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Mysql的索引实现之B树和B+树

2022-07-06 09:15:00 乘风破BUG

B树

定义

B树也称为B-树,它是一棵多路平衡查找树,一般描述一棵B树时需要指定它的阶树,阶数表示一个节点最多可以有多少个孩子节点,一般用字母m表示阶数,当m取2时,就是我们常见的二叉搜索树
一般m阶的B树定义如下:

  • 每个节点最多有m-1个关键字
  • 根节点最少可以只有一个关键字
  • 非根节点至少有Math.ceil(m/2)-1个关键字
    TIP:Math.ceil()表示加上0.5再向下取整
  • 每个节点中的关键字都按照从小到大的顺序排列,每个关键字的左子树中的所有关键字都小于它,而右子树的所有关键字都大于它
  • 所有叶子节点的都位于同一层,或者说根节点到每个叶子节点的长度都相同

例如:
在这里插入图片描述
上图是一颗阶数为4的B树。在实际应用中的B树的阶数m都非常大(通常大于100),所以即使存储大量的数据,B树的高度仍然比较小。每个结点中存储了关键字(key)和关键字对应的数据(data),以及孩子结点的指针。我们将一个key和其对应的data称为一个记录。但为了方便描述,除非特别说明,后续文中就用key来代替(key, value)键值对这个整体。在数据库中我们将B树(和B+树)作为索引结构,可以加快查询速速,此时B树中的key就表示键,而data表示了这个键对应的条目在硬盘上的逻辑地址。

B树的插入操作

插入操作既插入一条记录,即(key,value)的键值对。如果B树中已经存在需要插入的键值对,则用需要插入的value替换旧的value,若B树种不存在这个key,则一定是在叶子节点中进行插入操作

  • 根据要插入的key值,找到叶子节点并插入
  • 判断当前节点key的个数是否小于等于m-1,若满足则结束,否则进行下一步
  • 以节点中间的key为中心分裂成左右两部分,然后将这个中间的key插入到父节点中,这个key的左子树指向分裂后的左半部分,这个key的右子树指向分裂后的右半部分,然后将当前节点指向父节点,继续进行该步骤

例如:
以5阶B树为例,介绍B树的插入操作,在5阶B树中,结点最多有4个key,最少有2个key

  1. 在空树中插入39
    在这里插入图片描述
    根结点此时有4个key
  2. 继续插入22,97和41
    在这里插入图片描述
    根结点此时有4个key
  3. 继续插入53
    在这里插入图片描述
    插入后超过了最大允许的关键字个数4,所以以key值为41为中心进行分裂,结果如下,分裂后当前节点指针指向父节点,满足B树条件,插入操作结束。当阶树m为偶数时,需要分裂时就不存在排序恰好在中间的key,那么就可以选择中间位置的前一个key或者中间位置的后一个key为中心进行分裂即可
    在这里插入图片描述
  4. 依次插入13,21,40,同样会造成分裂
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  5. 依次插入30,27, 33 ;36,35,34 ;24,29
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  6. 插入key值为26的记录
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  7. 当前结点需要以27为中心分裂,并向父结点进位27,然后当前结点指向父结点
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  8. 进位后导致当前结点(即根结点)也需要分裂
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    分裂后当前结点指向新的根,此时无需调整。
  9. 最后再依次插入key为17,28,29,31,32的记录
    在这里插入图片描述

在实现B树的代码中,为了使代码编写更加容易,我们可以将节点中存储记录的数组长度定义为m而非m-1,这样方便底层的节点由于分裂向上层插入一个记录时,上层有多余的位置存储这个记录。同时,每个节点还可以存储它的父节点的引用,这样就不必编写递归程序。
一般来说,对于确定的m和确定类型的记录,节点大小是固定的,无论它实际存储了多少个记录,但是分配固定节点大小的方法会存在浪费的情况,比如key为28,29所在的节点,还有2个Key的位置没有使用,但是已经不可能再插入任何值了,因为这个节点的前序key是27,后续key是30,所有整数值都用完了,所以如果记录先按key大小排好序,再插入B树中,节点的使用率就会很低,最差情况下使用率仅为50%。

