B树、B+树区别,索引为何使用B+树

Posted by JimWang on 2021-02-21

B树、B+树区别,索引为何使用B+树

B树

描述一颗B树时需要指定它的阶数,阶数表示了一个结点最多有多少个孩子结点,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。

一颗m阶的B树定义如下:
1)每个结点最多有m-1个关键字。
2)根结点最少可以只有1个关键字。
3)非根结点至少有Math.ceil(m/2)-1个关键字。
4)每个结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,而右子树中的所有关键字都大于它。
5)所有叶子结点都位于同一层,或者说根结点到每个叶子结点的长度都相同。

下图为4阶B树

一个节点可以最多保存3个(4-1)数据.并且非根节点,每个节点至少要有3/2向上取整-1个数据。

B+树

  1. 有n个子节点的非叶子结点中含有n个关键字(b树是n-1个),这里不同地方的说法不同,也可能是n-1个。与B树保持一致,这些关键字不保存数据,只用来索引,所有数据都保存在叶子节点(b树是每个关键字都保存数据);
  2. 所有的叶子结点中包含了全部关键字的信息,及指向含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顺序链接;
  3. 所有的非叶子结点可以看成是索引部分,结点中仅含其子树中的最大(或最小)关键字;
  4. 通常在b+树上有两个头指针,一个指向根结点,一个指向关键字最小的叶子结点;
  5. 同一个数字会在不同节点中重复出现,根节点的最大元素就是b+树的最大元素。

索引为什么用B+树,而不是B树

B+树的非叶子结点只包含导航信息,不包含实际的值,所有的叶子结点和相连的节点使用链表相连,便于区间查找和遍历。

B+ 树的优点在于:

IO次数更少:由于B+树在内部节点上不包含数据信息,因此在内存页中能够存放更多的key。 数据存放的更加紧密,具有更好的空间局部性。因此访问叶子节点上关联的数据也具有更好的缓存命中率。

遍历更加方便:B+树的叶子结点都是相链的,因此对整棵树的遍历只需要一次线性遍历叶子结点即可。而且由于数据顺序排列并且相连,所以便于区间查找和搜索。而B树则需要进行每一层的递归遍历。相邻的元素可能在内存中不相邻,所以缓存命中性没有B+树好。

B树的优点

  • 由于节点就存了数据,所以不需要访问到叶子节点,访问更迅速。

原因

1、 B+树的磁盘读写代价更低:B+树的内部节点并没有指向关键字具体信息的指针,因此其内部节点相对B树更小,如果把所有同一内部节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,一次性读入内存的需要查找的关键字也就越多,相对IO读写次数就降低了。

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。

3、B+树更便于遍历:由于B+树的数据都存储在叶子结点中,分支结点均为索引,方便扫库,只需要扫一遍叶子结点即可,但是B树因为其分支结点同样存储着数据,我们要找到具体的数据,需要进行一次中序遍历按序来扫,所以B+树更加适合在区间查询的情况,所以通常B+树用于数据库索引。数据都在叶子节点,叶子节点又有额外的指针相连,所以区间查询以及遍历更容易

4、B+树更适合基于范围的查询:B树在提高了IO性能的同时并没有解决元素遍历的我效率低下的问题,正是为了解决这个问题,B+树应用而生。B+树只需要去遍历叶子节点就可以实现整棵树的遍历。而且在数据库中基于范围的查询是非常频繁的,而B树不支持这样的操作或者说效率太低。