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B+樹的資料結構理解

B+樹的結構示意圖:


如上圖,是一顆b+樹,關於b+樹的定義可以參見B+樹,淺藍色的塊我們稱之為一個磁碟塊,可以看到每個磁碟塊包含幾個資料項(深藍色所示)和指標(黃色所示),如磁碟塊1包含資料項17和35,包含指標P1、P2、P3,P1表示小於17的磁碟塊,P2表示在17和35之間的磁碟塊,P3表示大於35的磁碟塊。真實的資料存在於葉子節點即3、5、9、10、13、15、28、29、36、60、75、79、90、99。非葉子節點只不儲存真實的資料,只儲存指引搜尋方向的資料項,如17、35並不真實存在於資料表中。

###b+樹的查詢過程

如圖所示,如果要查詢資料項29,那麼首先會把磁碟塊1由磁碟載入到記憶體,此時發生一次IO,在記憶體中用二分查詢確定29在17和35之間,鎖定磁碟塊1的P2指標,記憶體時間因為非常短(相比磁碟的IO)可以忽略不計,通過磁碟塊1的P2指標的磁碟地址把磁碟塊3由磁碟載入到記憶體,發生第二次IO,29在26和30之間,鎖定磁碟塊3的P2指標,通過指標載入磁碟塊8到記憶體,發生第三次IO,同時記憶體中做二分查詢找到29,結束查詢,總計三次IO。真實的情況是,3層的b+樹可以表示上百萬的資料,如果上百萬的資料查詢只需要三次IO,效能提高將是巨大的,如果沒有索引,每個資料項都要發生一次IO,那麼總共需要百萬次的IO,顯然成本非常非常高。

###b+樹性質
1.通過上面的分析,我們知道IO次數取決於b+數的高度h,假設當前資料表的資料為N,每個磁碟塊的資料項的數量是m,則有h=㏒(m+1)N,當資料量N一定的情況下,m越大,h越小;而m = 磁碟塊的大小 / 資料項的大小,磁碟塊的大小也就是一個數據頁的大小,是固定的,如果資料項佔的空間越小,資料項的數量越多,樹的高度越低。這就是為什麼每個資料項,即索引欄位要儘量的小,比如int佔4位元組,要比bigint8位元組少一半。這也是為什麼b+樹要求把真實的資料放到葉子節點而不是內層節點,一旦放到內層節點,磁碟塊的資料項會大幅度下降,導致樹增高。當資料項等於1時將會退化成線性表。

2.當b+樹的資料項是複合的資料結構,比如(name,age,sex)的時候,b+數是按照從左到右的順序來建立搜尋樹的,比如當(張三,20,F)這樣的資料來檢索的時候,b+樹會優先比較name來確定下一步的所搜方向,如果name相同再依次比較age和sex,最後得到檢索的資料;但當(20,F)這樣的沒有name的資料來的時候,b+樹就不知道下一步該查哪個節點,因為建立搜尋樹的時候name就是第一個比較因子,必須要先根據name來搜尋才能知道下一步去哪裡查詢。比如當(張三,F)這樣的資料來檢索時,b+樹可以用name來指定搜尋方向,但下一個欄位age的缺失,所以只能把名字等於張三的資料都找到,然後再匹配性別是F的資料了, 這個是非常重要的性質,即索引的最左匹配特性。