红黑树、2-3树、B-树、B+树、B*树概念整理

古城微笑少年丶 2022-01-22 23:43 1704阅读 0赞

# 红黑树 #

红黑树是在普通二叉树上，对没个节点添加一个颜色属性形成的，红黑树需要满足以下五条性质：  
**1.每一个结点有两种颜色属性：红和黑**

**2.根结点永远是黑色的**

**3.所有叶结点都是黑色的（NIL结点，但 Java 实现的红黑树将使用 null 来代表空节点，因此遍历红黑树时将看不到黑色的叶子节点，反而看到每个叶子节点都是红色的。）**

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**4.每个红色节点必须有两个黑色的子节点。（从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点。）**

就是连续的两个节点不能是连续的红色，连续的两个节点的意思就是父节点与子节点不能是连续的红色。

**5.任意结点到叶子结点经过的黑色结点的数目是一致的**

# 2-3树 #

2-3树是最简单的B-树（或-树）结构，其每个非叶节点都有两个或三个子女，而且所有叶都在统一层上。2-3树不是二叉树，其节点可拥有3个孩子。不过，2-3树与满二叉树相似。

概念：   
1、2-3树是这样的一棵多路查找树：其中的每一个结点都具有两个孩子（我们称它为2结点）或三个孩子（我们称它为3结点）。

2、一个2结点包含一个元素和两个孩子（或没有孩子），且与二叉排序树类似，左子树包含的元素小于该元素，右子树包含的元素大于该元素。不过，与二叉排序树不同的是，这个2结点要么没有孩子，要有就有两个，不能只有一个孩子。

3、一个3结点包含一小一大两个元素和三个孩子（或没有孩子），一个3结点要么没有孩子，要么具有3个孩子。如果某个3结点有孩子的话，左子树包含小于较小元素的元素，右子树包含大于较大元素的元素，中间子树包含介于两元素之间的元素。

4、并且2-3树中所有的叶子都在同一层次上。   
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# 2-3-4树 #

2-3-4树是2-3树的概念扩展，包括了4结点的使用。一个4结点包含小中大三个元素和四个孩子（或没有孩子），一个4结点要么没有孩子，要么具有4个孩子。如果某个4结点右孩子的话，左子树包含小于最小元素的元素；第二个子树包含大于最小元素，小于第二元素的元素；第三字数包含书大于第二元素，小于最大元素的元素；右子树包含大于最大元素的元素。

# B-树 #

（注意这不是B减树，也根本没有B减树，这只是一个“-”，这就是B树）B树是一种平衡的多路查找树，2-3树和2-3-4树都是B树的特例。结点最大的孩子数目称为B树的阶，因此2-3树是3阶B树，2-3-4树是4阶B树。

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**三阶B-树**

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B-树的搜索，从根结点开始，对结点内的关键字（有序）序列进行二分查找，如果命中则结束，否则进入查询关键字所属范围的儿子结点；重复，直到所对应的儿子指针为空，或已经是叶子结点；

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# B+树 #

B+树是B-树的变体，也是一种多路搜索树：

1.其定义基本与B-树同，除了：

2.非叶子结点的子树指针与关键字个数相同；

3.非叶子结点的子树指针P\[i\]，指向关键字值属于\[K\[i\], K\[i+1\])的子树

（B-树是开区间）；

5.为所有叶子结点增加一个链指针；

6.所有关键字都在叶子结点出现；

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B+的特性：

1.所有关键字都出现在叶子结点的链表中（稠密索引），且链表中的关键字恰好

是有序的；

2.不可能在非叶子结点命中；

3.非叶子结点相当于是叶子结点的索引（稀疏索引），叶子结点相当于是存储

（关键字）数据的数据层；

4.更适合文件索引系统；

对于树结构来说，我们都可以通过中序遍历来顺序查找树中的元素，这一切都是在内存中进行。

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# B-树和B+树的区别 #

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如果要随机查找，我们就从根结点出发，与B树的查找的方式不同，只不过即使在分支结点找到了待查找的关键字，它也只是用来索引的，不能提供实际记录的访问，还是需要到达包含此关键字的终端结点。

