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關于B+樹的使用及說明

 更新時間:2025年06月30日 09:40:36   作者:找不到、了  
這篇文章主要介紹了關于B+樹的使用及說明,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

B+樹是一種優(yōu)化的B樹結構,適用于數據庫索引。它保證所有數據都在葉子節(jié)點,且葉子節(jié)點間有鏈接,便于數據檢索。

數據結構如下所示:

1、B+樹和N叉樹

1.1、B+樹的基本定義

B+樹是一種平衡的多叉搜索樹,廣泛應用于數據庫和文件系統(tǒng)的索引結構(如MySQL的InnoDB存儲引擎)。

核心特點

  • 每個節(jié)點可以包含多個子節(jié)點(即N叉樹)。
  • 所有葉子節(jié)點通過指針連接,形成一個有序鏈表。
  • 內部節(jié)點僅存儲鍵值,數據(記錄指針)僅存在于葉子節(jié)點。

1.2、B+樹與N叉樹的關系

1、N叉樹

N叉樹是指每個節(jié)點最多有NN個子節(jié)點的樹結構。

  • 二叉樹:每個節(jié)點最多有 2 個子節(jié)點(N=2)。
  • 三叉樹:每個節(jié)點最多有 3 個子節(jié)點(N=3)。
  • B+樹:每個節(jié)點最多有mm個子節(jié)點(N=m,其中mm是 B+樹的階數)。

2、B+樹的節(jié)點結構

B+樹的節(jié)點分為內部節(jié)點葉子節(jié)點。

1、內部節(jié)點(非葉子節(jié)點):

存儲鍵值(Key)和子節(jié)點指針。每個節(jié)點最多有mm個子節(jié)點(N=m)。

2、葉子節(jié)點

存儲鍵值數據指針(或實際數據)。所有葉子節(jié)點通過指針雙向連接,形成有序鏈表。

1.3、B+樹的N叉特性

1、階數決定N的值

階數m是 B+樹的核心參數,表示:

  • 每個節(jié)點最多有m個子節(jié)點。
  • 每個節(jié)點最多存儲m−1個鍵值。

示例

對于階數m=5的 B+樹:每個節(jié)點最多有 5 個子節(jié)點(N=5)。每個節(jié)點最多存儲 4 個鍵值。

2、B+樹的N叉特性

每個節(jié)點的子節(jié)點數量可變

  • 內部節(jié)點的子節(jié)點數在⌈m/2⌉到m之間(保持樹的平衡)。
  • 葉子節(jié)點的子節(jié)點數為 0(無子節(jié)點)。

3、B+樹被稱為N叉樹原因

直接原因:B+樹的每個節(jié)點最多有mm個子節(jié)點(N=m),符合N叉樹的定義。

根本原因

  • 多路平衡:B+樹通過多路分支(N叉)減少樹的高度,提高磁盤IO效率。
  • 階數mm:B+樹的性能與mm直接相關,mm越大,樹越矮,查找路徑越短。

示例:階數m=3 的 B+樹

        [10, 20]              // 內部節(jié)點(2個鍵值,3個子節(jié)點)
       /     |     \
[5, 8]      [15]      [25, 30] // 葉子節(jié)點(存儲數據)
  • 內部節(jié)點:存儲鍵值10、20,指向 3 個子節(jié)點。
  • 葉子節(jié)點:存儲數據(如記錄指針),并通過指針連接。

4、階數和性能的影響

1.4、B+樹與B樹的區(qū)別

如下所示:

注意:

  • B+樹是N叉樹的一種,其階數mm決定了每個節(jié)點的最大子節(jié)點數(N=m)。
  • 這種多叉結構是B+樹在數據庫和文件系統(tǒng)中廣泛應用的核心原因。

2、B+樹的查找元素

B+樹中的所有數據均保存在葉子結點,且根結點和內部結點均只是充當控制查找記錄的媒介,并不代表數據本身,所有的內部結點元素都同時存在于子結點中,是子節(jié)點元素中是最大(或最?。┰亍?/strong>

如下圖所示:

例如B+樹中查找55這個關鍵字,步驟如下:

