B-树 C++模板类封装

定义：

一棵m阶B-树是拥有以下性质的多路查找树：

1、非叶子结点的根结点至少拥有两棵子树；

2、每一个非根且非叶子的结点含有k－1个关键字以及k个子树，其中⌈m/2⌉≤k≤m；

3、每一个叶子结点都具有k－1个关键字，其中⌈m/2⌉≤k≤m；

4、key[i]和key[i+1]之间的孩子节点的值介于key[i]、key[i+1]之间

5、所有的叶子结点都在同一层。

ps： ⌈m/2⌉是向上取整

建立B-树的节点：

template
struct BTreeNode
{
    K _key[M];  //关键字 (有效关键字个数为M-1)
    BTreeNode* _sub[M + 1]; //链接子树的指针数组
    size_t _size;       //节点中关键字的个数
    BTreeNode* _parent; //指向父节点的指针
 
    BTreeNode()
        :_size(0)
        , _parent(NULL)
    {
        for (size_t i = 0; i < M + 1; i++)
        {
            _sub[i] = NULL;
        }
    }
};

插入数据key：

 M阶B树--M=3：

用例 {53, 75, 139, 49, 145, 36, 101};

 

根据上面这些图，依次插入这些数据时的变化一目了然。现在就来看代码：

在插入一个数据前，我们首先要找到你要插入的位置，这里实现一个find函数寻找插入点，辅助插入数据key；

但是这里find函数的返回值该如何处理？bool或int都不行，这两个都不能满足我们的要求。BTreeNode类型也不太合适，找到key就返回该节点无可厚非；但是如果你查找的时候已经遍历到NULL了，说明没有找到数据key，这时候难道返回NULL吗？显然不合适，要插入的位置不能是NULL，这时候应该返回的是当前NULL的父亲结点，也就是我要插入数据的位置了。

那么找到就返回该节点以及该数据所在的关键字数组的下标，未找到就返回-1及父节点，这里我们可以将将它们封装起来，如下：

template
struct Pair
{
    K _first;
    V _second;
     
    Pair(const K &k = K(), const V& v = V())
        :_first(k)
        , _second(v)
    {}
};

返回值类型确定好的，其它的就好办了：

查找函数思想:

遍历关键字数组_key[]，如果key比它小就 ++i 并继续往后遍历
1.如果key=_key[i]则停止遍历，返回该结构体节点
2.如果key比它大则停止遍历，此时的子树_sub[i]指向的关键字数组的所有数据都是介于_key[i-1]和_key[i]之间的数据，我们要找的key或许就在其中
3.如果跳出循环则未找到该数据cur=NULL，返回cur的父节点；这时候若是插入key，就插入到parent指向的关键字数组中

   //递归查找key
Pair*, int> Find(const K& key)
{
    BTreeNode* parent=NULL;
    BTreeNode* cur=_root;
     
    while (cur!=NULL)
    {
        size_t i = 0;
        while (i < cur->_size&&cur->_key[i] < key)
            ++i;
        if (cur->_key[i] == key)
            return Pair*, int>(cur, i);
        // key<_key[i] 则走向与key[i]下标相同的子树
        parent = cur;
        cur = cur->_sub[i];
    }
    return Pair*, int>(parent, -1);
}

找到位置后，就可以插入该数据key了

分情况：

1.B-树为NULL

2.B-树中已经存在key

3.B-树中不存在key，先把key以插入排序的方式插入到关键字数组中，判断该关键字数组是否已满，满了就要进行分裂。注意，这里的分裂有时可能不止一次！

//插入数据
    bool Insert(K& key)
    {
        // 1.B-树为空
        if (NULL == _root)
        {
            _root = new BTreeNode;
            _root->_key[0] = key;
            ++_root->_size;
            return true;
        }
 
        Pair*, int> ret = Find(key);
        // 2.该数据已经存在
        if (ret._second != -1) 
            return false;
 
        // 3.插入数据到关键字数组
        BTreeNode* cur = ret._first;
        BTreeNode* sub = NULL;
        while (1)
        {
            int i = 0;
            for ( i = cur->_size - 1; i >= 0; )
            { // 把大数往后挪，对应子树也要进行挪动
                if (cur->_key[i] > key)
                {
                    cur->_key[i + 1] = cur->_key[i];
                    cur->_sub[i + 2] = cur->_sub[i + 1];
                    i--;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
            cur->_key[i + 1] = key;
            cur->_sub[i + 2] = sub;
            if (sub!=NULL)
                cur->_sub[i+2]->_parent = cur;
            cur->_size++;
 
            //关键字数组未满，插入成功
            if (cur->_size < M)
                return true;
 
            //关键字数组已满，需要进行分裂
            int mid = M / 2;
            BTreeNode* tmp = new BTreeNode;
            int index = 0;
            size_t k;
 
            for ( k = mid + 1; k < cur->_size; k++)
            {
                tmp->_key[index] = cur->_key[k];
                if (cur->_sub[k] != NULL)
                {
                    tmp->_sub[index] = cur->_sub[k];
                    cur->_sub[k] = NULL;
                    tmp->_sub[index]->_parent = tmp;
                }
                tmp->_size++;
                cur->_size--;
                index++;
            }
            if (cur->_sub[k] != NULL)
            {
                tmp->_sub[index] = cur->_sub[k];
                cur->_sub[k] = NULL;
                tmp->_sub[index]->_parent = tmp;
            }
            //父节点为空时的链接
            if (cur->_parent == NULL)
            {
                _root = new BTreeNode;
                _root->_key[0] = cur->_key[mid];
                cur->_size--;
                _root->_sub[0] = cur;
                _root->_sub[1] = tmp;
                _root->_size++;
                 
                //链接
                tmp->_parent = _root;
                cur->_parent = _root;
                return true;
            }
            //父节点不为空时的链接
            key = cur->_key[mid];
            cur->_size--;
            cur = cur->_parent;
            sub = tmp;
        }
    }