为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载

原文地址http://www.kongch.com/2011/09/why-b-tree/

“文件存储要选用B+树这样的数据结构”——没记错的话,这是严蔚敏那本数据结构书上的一句结论。不知道是我没细看还是她没细讲,反正当时纯粹应试地记了这么个结论。
不求甚解终究不是一个好的学习态度,一直以来我都没有细想过这个事情,直到看到了这篇博文

此文信息量很大,值得mark下来慢慢精读。今天就暂记一下关于磁盘文件存储选用B+ tree这一点以前没深究过的问题。毕竟,好记性不如烂笔头,虽然这篇里面ctrl-v担当了比较多的任务……

另一个比较有趣的收获是终于知道没有B减树这个东西了。以前老看到B-树,以为对应着B+树,是B树的某一变种。但实际情况是:

B-树,即为B树。因为B树的原英文名称为B-tree,而国内很多人喜欢把B-tree译作B-树,其实,这是个非常不好的直译,很容易让人产生误解。如人们可能会以为B-树是一种树,而B树又是一种一种树。而事实上是,B-tree就是指的B树

下面言归正传:

磁盘的构造

为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载

磁盘是一个扁平的圆盘(与电唱机的唱片类似)。盘面上有许多称为磁道的圆圈,数据就记录在这些磁道上。磁盘可以是单片的,也可以是由若干盘片组成的盘组,每一盘片上有两个面。如下图11.3中所示的6片盘组为例,除去最顶端和最底端的外侧面不存储数据之外,一共有10个面可以用来保存信息。

当磁盘驱动器执行读/写功能时。盘片装在一个主轴上,并绕主轴高速旋转,当磁道在读/写头(又叫磁头) 下通过时,就可以进行数据的读 / 写了。

一般磁盘分为固定头盘(磁头固定)和活动头盘。固定头盘的每一个磁道上都有独立的磁头,它是固定不动的,专门负责这一磁道上数据的读/写。

活动头盘 (如上图)的磁头是可移动的。每一个盘面上只有一个磁头(磁头是双向的,因此正反盘面都能读写)。它可以从该面的一个磁道移动到另一个磁道。所有磁头都装在同一个动臂上,因此不同盘面上的所有磁头都是同时移动的(行动整齐划一)。当盘片绕主轴旋转的时候,磁头与旋转的盘片形成一个圆柱体。各个盘面上半径相同的磁道组成了一个圆柱面,我们称为柱面 。因此,柱面的个数也就是盘面上的磁道数。

磁盘的读/写原理和效率

磁盘上数据必须用一个三维地址唯一标示:柱面号、盘面号、块号(磁道上的盘块)。

为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载读/写磁盘上某一指定数据需要下面3个步骤:

(1) 首先移动臂根据柱面号使磁头移动到所需要的柱面上,这一过程被称为定位或查找 。

(2) 如上图11.3中所示的6盘组示意图中,所有磁头都定位到了10个盘面的10条磁道上(磁头都是双向的)。这时根据盘面号来确定指定盘面上的磁道。

(3) 盘面确定以后,盘片开始旋转,将指定块号的磁道段移动至磁头下。

经过上面三个步骤,指定数据的存储位置就被找到。这时就可以开始读/写操作了。

访问某一具体信息,由3部分时间组成:

● 查找时间(seek time) Ts: 完成上述步骤(1)所需要的时间。这部分时间代价最高,最大可达到0.1s左右。

● 等待时间(latency time) Tl: 完成上述步骤(3)所需要的时间。由于盘片绕主轴旋转速度很快,一般为7200转/分(电脑硬盘的性能指标之一, 家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm(笔记本)、7200rpm几种)。因此一般旋转一圈大约0.0083s。

● 传输时间(transmission time) Tt: 数据通过系统总线传送到内存的时间,一般传输一个字节(byte)大概0.02us=2*10^(-8)s

磁盘读取数据是以盘块(block)为基本单位的。位于同一盘块中的所有数据都能被一次性全部读取出来。而磁盘IO代价主要花费在查找时间Ts上。因此我们应该尽量将相关信息存放在同一盘块,同一磁道中。或者至少放在同一柱面或相邻柱面上,以求在读/写信息时尽量减少磁头来回移动的次数,避免过多的查找时间Ts。

