二叉树,B树,B+树

二叉树虽然常见,但作为索引存储存在不足,因此出现了B树。B树利用局部性原理减少磁盘IO,优化查询效率。B+树是B树的变种,现在广泛应用于MySQL等数据库,因其所有查询必须到达叶子节点,性能稳定且支持范围查询,成为理想的索引结构。

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先来看看二叉树
在这里插入图片描述
二叉树是大家熟知的一种树,用它来做索引行不行,可以是可以,但有几个问题:

 1.  如果索引数据很多,树的层次会很高(只有左右两个子节点),数据量大时查询还是会慢 
 2. 二叉树每个节点只存储一个记录,一次查询在树上找的时候花费磁盘IO次数较多

所以它并不适合直接拿来做索引存储,算法设计人员在二叉树的基础之上进行了变种,引入了B树的概念
在这里插入图片描述
如上图可知BTREE有以下特点:

1.不再是二叉搜索,而是N叉搜索,树的高度会降低,查询快
2.叶子节点,非叶子节点,都可以存储数据,且可以存储多个数据
3.通过中序遍历,可以访问树上所有节点

当我们利用索引查询的时候,不可能把整个索引全部加载到内存里,能做的只有逐一加载每一个磁盘页,这里的磁盘页对应着索引树的节点,也就是说索引树越低,我们的进行的磁盘IO数就越少,也就越能提高效率

B树被作为实现索引的数据结构被创造出来,是因为它能够完美的利用“局部性原理”,其设计逻辑是这样的

1.内存读写快,磁盘读写慢,而且慢很多
2.磁盘预读:磁盘读写并不是按需读取,而是按页预读,一次会读一页的数据,每次加载一些看起来是冗余的数据,如果未来要读取的数据就在这一页中,可以避免未来的磁盘读写,提高效率(通常,一页数据是4K)
3.局部性原理:软件设计要尽量遵循“数据读取集中”与“使用到一个数据,大概率会使用其附近的数据”,这样磁盘预读能充分提高磁盘IO效能

早先的MySQL就是使用的BTREE做为索引的数据结构,随着时间推移,B树发生了较多的变种,其中最常见的就是B+TREE变种,现在MySQL用的就是这种,示意如下:
在这里插入图片描述
B+TREE改进点及优势所在:

1. 仍然是N叉树,层级小,非叶子节点不再存储数据,数据只存储在同一层的叶子节点上,B+树从根到每一个节点的路径长度一样,而B树不是这样
2. 叶子之间,增加了链表(图中红色箭头指向),获取所有节点,不再需要中序遍历,使用链表的next节点就可以快速访问到
3. 范围查找方面,当定位min与max之后,中间叶子节点,就是结果集,不用中序回溯(范围查询在SQL中用得很多,这是B+树比B树最大的优势)
4. 叶子节点存储实际记录行,记录行相对比较紧密的存储,适合大数据量磁盘存储;非叶子节点存储记录的PK,用于查询加速,适合内存存储
5. 非叶子节点,不存储实际记录,而只存储记录的KEY的话,那么在相同内存的情况下,B+树能够存储更多索引,意味着B+树比B树更矮,磁盘IO次数越少

用通俗易懂的话,总结B+树的优势

B+树的优势:

1.单一节点存储更多的元素,使得查询的IO次数更少。

2.所有查询都要查找到叶子节点,查询性能稳定。

3.所有叶子节点形成有序链表,便于范围查询。

来自:小灰

### 不同类型结构的特点与区别 #### 二叉树特点 一棵空,或者是具有特定性质的二叉树:如果左子非空,则左子上所有结点的值均小于根结点的值;若右子非空,则右子上所有结点的值均大于根结点的值。而且,左、右子也各自构成二叉排序[^2]。 #### 红黑特性 红黑是一种自平衡二叉搜索,在保持基本二叉搜索特性的基础上引入了颜色标记(红色或黑色),并通过一系列严格规定来确保任何路径从根到叶节点所经过的黑色节点数目相同,以此维持近似平衡状态,从而保障操作时间复杂度接近对数级O(log N)[^1]。 #### B特征 作为一种多路查找,B通过允许每个内部节点拥有多个键值以及两个以上的孩子节点实现了更高效的磁盘读写优化。具体而言,B能够保证任意一条由根至叶子节点路径上的节点数量大致相等,并且支持动态调整以维护这种平衡性,进而使各种操作的时间复杂度稳定在O(log N)范围内[^4]。 #### B+特色 作为B的一种变体,B+不仅继承了前者的优势,还进一步改进了范围查询性能——所有的关键字都存储在叶子层中形成有序链表连接起来,这使得区间扫描变得非常高效。此外,由于非叶子节点仅保存用于索引引导的信息而不含实际数据项,因此可以容纳更多指针指向其他下一层节点,提高了扇出率并减少了访问次数。 ```python class Node: def __init__(self, value=None): self.value = value self.left_child = None self.right_child = None def insert(root, key): if not root: return Node(key) elif key < root.value: root.left_child = insert(root.left_child, key) else: root.right_child = insert(root.right_child, key) # Code continues with balancing logic... ```
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