数据库原理数据库组件概况

￡神魔★判官ぃ 2022-06-09 07:40 265阅读 0赞

*  一 时间复杂度
 *  二 归并排序
    
     *  合并
     *  拆分阶段
     *  排序阶段
 *  三 阵列树和哈希表
    
     *  阵列
     *  树和数据库索引
     *  哈希表

# 一. 时间复杂度 #

时间复杂度用来检验某个算法处理一定量的数据要花多长时间。

这个表示法用一个函数来描述算法处理给定的数据需要多少次运算。

重要的不是数据量，而是当数据量增加时运算如何增加。时间复杂度不会给出确切的运算次数，但是给出的是一种理念。

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdktjmvj20ez0bggmz.jpg]

图中可以看到不同类型的复杂度的演变过程，我用了对数尺来建这个图。具体点儿说，数据量以很快的速度从1条增长到10亿条。我们可得到如下结论：

*  绿：O(1)或者叫常数阶复杂度，保持为常数（要不人家就不会叫常数阶复杂度了）。
 *  红：O(log(n))对数阶复杂度，即使在十亿级数据量时也很低。
 *  粉：最糟糕的复杂度是 O(n^2)，平方阶复杂度，运算数快速膨胀。
 *  黑和蓝：另外两种复杂度（的运算数也是）快速增长。

例子

数据量低时，O(1) 和 O(n^2)的区别可以忽略不计。比如，你有个算法要处理2000条元素。

*  O(1) 算法会消耗 1 次运算
 *  O(log(n)) 算法会消耗 7 次运算
 *  O(n) 算法会消耗 2000 次运算
 *  O(n\*log(n)) 算法会消耗 14,000 次运算
 *  O(n^2) 算法会消耗 4,000,000 次运算

O(1) 和 O(n^2) 的区别似乎很大（4百万）,但你最多损失 2 毫秒，只是一眨眼的功夫。确实，当今处理器每秒可处理上亿次的运算。这就是为什么性能和优化在很多IT项目中不是问题。

我说过，面临海量数据的时候，了解这个概念依然很重要。如果这一次算法需要处理 1,000,000 条元素（这对数据库来说也不算大）。

*  O(1) 算法会消耗 1 次运算
 *  O(log(n)) 算法会消耗 14 次运算
 *  O(n) 算法会消耗 1,000,000 次运算
 *  O(n\*log(n)) 算法会消耗 14,000,000 次运算
 *  O(n^2) 算法会消耗 1,000,000,000,000 次运算

我没有具体算过，但我要说，用O(n^2) 算法的话你有时间喝杯咖啡（甚至再续一杯！）。如果在数据量后面加个0，那你就可以去睡大觉了。

# 二. 归并排序 #

合并排序有助于我们以后理解数据库常见的联接操作，即合并联接

## 合并 ##

与很多有用的算法类似，合并排序基于这样一个技巧：将 2 个大小为 N/2 的已排序序列合并为一个 N 元素已排序序列仅需要 N 次操作。这个方法叫做合并。

我们用个简单的例子来看看这是什么意思：

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdlx1osj20b5069mxt.jpg]

通过此图你可以看到，在 2 个 4元素序列里你只需要迭代一次，就能构建最终的8元素已排序序列，因为两个4元素序列已经排好序了：

1) 在两个序列中，比较当前元素（当前=头一次出现的第一个）  
2) 然后取出最小的元素放进8元素序列中  
3) 找到（两个）序列的下一个元素，(比较后)取出最小的

重复1、2、3步骤，直到其中一个序列中的最后一个元素  
然后取出另一个序列剩余的元素放入8元素序列中。  
这个方法之所以有效，是因为两个4元素序列都已经排好序，你不需要再『回到』序列中查找比较。

合并排序是把问题拆分为小问题，通过解决小问题来解决最初的问题（注：这种算法叫分治法，即『分而治之、各个击破』）。如果你不懂，不用担心，我第一次接触时也不懂。如果能帮助你理解的话，我认为这个算法是个两步算法：

*  拆分阶段，将序列分为更小的序列
 *  排序阶段，把小的序列合在一起（使用合并算法）来构成更大的序列

## 拆分阶段 ##

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdnwywaj20gl08ljst.jpg]

