二叉树 平衡树 搜索树 AVL树 红黑树 B树 B+树

 二叉树 平衡树 搜索树 AVL树 红黑树 B树 B+树 的由来和作用,有什么区别。

数据库索引结构为啥必须用B+树?

目录

平衡树

搜索树

AVL树

红黑树

B树

B树是多路平衡搜索树

磁盘IO与预读

B+树

为什么说B+树比B树更适合数据库索引?


平衡树

平衡树就是二叉树的最深节点和最浅节点深度不能大于1,主要目的保证这棵树各个节点深度相差不大,不会退化成链表。

搜索树

二叉树 平衡树 搜索树 AVL树 红黑树 B树 B+树_第1张图片

搜索树(BST,Binary search tree),搜索树的中序遍历是一个递增的数组,目的是实现对每一个元素的二分查找,时间复杂度O(logn)。但是最坏情况下二叉树退化为链表,那么时间复杂度就是O(n)。

AVL树

AVL树是平衡搜索树 = 平衡树+搜索树,算是对搜索树的改进,目的是保证搜索树的搜索效率,不会退化为链表。

平衡搜索树-AVLTree_YAIMZA的博客-CSDN博客_平衡搜索树

红黑树

红黑树是AVL树的进阶版,因为AVL树在频繁插入删除数据的时候,为了保证平衡,需要频繁进行调整,这样使得AVL树的效率变低,红黑树保持平衡的算法比AVL树更有效率。

B树

B树是多路平衡搜索树

二叉树 平衡树 搜索树 AVL树 红黑树 B树 B+树_第2张图片

B树是多路平衡搜索树,应用在数据库中,因为数据量很庞大,如果是二叉,那么深度很大,使得搜索效率降低(数据库的每次搜索需要去磁盘加载到内存里面,而平常我们写的二分搜索都是在内存中,前者耗费的时间是后者的十万倍)。所以目的是减少磁盘IO的次数。

不仅如此,计算机从磁盘读取数据时以页(4KB)为单位的,每次读取4096byte。平衡二叉树每个节点只保存了一个关键字(如int即4byte),浪费了4092byte,极大的浪费了读取空间。

磁盘IO与预读

B树、B+树详解 - Assassinの - 博客园

  计算机存储设备一般分为两种:内存储器(main memory)和外存储器(external memory)。 

  内存储器为内存,内存存取速度快,但容量小,价格昂贵,而且不能长期保存数据(在不通电情况下数据会消失)。

  外存储器即为磁盘读取,磁盘读取数据靠的是机械运动,每次读取数据花费的时间可以分为寻道时间、旋转延迟、传输时间三个部分,寻道时间指的是磁臂移动到指定磁道所需要的时间,主流磁盘一般在5ms以下;旋转延迟就是我们经常听说的磁盘转速,比如一个磁盘7200转,表示每分钟能转7200次,也就是说1秒钟能转120次,旋转延迟就是1/120/2 = 4.17ms;传输时间指的是从磁盘读出或将数据写入磁盘的时间,一般在零点几毫秒,相对于前两个时间可以忽略不计。那么访问一次磁盘的时间,即一次磁盘IO的时间约等于5+4.17 = 9ms左右,听起来还挺不错的,但要知道一台500 -MIPS的机器每秒可以执行5亿条指令,因为指令依靠的是电的性质,换句话说执行一次IO的时间可以执行40万条指令,数据库动辄十万百万乃至千万级数据,每次9毫秒的时间,显然是个灾难。

      考虑到磁盘IO是非常高昂的操作,计算机操作系统做了一些优化,当一次IO时,不光把当前磁盘地址的数据,而是把相邻的数据也都读取到内存缓冲区内,因为局部预读性原理告诉我们,当计算机访问一个地址的数据的时候,与其相邻的数据也会很快被访问到。每一次IO读取的数据我们称之为一页(page)。具体一页有多大数据跟操作系统有关,一般为4k或8k,也就是我们读取一页内的数据时候,实际上才发生了一次IO,这个理论对于索引的数据结构设计非常有帮助。

事实1 : 不同容量的存储器,访问速度差异悬殊。

  • 磁盘(ms级别) << 内存(ns级别), 100000倍
  • 若内存访问需要1s,则一次外存访问需要一天
  • 为了避免1次外存访问,宁愿访问内存100次...所以将最常用的数据存储在最快的存储器中

事实2 : 从磁盘中读 1 B,与读写 1KB 的时间成本几乎一样

从以上数据中可以总结出一个道理,索引查询的数据主要受限于硬盘的I/O速度,查询I/O次数越少,速度越快,所以B树的结构才应需求而生;B树的每个节点的元素可以视为一次I/O读取,树的高度表示最多的I/O次数,在相同数量的总元素个数下,每个节点的元素个数越多,高度越低,查询所需的I/O次数越少;假设,一次硬盘一次I/O数据为8K,索引用int(4字节)类型数据建立,理论上一个节点最多可以为2000个元素,2000*2000*2000=8000000000,80亿条的数据只需3次IO(理论值),可想而知,B树做为索引的查询效率有多高;

B+树

二叉树 平衡树 搜索树 AVL树 红黑树 B树 B+树_第3张图片

为什么说B+树比B树更适合数据库索引?

1)B+树的磁盘读写代价更低

  B+树的内部结点并没有指向关键字具体信息的指针。因此其内部结点相对B 树更小。如果把所有同一内部结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。一次性读入内存中的需要查找的关键字也就越多。相对来说IO读写次数也就降低了;

2)B+树查询效率更加稳定

  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+树便于范围查询(最重要的原因,范围查找是数据库的常态

  B树在提高了IO性能的同时并没有解决元素遍历的效率低下的问题,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;不懂可以看看这篇解读-》范围查找

参考:

二叉树、平衡二叉树、红黑树、B树、B+树与B*树 - 简书

B树、B+树详解 - Assassinの - 博客园
平衡二叉树、B树、B+树、B*树 理解其中一种你就都明白了 - 知乎

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