B树的删除操作

删除操作是指,根据Key删除记录,如果B树中的记录中不存在对应key的记录,则删除失败

  • 如果当前需要删除的key位于非叶子节点上,则用后续key(这里指的后续key均指后续记录的意思)覆盖要删除的key,然后在后续key所在的子支中删除该后续key,此时后续key一定位于叶子节点上,这个过程和二叉搜索树删除节点的方式类似,删除这个记录后执行下一步
  • 该节点key个数大于等于Math.ceil(m/2)-1,结束删除操作,否则执行下一步
  • 如果兄弟节点key个数大于Math.ceil(m/2)-1,则父节点中的key下移到该节点,兄弟节点中一个Key上移,删除操作结束

否则,将父节点中的key下移与当前节点及它的兄弟节点中的key合并,形成一个新的节点,原父节点中的key的两个孩子指针就变成了一个孩子指针,指向这个新节点,然后当前节点指针指向父节点,重复判断第二步
有些节点它可能既有左兄弟,又有右兄弟,那么我们任意选择一个兄弟节点进行操作即可

例如:
以5阶B树为例,介绍B树的删除操作,5阶B树中,结点最多有4个key,最少有2个key

  1. 原始状态
    在这里插入图片描述
  2. 在上面的B树中删除21,删除后结点中的关键字个数仍然大于等2,所以删除结束
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  3. 在上述情况下接着删除27。从上图可知27位于非叶子结点中,所以用27的后继替换它。从图中可以看出,27的后继为28,我们用28替换27,然后在28(原27)的右孩子结点中删除28。删除后的结果如下图所示
    在这里插入图片描述
    删除后发现,当前叶子节点的记录的个数小于2,而它的兄弟节点中有3个记录(当前节点还有一个右兄弟,选择右兄弟就会出现合并节点的情况,不论选择哪一个都行,只是最后B树的形态会不一样而已),此时从兄弟节点中截取一个key,所以父节点中28下移,兄弟系欸但的26上移,删除结束
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  4. 在上述情况下接着32
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    当删除后,当前节点中只有key,而兄弟节点也仅有2个key,所以只能让父节点的30下移和这个两个孩子节点中的key合并,成为一个新的节点,当前节点指向父节点
    当前结点key的个数满足条件,故删除结束
  5. 上述情况下,我们接着删除key为40的记录
    在这里插入图片描述
    同理,当前节点的记录数小于2,兄弟节点中没有多余key,所以父节点中key下移,和兄弟(这里我们选择左兄弟,选择右兄弟也可以)节点合并,合并后的指向当前节点的指针就指向了父节点
    同理,对于当前结点而言只能继续合并了
    在这里插入图片描述
    合并后结点当前结点满足条件,删除结束

B+树

定义

在这里插入图片描述
关键字比孩子节点小1,上图是一颗阶数为4的B+树

  • B+树包含两种类型的系欸但:内部节点(索引节点)和叶子节点,根节点本身既可以是内部节点,也可以是叶子节点,根节点的关键字个数最少可以只有1个。
  • B+树和B树最大的不同是内部节点不保存数据,只用于索引,所有数据(后者说记录)都保存在叶子节点中
  • m阶B+树表示了内部节点最多有m-1个关键字(或者说内部节点最多有m个子树),阶树m同时限制了叶子节点最多存储m-1个记录
  • 内部节点中key都按照从小到大的顺序排列,对于内部节点中的一个key,左树中的所有key都小于它,右子树中的key都大于等于它。叶子节点中的记录也按照key的大小排列
  • 每个叶子节点都存有相邻叶子节点的指针,叶子节点本身依关键字的大小自小而大顺序链接