在拆分阶段过程中，使用3个步骤将序列分为一元序列。步骤数量的值是 log(N) （因为 N=8, log(N)=3）。

## 排序阶段 ##

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdoof0qj20gn0a0mz3.jpg]

在排序阶段，你从一元序列开始。在每一个步骤中，你应用多次合并操作，成本一共是 N=8 次运算。

第一步，4 次合并，每次成本是 2 次运算。  
第二步，2 次合并，每次成本是 4 次运算。  
第三步，1 次合并，成本是 8 次运算。  
因为有 log(N) 个步骤，整体成本是 N\*log(N) 次运算。

# 三. 阵列，树和哈希表 #

## 阵列 ##

二维阵列是最简单的数据结构。一个表可以看作是个阵列，比如：

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdpqm1oj20cl0apdhp.jpg]

这个二维阵列是带有行与列的表：

*  每个行代表一个主体
 *  列用来描述主体的特征
 *  每个列保存某一种类型对数据（整数、字符串、日期……）

虽然用这个方法保存和视觉化数据很棒，但是当你要查找特定的值它就很糟糕了。 举个例子，如果你要找到所有在 UK 工作的人，你必须查看每一行以判断该行是否属于 UK 。这会造成 N 次运算的成本（N 等于行数），还不赖嘛，但是有没有更快的方法呢？这时候树就可以登场了（或开始起作用了）

## 树和数据库索引 ##

二叉查找树是带有特殊属性的二叉树，每个节点的关键字必须：

1.  比保存在左子树的任何键值都要大
2.  比保存在右子树的任何键值都要小

**B+树索引**

查找一个特定值这个树挺好用，但是当你需要查找两个值之间的多个元素时，就会有大麻烦了。你的成本将是 O(N)，因为你必须查找树的每一个节点，以判断它是否处于那 2 个值之间（例如，对树使用中序遍历）。而且这个操作不是磁盘I/O有利的，因为你必须读取整个树。我们需要找到高效的范围查询方法。为了解决这个问题，现代数据库使用了一种修订版的树，叫做B+树。在一个B+树里：

*  只有最底层的节点（叶子节点）才保存信息（相关表的行位置）
 *  其它节点只是在搜索中用来指引到正确节点的。

## 哈希表 ##

我们最后一个重要的数据结构是哈希表。当你想快速查找值时，哈希表是非常有用的。而且，理解哈希表会帮助我们接下来理解一个数据库常见的联接操作，叫做『哈希联接』。这个数据结构也被数据库用来保存一些内部的东西（比如锁表或者缓冲池，我们在下文会研究这两个概念）。

哈希表这种数据结构可以用关键字来快速找到一个元素。为了构建一个哈希表，你需要定义：

元素的关键字

*  关键字的哈希函数。关键字计算出来的哈希值给出了元素的位置（叫做哈希桶）。
 *  关键字比较函数。一旦你找到正确的哈希桶，你必须用比较函数在桶内找到你要的元素。

![这里写图片描述][7cc829d3jw1f3drdsruaqj20hp09075r.jpg]

这个哈希表有10个哈希桶。因为我懒，我只给出5个桶，但是我知道你很聪明，所以我让你想象其它的5个桶。我用的哈希函数是关键字对10取模，也就是我只保留元素关键字的最后一位，用来查找它的哈希桶：

*  如果元素最后一位是 0，则进入哈希桶0
 *  如果元素最后一位是 1，则进入哈希桶1
 *  如果元素最后一位是 2，则进入哈希桶2

比方说你要找元素 78：

哈希表计算 78 的哈希码，等于 8。  
查找哈希桶 8，找到的第一个元素是 78。  
返回元素 78。  
查询仅耗费了 2 次运算（1次计算哈希值，另一次在哈希桶中查找元素）。  
现在，比方说你要找元素 59：

哈希表计算 59 的哈希码，等于9。  
查找哈希桶 9，第一个找到的元素是 99。因为 99 不等于 59， 那么 99 不是正确的元素。  
用同样的逻辑，查找第二个元素(9)，第三个(79)，……，最后一个(29)。  
元素不存在。  
搜索耗费了 7 次运算。

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