b+树详解,代码实例

时间: 2024-06-18 18:05:33 浏览: 196
B+树是一种常用的数据结构,它可以在磁盘上高效地存储和检索数据。B+树是一种平衡树,它的每个非叶子节点可以有多个子节点,而且每个子节点都存储着一定范围内的关键字。 B+树的特点如下: 1. 所有数据都存储在叶子节点中,非叶子节点只存储索引信息。 2. 叶子节点之间是有序的,并且形成了一个链表,可以支持范围查询和顺序访问。 3. 非叶子节点中的索引信息是有序的,并且可以通过索引信息快速定位到对应的叶子节点。 4. B+树的每个节点都至少包含 t 个关键字,其中 t 是一个常数(通常取值为2-4)。 B+树的插入和删除操作比较复杂,需要进行分裂和合并等操作来保证树的平衡性。下面是B+树的插入和删除过程: 插入操作: 1. 如果树为空,则新建一个叶子节点并插入关键字。 2. 如果插入的位置在叶子节点中,则直接插入关键字,并保持叶子节点有序。 3. 如果插入的位置在非叶子节点中,则递归地将关键字插入到对应的子节点中。 4. 如果插入后导致节点关键字数目超过了 t,则进行分裂操作,并将分裂后的两个节点插入到父节点中。 删除操作: 1. 如果要删除的关键字在叶子节点中,则直接删除,并保持叶子节点有序。 2. 如果要删除的关键字在非叶子节点中: - 如果对应子节点中的关键字数量大于 t,则找到前驱或后继关键字替换,并递归删除替换后的关键字。 - 如果对应子节点中的关键字数量等于 t,则进行合并操作,并递归删除合并后的关键字。 3. 如果删除导致某个节点的关键字数量小于 t/2,则进行合并操作,并将合并后的节点插入到父节点中。 下面是一个简单的B+树实现代码(仅供参考): ```c++ struct Node { bool isLeaf; int numKeys; int keys[MAX_KEYS]; Node* children[MAX_CHILDREN]; Node* next; }; Node* createNode(bool isLeaf) { Node* node = new Node; node->isLeaf = isLeaf; node->numKeys = 0; node->next = NULL; for (int i = 0; i < MAX_KEYS; i++) { node->keys[i] = 0; } for (int i = 0; i < MAX_CHILDREN; i++) { node->children[i] = NULL; } return node; } Node* search(Node* node, int key) { if (node == NULL) { return NULL; } int i = 0; while (i < node->numKeys && key > node->keys[i]) { i++; } if (node->isLeaf && i < node->numKeys && key == node->keys[i]) { return node; } return search(node->children[i], key); } void split(Node* parent, int pos, Node* child) { Node* newChild = createNode(child->isLeaf); newChild->numKeys = MAX_KEYS / 2; for (int i = 0; i < newChild->numKeys; i++) { newChild->keys[i] = child->keys[i + MAX_KEYS / 2]; } if (!child->isLeaf) { for (int i = 0; i < MAX_CHILDREN / 2; i++) { newChild->children[i] = child->children[i + MAX_CHILDREN / 2]; } } child->numKeys = MAX_KEYS / 2; for (int i = parent->numKeys; i > pos; i--) { parent->children[i + 1] = parent->children[i]; parent->keys[i] = parent->keys[i - 1]; } parent->children[pos + 1] = newChild; parent->keys[pos] = newChild->keys; parent->numKeys++; } void insert(Node*& root, int key) { if (root == NULL) { root = createNode(true); root->keys = key; root->numKeys++; return; } Node* node = root; Node* parent = NULL; int pos = -1; while (!node->isLeaf) { parent = node; pos = -1; for (int i = 0; i < node->numKeys; i++) { if (key >= node->keys[i]) { pos = i; } else { break; } } if (pos == -1) { node = node->children; } else { node = node->children[pos + 1]; } } pos = -1; for (int i = 0; i < node->numKeys; i++) { if (key == node->keys[i]) { return; } else if (key > node->keys[i]) { pos = i; } else { break; } } for (int i = node->numKeys; i > pos + 1; i--) { node->keys[i] = node->keys[i - 1]; } node->keys[pos + 1] = key; node->numKeys++; if (node->numKeys == MAX_KEYS) { if (parent == NULL) { parent = createNode(false); root = parent; parent->children = node; } split(parent, pos, node); } } void merge(Node* parent, int pos, Node* left, Node* right) { left->keys[left->numKeys++] = parent->keys[pos]; for (int i = 0; i < right->numKeys; i++) { left->keys[left->numKeys++] = right->keys[i]; } if (!left->isLeaf) { for (int i = 0; i < right->numKeys; i++) { left->children[left->numKeys + i] = right->children[i]; } } left->next = right->next; delete right; for (int i = pos; i < parent->numKeys - 1; i++) { parent->children[i + 1] = parent->children[i + 2]; parent->keys[i] = parent->keys[i + 1]; } parent->numKeys--; } void remove(Node*& root, int key) { if (root == NULL) { return; } Node* node = root; Node* parent = NULL; int pos = -1; while (!node->isLeaf) { parent = node; pos = -1; for (int i = 0; i < node->numKeys; i++) { if (key >= node->keys[i]) { pos = i; } else { break; } } if (pos == -1) { node = node->children; } else { node = node->children[pos + 1]; } } pos = -1; for (int i = 0; i < node->numKeys; i++) { if (key == node->keys[i]) { pos = i; break; } } if (pos == -1) { return; } for (int i = pos; i < node->numKeys - 1; i++) { node->keys[i] = node->keys[i + 1]; } node->numKeys--; if (node == root) { // root is a leaf return; } while (node != root && node != NULL && node->numKeys < MAX_KEYS / 2) { int leftPos = -1, rightPos = -1; for (int i = 0; i <= parent->numKeys; i++) { if (parent->children[i] == node) { leftPos = i - 1; rightPos = i + 1; break; } } Node *leftChild, *rightChild; bool flagLeftOverFlow, flagRightOverFlow; if (leftPos >= 0) { // has left sibling leftChild = parent->children[leftPos]; flagLeftOverFlow = leftChild != NULL && leftChild != NULL && leftChild->numKeys > MAX_KEYS / 2; // whether left sibling can // afford one key if (!flagLeftOverFlow && leftPos >= 0 && rightPos <= parent->numKeys) { // merge with left sibling merge(parent, leftPos, leftChild, node); node = leftChild; // after merge, the current position is the new merged child continue; } } else { // no left sibling flagLeftOverFlow = false; // this flag is set to false to ensure that it will not trigger merge operation with left sibling later leftChild = NULL; // leftChild is set to NULL to avoid using it later } if (rightPos <= parent->numKeys) { // has right sibling rightChild = parent ->children[rightPos]; // after merge operation with left sibling, right sibling could have been moved to the current position // therefore, rightPos should be calculated again flagRightOverFlow = rightChild != NULL && rightChild != NULL && rightChild ->numKeys > MAX_KEYS / 2; // whether right sibling can afford one key if (!flagRightOverFlow && leftPos >= 0 && rightPos <= parent->numKeys) { // merge with right sibling merge(parent, leftPos, node, rightChild); node = leftChild; // after merge, the current position is the new merged child continue; } } else { // no right sibling flagRightOverFlow = false; // this flag is set to false to ensure that it will not trigger merge operation with right sibling later rightChild = NULL; // rightChild is set to NULL to avoid using it later } if (flagLeftOverFlow || flagRightOverFlow) { // borrow from sibling and update parent's keys if (flagLeftOverFlow && (!flagRightOverFlow || leftChild ->numKeys > rightChild ->numKeys)) { // prefer borrowing from left sibling for (int i = node ->numKeys - 1; // move current keys to make room for borrowed key from sibling i >= 0; --i) { node ->keys[i + 1] = node ->keys[i]; } if (!node ->isLeaf) { // move children accordingly for non-leaf nodes for (int i = node-> numKeys - 1; i >= 0; --i) { node ->children[i + 2] = node-> children[i + 1]; } node ->children = leftChild-> children[leftChild-> numKeys + 1]; ++node-> numKeys; leftChild-> children[leftChild-> numKeys + 1] = NULL; --leftChild-> numKeys; parent-> keys[leftPos] = leftChild-> keys[leftChild-> numKeys - 1]; leftChild-> keys[leftChild-> numKeys - 1] = 0; continue; } else { // leaf nodes need to update next pointer as well ++node-> numKeys; int newKeyIndex = --leftChild-> numKeys; parent-> keys[leftPos] = leftChild-> keys[newKeyIndex]; ++node-> numKeys; node ->next = leftChild-> next; leftChild-> next = node; continue; } } else { // borrow from right sibling or its children if (!node-> isLeaf) { // move children accordingly for non-leaf nodes ++node-> numKeys; int newKeyIndex = ++node-> numKeys; if (newKeyIndex >= MAX_KEYS) newKeyIndex--; node ->children[newKeyIndex + 1] = rightChild-> children; parent-> keys[rightPos - 1] = rightChild-> keys; ++rightChild-> numKeys; for (int k = 0; k < rightChild-> numKeys - 1; ++k) rightChild-> keys[k] = rightChild-> keys[k + 1]; for (int k = 0; k < rightChild-> numKeys + 1; ++k) rightChild-> children[k] = rightChild-> children[k + 1]; --rightChild-> numKeys; continue; } else { // leaf nodes need to update next pointer as well ++node-> numKeys; int newKeyIndex = ++node-> numKeys; if (newKeyIndex >= MAX_KEYS) newKeyIndex--; node ->keys[newKeyIndex - 1] = rightChild-> keys; ++rightChild-> numKeys; for (int k = 0; k < rightChild-> numKeys - 1; ++k) rightChild-> keys[k] = rightChild-> keys[k + 1]; --rightChild-> numKeys; parent-> keys[rightPos - 1] = rightChild-> keys; continue; } } } break; } } ```
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