数据结构 - B树

1. B树(B-tree)

(1) 定义

B树(B-tree):一种平衡的 多路搜索树,多用于文件系统、数据库的实现。其特点:

  • 1个节点可以存储超过2个元素,可以拥有超过2个子节点
  • 拥有 二叉搜索树 的一些性质
  • 平衡,每个节点的所有子树高度平衡
  • 比较矮
3阶B树
4阶B树
5阶B树

(2) 性质

m阶B树的性质(m \geqslant 2)
假设一个节点存储的元素个数为x

  • 根节点:1 \leqslant x \leqslant m - 1
  • 非根节点:\lceil m/2 \rceil - 1 \leqslant x \leqslant m - 1

如果有子节点,子节点个数:y = x + 1

  • 根节点:2 \leqslant y \leqslant m
  • 非根节点:\lceil m/2 \rceil \leqslant y \leqslant m
    比如m = 3,2 \leqslant y \leqslant 3,可称为 (2, 3)树
    比如m = 4,2 \leqslant y \leqslant 4,可称为 (2, 4)树
    比如m = 5,3 \leqslant y \leqslant 5,可称为 (3, 5)树

(3) B树 对比 二叉搜索树

B树 和 二叉搜索树,在逻辑上是等价的

多代节点合并,可得一个超级节点

  • 2代节点合并的超级节点,最多拥有4个子节点(至少是4阶B树)
  • 3代节点合并的超级节点,最多拥有8个子节点(至少是8阶B树)
  • n代节点合并的超级节点,最多拥有2^n 个子节点(至少是2^n 阶B树)
  • m阶B树,最多需要log_2{m} 代合并
二叉搜索树
3阶B树

(4) 上溢

  • 新添加的元素必定是添加到 叶子节点
  • 上溢(overflow):添加时,叶子节点的元素个数超过限制
  • 解决方法:中间元素向上 与父节点合并(可能循环操作)
上溢解决方法

(5) 下溢

  • 真正的删除元素都是发生在 叶子节点中
    情况一:删除叶子节点
    情况二:删除非叶子节点,用前驱或后继节点替代
  • 下溢(underflow):删除时,叶子节点的元素个数低于最低限制(\geqslant \lceil m/2 \rceil - 1)
  • 解决方法:
    情况一:兄弟节点借一个元素,旋转即可
    情况二:兄弟节点无法借元素,父节点向下,与左右子节点合并(可能循环操作)
下溢解决方法一
下溢解决方法二
下溢解决实例

(6) 4阶B树

4阶B树 (2, 3)树 和 红黑树 完美匹配

  • 所有节点能存储的元素个数:1 \leqslant x \leqslant 3
  • 所有非叶子节点的子节点个数:2 \leqslant x \leqslant 4
4阶B树
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