理解進階資料結構(一):B樹 |B+樹

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樹是資料結構中很重要概念,不過當樹的枝葉越長越不平均,就像大樹歪向一側一樣,查找資料也會變得麻煩又費時。資料結構中的樹若失去平衡,查找效率會大大降低,甚至可能拖慢整個系統的速度。因此,我們需要設計能自我調整、保持平衡的樹,確保不管資料如何新增,都能快速查找。

以下內容為學習要點,但我建議學習樹看動畫會更容易理解。

此學習筆記若內容有誤,歡迎留言指正!

複習:二元搜尋樹 BST

我之前都記成BTS XD


一個節點只能存一個資料。左邊是最小,右邊最大。

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一個節點存多筆資料效率高

如何存放資料?才能更有效率地找到資料?

如果數據量大到,葉子跟根的距離很遠,查找就會變得很沒效率。所以在資料結構裡,出現能夠讓一個節點同時存放多筆資料的設計,等於給我們的搜尋速度開了「加速模式」!尤其是當數據量龐大到無法一眼看完時,這些樹的特性就像是一條捷徑,讓我們更快找到答案。

M way search tree

每個節點最多可以有 M 位子節點(Children),而每個節點可以放M-1個數值(key)。以下圖來說,這是 5 way search key。最多可以連五條線,即最多可以有個子節點。

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https://faculty.cs.niu.edu/~freedman/340/340notes/340multi.htm

B 樹

  • 特性:B 樹是一種多元樹(非二元),根節點最少兩個子節點。每個節點可以存多個值,因而減少資料的偏斜。每個節點都是資料。
  • 操作:插入或刪除時,節點會重新分配,且節點中的資料可能會“借”相鄰節點,來維持平衡。每次都會往上長。插入新資料,先拆分,再往上長
  • 限制與規則:每個節點中的資料數量有上下限,通常為一個範圍值 m;節點裡的資料必須排序,讓搜尋和插入保持有序。刪除時,若節點內的資料少於最小值,會從相鄰節點「借資料」來保持平衡。
  • 應用:資料庫索引,B 樹是搜尋大量資料(如交易匹配、資料庫檢索)的常見結構,因為每次操作會讓整個樹保持平衡。
  • 參考動畫影片:Understanding B-Trees: The Data Structure Behind Modern Databases
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B+ 樹:

跟 B 樹不一樣的是,他的資料僅存在最底層的 Leaf,其餘往上長的都是指標,指向最底層的實際資料值 ,而不用進行 Tree Travesal(遍歷)。

  • 特性:擴充了 B 樹,除了根節點,每個節點都會有指標(leaf pointers),能直接找到下一個節點,無需重頭搜尋。最底層的葉節點是鏈結串列(Linked List)
  • 操作:用指標定位到葉節點,大量資料的搜索效率更高。
  • 應用:資料庫系統,如銀行交易,因為需要快速度查找和更新大量資料。
圖片來源:geeksforgeeks

圖片來源:geeksforgeeks

B 樹與 B+樹兩者比較表格

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AVL, 紅黑樹會在下個章節補充。

補充資料:

10.2 B Trees and B+ Trees. How they are useful in Databases

B 樹、B+ 樹比較

B 樹影片



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越南放大鏡 X 下班資工系
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雙重身份:越南放大鏡 X 下班資工系 政大東南亞語言學系是我接觸越南語的起點,畢業後找越南外派工作的生活跟資訊時,發現幾乎都是清單式的分享,很難身歷其境。所以我希望「越南放大鏡」可以帶讀者看到更多細節和深入的觀察。 - 下班資工系則是自學資工系的課程內容,記錄實際操作的過程,學習理論的過程。希望可以跟讀者一起成長。
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