所以,在大规模数据存储方面,大量数据存储在外存磁盘中,而在外存磁盘中读取/写入块(block)中某数据时,首先需要定位到磁盘中的某块,如何有效地查找磁盘中的数据,需要一种合理高效的外存数据结构。这种结构可以使得在查找过程中,IO次数尽量的少。

B- 树

B 树又叫平衡多路查找树。

B 树中的每个结点根据实际情况可以包含大量的关键字信息和分支(当然是不能超过磁盘块的大小,根据磁盘驱动(disk drives)的不同,一般块的大小在1k~4k左右);这样树的深度降低了,这就意味着查找一个元素只要很少结点从外存磁盘中读入内存,很快访问到要查找的数据。相较于2叉树的优势就在于此了。

举个例子,为了简单,这里用少量数据构造一棵3叉树的形式,实际应用中的B树结点中关键字很多的。上面的图中比如根结点,其中17表示一个磁盘文件的文件名;小红方块表示这个17文件的内容在硬盘中的存储位置;p1表示指向17左子树的指针。为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载

下面,咱们来模拟下查找文件29的过程:

(1) 根据根结点指针找到文件目录的根磁盘块1,将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作1次】

(2) 此时内存中有两个文件名17,35和三个存储其他磁盘页面地址的数据。根据算法我们发现17<29<35,因此我们找到指针p2。

(3) 根据p2指针,我们定位到磁盘块3,并将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作2次】

(4) 此时内存中有两个文件名26,30和三个存储其他磁盘页面地址的数据。根据算法我们发现26<29<30,因此我们找到指针p2。

(5) 根据p2指针,我们定位到磁盘块8,并将其中的信息导入内存。【磁盘IO操作3次】

(6) 此时内存中有两个文件名28,29。根据算法我们查找到文件29,并定位了该文件内存的磁盘地址。

分析上面的过程,发现需要3次磁盘IO操作和3次内存查找操作。关于内存中的文件名查找,由于是一个有序表结构,可以利用折半查找提高效率。至于3次磁盘IO操作时影响整个B树查找效率的决定因素。

当然,如果我们使用平衡二叉树的磁盘存储结构来进行查找,磁盘IO操作最少4次,最多5次。而且文件越多,B树比平衡二叉树所用的磁盘IO操作次数将越少,效率也越高。

B+树

B+-Tree是应文件系统所需而产生的一种B-tree的变形树。

一棵m阶的B+树和m阶的B树的差异在于:

1.有n棵子树的结点中含有n个关键字; (而B 树是n棵子树有n-1个关键字)

2.所有的叶子结点中包含了全部关键字的信息,及指向含有这些关键字记录的指针,且叶子结点本身依关键字的大小自小而大的顺序链接。 (而B 树的叶子节点并没有包括全部需要查找的信息)

3.所有的非终端结点可以看成是索引部分,结点中仅含有其子树根结点中最大(或最小)关键字。 (而B 树的非终节点也包含需要查找的有效信息)

为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载

为什么B+树可以满足要求?

1) B+-tree的磁盘读写代价更低

B+-tree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IO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+-tree的查询效率更加稳定

由于非终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当。

B*-Tree

B*-tree是B+-tree的变体,在B+ 树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)。给出了一个简单实例,如下图所示:

为什么文件存储要选用B+树这样的数据结构?转载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

通过以上介绍,大致将B树,B+树,B*树总结如下:

B树:有序数组+平衡多叉树;数据存在于非叶子节点上

B+树:有序数组链表+平衡多叉树;数据只存在于叶子上。

B*树:一棵丰满的B+树。

走进搜索引擎的作者梁斌老师针对B树、B+树给出了他的意见:

“B+树还有一个最大的好处,方便扫库,B树必须用中序遍历的方法按序扫库,而B+树直接从叶子结点挨个扫一遍就完了,B+树支持range-query非常方便,而B树不支持。这是数据库选用B+树的最主要原因。

比如要查 5-10之间的,B+树一把到5这个标记,再一把到10,然后串起来就行了,B树就非常麻烦。B树的好处,就是成功查询特别有利,因为树的高度总体要比B+树矮。不成功的情况下,B树也比B+树稍稍占一点点便宜。 B树比如你的例子中查,17的话,一把就得到结果了。
有很多基于频率的搜索是选用B树,越频繁query的结点越往根上走,前提是需要对query做统计,而且要对key做一些变化。 另外B树也好B+树也好,根或者上面几层因为被反复query,所以这几块基本都在内存中,不会出现读磁盘IO,一般已启动的时候,就会主动换入内存。”

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