详解 B-Tree 与B+Tree

 1、什么是B-TreeB-tree又叫平衡多路查找树。

一棵m阶的B-tree (m叉树)的特性如下:

    1) 树中每个结点至多有m个孩子;

    2) 除根结点和叶子结点外,其它每个结点至少有[m / 2]向上取整个孩子;

    3) 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);

    4) 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(可以看做是外部结点或查询失败的结点,实际上这些结点不存在,指向这些结点的指针都为null);

    5) 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)指向子树中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: [m / 2]-1 <= n <= m-1。    

备注:在此处[ ]中的运算表示向上取整下面是B-Tree的结构示例图:  

2.jpg

一个为m阶的B-Tree,设其索引N个key,则其树高h的上限为logm((N+1)/2),检索一个key,其查找节点个数的渐进复杂度为O(logmN)。从这点可以看出,B-Tree是一个非常有效率的索引数据结构。 
 

2、什么是B+Tree  
B+tree:是B-tree的变形树。

一棵m阶的B+tree和m阶的B-tree的差异在于:

    1.有n棵子树的结点中含有n个关键字; (B-tree是n棵子树有n-1个关键字)

    2.所有的叶子结点中包含了全部关键字的信息,及指向含有这些关键字记录的指针,且叶子结点本身依关键字的大小自小而大的顺序链接。 (B-tree的叶子节点并没有包括全部需要查找的信息)

    3.所有的非终端结点可以看成是索引部分,结点中仅含有其子树根结点中最大(或最小)关键字。 (B-tree的非终节点也包含需要查找的有效信息) 
B+树的结构示例图如下:

3.jpg

3、B+Tree与B-Tree 的区别
 1)B-树的关键字和记录是放在一起的,叶子节点可以看作外部节点,不包含任何信息;B+树的非叶子节点中只有关键字和指向下一个节点的索引,记录只放在叶子节点中。  

    2)在B-树中,越靠近根节点的记录查找时间越快,只要找到关键字即可确定记录的存在;而B+树中每个记录的查找时间基本是一样的,都需要从根节点走到叶子节点,而且在叶子节点中还要再比较关键字。从这个角度看B-树的性能好像要比B+树好,而在实际应用中却是B+树的性能要好些。因为B+树的非叶子节点不存放实际的数据,这样每个节点可容纳的元素个数比B-树多,树高比B-树小,这样带来的好处是减少磁盘访问次数。尽管B+树找到一个记录所需的比较次数要比B-树多,但是一次磁盘访问的时间相当于成百上千次内存比较的时间,因此实际中B+树的性能可能还会好些,而且B+树的叶子节点使用指针连接在一起,方便顺序遍历(例如查看一个目录下的所有文件,一个表中的所有记录等),这也是很多数据库和文件系统使用B+树的缘故。

 

思考:为什么说B+树比B-树更适合实际应用中操作系统的文件索引和数据库索引? 

1) B+树的磁盘读写代价更低

B+树的内部结点并没有指向关键字具体信息的指针。因此其内部结点相对B 树更小。如果把所有同一内部结点的关键字存放在同一盘块中,那么盘块所能容纳的关键字数量也越多。一次性读入内存中的需要查找的关键字也就越多。相对来说IO读写次数也就降低了。 

2) B+树的查询效率更加稳定 
  由于非终结点并不是最终指向文件内容的结点,而只是叶子结点中关键字的索引。所以任何关键字的查找必须走一条从根结点到叶子结点的路。所有关键字查询的路径长度相同,导致每一个数据的查询效率相当。