如果我们是需要从最小关键字进行从小到大的顺序查找，我们就可以从最左侧的叶子结点出发，不经过分支结点，而是延着指向下一叶子的指针就可遍历所有的关键字。** **  
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B/B+树通过对每个节点存储个数的扩展，使得对连续的数据能够进行较快的定位和访问，能够有效减少查找时间，提高存储的空间局部性从而减少IO操作。他广泛用于文件系统及数据库中，如：

Windows：HPFS文件系统   
Mac：HFS，HFS+文件系统   
Linux：ResiserFS，XFS，Ext3FS，JFS文件系统   
数据库：ORACLE，MYSQL，SQLSERVER等中

**根据B+树的结构，我们可以发现B+树相比于B树，在文件系统，数据库系统当中，更有优势，原因如下：**

**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I/O读写次数也就降低了。   
举个例子，假设磁盘中的一个盘块容纳16bytes，而一个关键字2bytes，一个关键字具体信息指针2bytes。一棵9阶B-tree(一个结点最多8个关键字)的内部结点需要2个盘快。而B+ 树内部结点只需要1个盘快。当需要把内部结点读入内存中的时候，B 树就比B+ 树多一次盘块查找时间(在磁盘中就是盘片旋转的时间)。**

**2、B+树的查询效率更加稳定   
由于内部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。**

**2、B+树更有利于对数据库的扫描   
B树在提高了磁盘IO性能的同时并没有解决元素遍历的效率低下的问题，而B+树只需要遍历叶子节点就可以解决对全部关键字信息的扫描，所以对于数据库中频繁使用的range query，B+树有着更高的性能。**

# B\*树 #

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**是B+树的变体，在B+树的非根和非叶子结点再增加指向兄弟的指针；**

**B\*树定义了非叶子结点关键字个数至少为(2/3)\*M，即块的最低使用率为2/3（代替B+树的1/2）；**

B+树的分裂：当一个结点满时，分配一个新的结点，并将原结点中1/2的数据复制到新结点，最后在父结点中增加新结点的指针；B+树的分裂只影响原结点和父结点，而不会影响兄弟结点，所以它不需要指向兄弟的指针。

B\*树的分裂：当一个结点满时，如果它的下一个兄弟结点未满，那么将一部分数据移到兄弟结点中，再在原结点插入关键字，最后修改父结点中兄弟结点的关键字（因为兄弟结点的关键字范围改变了）；如果兄弟也满了，则在原结点与兄弟结点之间增加新结点，并各复制1/3的数据到新结点，最后在父结点增加新结点的指针。

所以，B\*树分配新结点的概率比B+树要低，空间使用率更高。

# 总结：   ![70 6][] #

# 参考资料： #

[https://blog.csdn.net/Sun\_TTTT/article/details/65445754][https_blog.csdn.net_Sun_TTTT_article_details_65445754](最容易懂的红黑树)

[https://blog.csdn.net/yishizuofei/article/details/81660841][https_blog.csdn.net_yishizuofei_article_details_81660841]（多路查找树：2-3树、2-3-4树、B树、B+树、B\*树、R树）

[https://blog.csdn.net/u013411246/article/details/81088914][https_blog.csdn.net_u013411246_article_details_81088914]（B树、B-树、B+树、B\*树之间的关系）

[https://blog.csdn.net/aqzwss/article/details/53074186][https_blog.csdn.net_aqzwss_article_details_53074186]（B-树，B+树，B\*树详解）

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[https_blog.csdn.net_Sun_TTTT_article_details_65445754]: https://blog.csdn.net/Sun_TTTT/article/details/65445754
[https_blog.csdn.net_yishizuofei_article_details_81660841]: https://blog.csdn.net/yishizuofei/article/details/81660841
[https_blog.csdn.net_u013411246_article_details_81088914]: https://blog.csdn.net/u013411246/article/details/81088914
[https_blog.csdn.net_aqzwss_article_details_53074186]: https://blog.csdn.net/aqzwss/article/details/53074186