1、在根節(jié)點中對比55和根節(jié)點中的元素[60, 85],發(fā)現55<60,因此應該在第一個結點中繼續(xù)尋找;

2、比較55和第一個節(jié)點中的元素[10, 20, 50, 60],發(fā)現50<55<60,因此55應該存在于第四個結點當中;

3、繼續(xù)對比55和第四個結點中的元素[55, 60],找到55,查找成功。當然,也有查找失敗的情況,即要查找的元素并不在B+樹中。

3、B+樹的插入元素

其插入規(guī)則如下:

1、插入的操作全部都在葉子結點上進行,且不能破壞關鍵字自小而大的順序;

2、當插入關鍵字后結點的關鍵字個數大于m,需要進行“分裂”。

B+樹的插入有四種情況:

1、若被插入關鍵字所在的結點,其含有關鍵字數目小于m,則直接插入;

2、若被插入關鍵字所在的結點,其含有關鍵字數目等于m,則需要將這個結點分為左右兩部分,中間的結點放到父節(jié)點中。假設其雙親結點中包含的關鍵字個數小于 m,則插入操作完成。

3、在第 2 種情況中,如果上移操作導致其雙親結點中關鍵字個數大于 M,則應繼續(xù)分裂其雙親結點。

4、若插入的關鍵字比當前結點中的最大值還大,破壞了B+樹中從根結點到當前結點的所有索引值,此時需要及時根節(jié)點、字節(jié)點,再做葉子節(jié)點插入操作。

舉例:

1、插入關鍵字12,此時第一個葉子節(jié)點部分[10, 15]關鍵字的個數<m,可以直接插入:(紫色代表插入的元素)

2、插入95,需要插入到最后一個葉子節(jié)點部分[85, 91, 97]:

此時該節(jié)點的關鍵字個數大于m,需要進行分裂操作,并且父節(jié)點需要插入一個新的關鍵字:

3、插入40,需要插入到第二個葉子節(jié)點部分[21, 37, 44]:

此時該節(jié)點的關鍵字個數大于m,需要進行分裂操作,并且父節(jié)點需要插入一個新的關鍵字:

父節(jié)點插入新的關鍵字之后,根結點關鍵字的個數大于m,也需要進行分裂:

4、插入100,由于其值比最大值 97 還大,插入之后,從根結點到該結點經過的所有結點中的所有值都要由 97 改為 100。(橙色為修改之后的)

修改完最大值之后,在最后一個節(jié)點處插入100:

4、實際應用

4.1、Innodb引擎

MySQL數據表以文件方式存放在磁盤中,默認使用共享表空間(0)存儲。

mysql使用共享表空間存儲,所有表的數據和索引會存儲在一個共享的 ibdata 文件中。表結構以.frm文件的形式存儲在與表對應的文件夾中。

如果使用了獨立表空間,InnoDB 會將每個表的結構和數據存儲在獨立的 .ibd 文件中。每當表的數據或索引被更新時,文件也會隨之變化。表的結構仍然以.frm文件存儲。

更多知識詳細可參考:談談mysql的日志的用途

每個頁節(jié)點段、非頁節(jié)點段可參考如下:

注意:階數由頁大?。≒age Size)決定(通常為 16KB)。

階數計算示例

每個關鍵字(如主鍵)為 8 字節(jié),指針為 6 字節(jié)。當磁盤塊Page頁大小為 16KB:

實際階數約為 1170,樹高度為 3 時可存儲1170^3≈1.6億條記錄。

存儲的計算公式:

4.2、文件系統(tǒng)

Linux 的 Ext4 文件系統(tǒng)

  • 使用 B+樹管理目錄項。
  • 階數由塊大小(4KB)和目錄項大小決定。

總結

在數據庫中通常不只是查詢(select)一條記錄,如果是多條記錄的話,B樹要做中序遍歷,可能要跨層訪問,而B+樹由于所有的數據都在葉子節(jié)點,不用跨層,同時由于有鏈表結構只要找到首尾,就能通過鏈表把數據都讀出來。

以上為個人經驗,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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