B+树的插入操作

  • 若为空树,创建一个叶子节点,然后将记录插入其中,此时这个叶子也是根节点,插入操作结束
  • 针对叶子类型节点:根据key值找到叶子节点,向这个叶子插入记录,插入后,若当前节点key的个数小于等于m-1,则插入结束。否则将这个叶子节点分裂成左右两个叶子节点,左叶子节点包含前m/2个记录,右节点包含剩下的记录,将第m/2+1个记录的key进位到父节点中(父节点一定是索引类型节点),进位到父节点的key左孩子指针向左节点,右孩子指针指向右节点。将当前节点的指针指向父节点,然后执行下一步
  • 针对索引类型节点:若当前节点key的个数小于等于m-1,则插入结束。否则,将这个索引类型节点分裂成两个索引节点,左索引节点包含(m-1)/2个Key,右节点包含m-(m-1)/2个key,将第m/2个key进位到父节点中,进位到父节点的key的左孩子指向左节点,进位到父节点的key的右孩子指向右节点。将当前节点的指针指向父节点,然后重复这一步

例如:
下面是一颗5阶B树的插入过程,5阶B数的结点最少2个key,最多4个key

  1. 空树中插入5
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  2. 依次插入8,10,15
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  3. 插入16
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    插入16后超过了关键字的个数限制,所以要进行分裂。在叶子节点分裂时,分裂出来的左节点2个记录,右边3个记录,中间key成为索引节点中的key,分离后当前节点指向父节点(根节点)。如下
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    当然也可以是另一种分裂方式,给左节点3个记录,右节点2个记录,此时索引节点中的key就变成了15
  4. 插入17
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  5. 插入18
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    当前节点的关键字个数大于5,进行分裂,分裂成两个节点,左节点2个记录,右节点3个记录,关键字16进位到父节点(索引节点)中,将当前节点的指针指向父节点
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    当前结点的关键字个数满足条件,插入结束
  6. 插入若干数据后
    在这里插入图片描述
  7. 在上图中插入7
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    当前节点的关键字个数超过4,需要分裂,左节点2个记录,右节点3个记录。
    分裂后关键字7进入到父节点中,将当前节点的指针指向父节点,如下
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    当前节点的关键字个数超过4,需要继续分裂,左节点2个关键字,右节点2个关键字,关键字16进入到父节点中,将当前节点指向父节点,如下:
    在这里插入图片描述
    当前结点的关键字个数满足条件,插入结束

B+树的删除操作

如果叶子节点中没有相应的key,则删除失败,否则执行下面步骤

  • 删除叶子节点中对应的key,删除后若节点的key个数大于等于Math.ceil(m-1)/2-1,删除操作结束,否则执行第二步
  • 若兄弟节点key有富余(大于Math.ceil(m-1)/2-1),向兄弟节点借一个记录,同时用借到的key替换父节点(指当前节点和兄弟节点共同的父节点)中的key,删除结束,否则执行下一步
  • 若兄弟节点中没有富余的key,则当前节点和兄弟节点合并成一个新的叶子节点,并删除父节点中的key(父节点中的这个key两边的孩子指针就变成了一个指针,正好指向这个新的叶子节点),将当前节点指向父节点(必为索引节点),执行下一步
  • 若索引节点的key的个数大于等于Math.ceil(m-1)/2-1,则删除操作结束,否则执行下一步
  • 若兄弟节点有富余,父节点key下移,兄弟节点上移,删除结束,否则执行下一步
  • 当前节点和兄弟节点及父节点下移key合并成一个新的节点,将当前节点指向父节点,重复第四步

注意,通过B+树的删除操作后,索引节点中存在的key,不一定在叶子节点中存在对应的记录
例如:
下面是一颗5阶B树的删除过程,5阶B数的结点最少2个key,最多4个key

  1. 初始状态
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  2. 删除22
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    删除后叶子结点中key的个数大于等于2,删除结束
  3. 删除15
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    删除后当前节点只有一个key,不满足条件,而兄弟节点有三个key,可以从兄弟节点借一个关键字为9的记录,同时更新将父节点中的关键由10变为9,删除结束
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  4. 删除7
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    当前节点关键字个数小于2,左兄弟节点中也没有富余的关键字(当前节点还有个有兄弟,不过任意一个进行分拆就可以了,我们选择左边的),所以当前节点和兄弟节点合并,并删除父节点中的key,当前节点指向父节点
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    此时当前节点的关键字个数小于2,兄弟节点的关键字也没有富余,所以父节点中的关键字下移,和两个孩子节点合并,如下
    在这里插入图片描述

完毕~

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