y数据库索引之树波

B+ 树是一种树型数据结构,通常用于数据库和操作系统的文件系统中。B+ 树的特点是能够保持数据稳定有序,其插入与修改操作拥有较稳定的对数时间复杂度。B+ 树元素自底向上插入,这与二叉树恰好相反。  B+ 树的创造者Rudolf Bayer没有解释B代表什么。最常见的观点是B代表平衡(balanced),因为所有的叶子节点在树中都在相同的级别上。B也可能代表Bayer,或者是波音(Boeing),因为他曾经工作于波音科学研究实验室

1)B+树的节点  在 B+ 树中的节点通常被表示为一组有序的元素和子指针。如果此B+树的序数(order)是m ,则除了根之外的每个节点都包含最少 [m/2] 个元素最多 [m-1] 个元素,对于任意的节点有最多 m 个子指针。对于所有内部节点,子指针的数目总是比元素的数目多一个.

2)B+树相应的操作

1.查找

2.插入

3.删除

3)B+树的特点

1.每个节点中子节点的个数不能超过 m,也不能小于 m/2;    2.根节点的子节点个数可以不超过 m/2,这是一个例外;

B+ 树中的节点不存储数据,只是索引,而 B 树中的节点存储数据;    B 树中的叶子节点并不需要链表来串联。也就是说,B 树只是一个每个节点的子节点个数不能小于 m/2 的 m 叉树

二、MySQL数据库索引为啥使用B+树作为底层数据结构

1)明确数据库索引是解决什么问题的

这里举最常用的两个功能性需求:

1.根据某个值查找数据,比如 select * from user where id=1234;

2.根据区间值来查找某些数据,比如 select * from user where id > 1234 and id < 2345;然后是非功能性需求比如性能方面的:

在执行效率方面,我们希望通过索引,查询数据的效率尽可能的高;在存储空间方面,我们希望索引不要消耗太多的内存空间。

2)明确了待解决的问题,然后就是用已知的数据结构解决问题

我们已知的支持快速查询、插入等操作的动态数据结构有:散列表、平衡二叉查找树、跳表、B+树

1.散列表 (不满足)

3.跳表(满足)

跳表是在链表之上加上多层索引构成的。它支持快速地插入、查找、删除数据,对应的时间复杂度是 O(logn)。并且,跳表也支持按照区间快速地查找数据。我们只需要定位到区间起点值对应在链表中的结点,然后从这个结点开始,顺序遍历链表,直到区间终点对应的结点为止,这期间遍历得到的数据就是满足区间值的数据。

4.B+树 (满足)

B+树这种数据结构跟跳表非常相似,所以适合做数据库索引。不过,它是通过二叉查找树演化过来的,而非跳表。

3)确定使用B+树后,那么如何解决索引占用太多内存的问题呢?

因为作为数据库索引,存储的数据可能非常的大,比如给一亿个数据构建索引,那索引中会包含大约 1 亿个节点,每个节点假设占用 16 个字节,那就需要大约 1GB 的内存空间。给一张表建立索引,我们需要 1GB 的内存空间。如果我们要给 10 张表建立索引,那对内存的需求是无法满足的。

那么我们就需要借助空间换时间的思路,把索引存储在硬盘中,而非内存中。我们都知道,硬盘是一个非常慢速的存储设备。通常内存的访问速度是纳秒级别的,而磁盘访问的速度是毫秒级别的。读取同样大小的数据,从磁盘中读取花费的时间,是从内存中读取所花费时间的上万倍,甚至几十万倍。

将索引存储在硬盘中后,尽管减少了内存消耗,但是在数据查找的过程中,需要读取磁盘中的索引,因此数据查询效率就相应降低很多。对于B+树来说,每个节点的读取(或者访问),都对应一次磁盘 IO 操作。树的高度就等于每次查询数据时磁盘 IO 操作的次数。我们优化的重点就是尽量减少磁盘 IO 操作,也就是,尽量降低树的高度。

4)为了提高B+树索引的效率,那么如何降低树的高度?  对于B+树来说,其实可以看做是 m 叉树,那么树的高度就取决于 m 的大小。比如给 16 个数据构建二叉树索引,树的高度是 4,查找一个数据,就需要 4 个磁盘 IO 操作(如果根节点存储在内存中,其他结点存储在磁盘中),如果对 16 个数据构建五叉树索引,那高度只有 2,查找一个数据,对应只需要 2 次磁盘操作。如果 m 叉树中的 m 是 100,那对一亿个数据构建索引,树的高度也只是 3,最多只要 3 次磁盘 IO 就能获取到数据。磁盘 IO 变少了,查找数据的效率也就提高了。

m越大,树的高度就越小,那么m是不是越大越好呢?不是,不管是内存中的数据,还是磁盘中的数据,操作系统都是按页(一页大小通常是 4KB,这个值可以通过 getconfig PAGE_SIZE 命令查看)来读取的,一次会读一页的数据。如果要读取的数据量超过一页的大小,就会触发多次 IO 操作。所以,我们在选择 m 大小的时候,要尽量让每个节点的大小等于一个页的大小。读取一个节点,只需要一次磁盘 IO 操作。

5)索引的使用也会导致写入数据效率的下降

尽管索引可以提高数据库的查询效率,但是,作为一名开发工程师,你应该也知道,索引有利也有弊,它也会让写入数据的效率下降

THE END
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