹,每個結點存儲M/2到M個關鍵字,非葉子結點指向關鍵字範圍的子結點;
所有關鍵字在整棵樹中出現,且只出現一次,非葉子結點可以命中;
B+樹:在B-樹基礎上,爲葉子結點增加鏈表指針,所有關鍵字都在葉子結點中出現,非葉子結點作爲葉子結點的索引;B+樹總是到葉子結點才命中;
B*樹:在B+樹基礎上,爲非葉子結點也增加鏈表指針,將結點的最低利用率從2/1提高到2/3;
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