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b树的实现(c++)

2015-12-08 17:39 513 查看
转自:http://blog.chinaunix.net/uid-20196318-id-3030529.html

B树的定义

假设B树的度为t(t>=2),则B树满足如下要求:(参考算法导论)

(1) 每个非根节点至少包含t-1个关键字,t个指向子节点的指针;至多包含2t-1个关键字,2t个指向子女的指针(叶子节点的子女为空)。

(2) 节点的所有key按非降序存放,假设节点的关键字分别为K[1], K[2] … K
, 指向子女的指针分别为P[1], P[2]…P[n+1],其中n为节点关键字的个数。则有:

P[1] <= K[1] <= P[2] <= K[2] …..<= K
<= P[n+1] // 这里P
也指其指向的关键字

(3) 若根节点非空,则根节点至少包含两个子女;

(4) 所有的叶子节点都在同一层。

B树的搜索,searchroot, target

从root出发,对每个节点,找到大于或等于target关键字中最小的K[i],如果K[i]与target相等,则查找成功;否则在P[i]中递归搜索target,直到到达叶子节点,如仍未找到则说明关键字不在B树中,查找失败。

B树的插入,insert(root, target)

B树的插入需要沿着搜索的路径从root一直到叶节点,根据B树的规则,每个节点的关键字个数在[t-1, 2t-1]之间,故当target要加入到某个叶子时,如果该叶子节点已经有2t-1个关键字,则再加入target就违反了B树的定义,这时就需要对该叶子节点进行分裂,将叶子以中间节点为界,分成两个包含t-1个关键字的子节点,同时把中间节点提升到该叶子的父节点中,如果这样使得父节点的关键字个数超过2t-1,则要继续向上分裂,直到根节点,根节点的分裂会使得树加高一层。

上面的过程需要回溯,那么能否从根下降到叶节点后不回溯就能完成节点的插入呢?答案是肯定的,核心思想就是未雨绸缪,在下降的过程中,一旦遇到已满的节点(关键字个数为2t-1),就就对该节点进行分裂,这样就保证在叶子节点需要分裂时,其父节点一定是非满的,从而不需要再向上回溯。

B树的删除,delete(root, target)

在删除B树节点时,为了避免回溯,当遇到需要合并的节点时就立即执行合并,B树的删除算法如下:从root向叶子节点按照search规律遍历:

(1) 如果target在叶节点x中,则直接从x中删除target,情况(2)和(3)会保证当再叶子节点找到target时,肯定能借节点或合并成功而不会引起父节点的关键字个数少于t-1。

(2) 如果target在分支节点x中:

(a) 如果x的左分支节点y至少包含t个关键字,则找出y的最右的关键字prev,并替换target,并在y中递归删除prev。

(b) 如果x的右分支节点z至少包含t个关键字,则找出z的最左的关键字next,并替换target,并在z中递归删除next。

(c) 否则,如果y和z都只有t-1个关键字,则将targe与z合并到y中,使得y有2t-1个关键字,再从y中递归删除target。

(3) 如果关键字不在分支节点x中,则必然在x的某个分支节点p[i]中,如果p[i]节点只有t-1个关键字。

(a) 如果p[i-1]拥有至少t个关键字,则将x的某个关键字降至p[i]中,将p[i-1]的最大节点上升至x中。

(b) 如果p[i+1]拥有至少t个关键字,则将x个某个关键字降至p[i]中,将p[i+1]的最小关键字上升至x个。

(c) 如果p[i-1]与p[i+1]都拥有t-1个关键字,则将p[i]与其中一个兄弟合并,将x的一个关键字降至合并的节点中,成为中间关键字。

B树的实现

数据结构

/**

* @brief the degree of btree

* key per node: [M-1, 2M-1]

* child per node: [M, 2M]

*/

#define M 2 // M为B树的度

typedef struct btree_node {

int k[2*M-1];

struct btree_node *p[2*M];

int num;

bool is_leaf;

} btree_node;

创建B树

btree_node *btree_node_new()

{

btree_node *node = (btree_node *)malloc(sizeof(btree_node));

if(NULL == node) {

return NULL;

}

for(int i = 0; i < 2 * M -1; i++) { // 初始化key

node->k[i] = 0;

}

for(int i = 0; i < 2 * M; i++) { // 初始化pointer

node->p[i] = NULL;

}

node->num = 0;

node->is_leaf = true; // 默认为叶子

}

btree_node *btree_create()

{

btree_node *node = btree_node_new();

if(NULL == node) {

return NULL;

}

return node;

}

插入节点

// 当child满时,将其进行分裂,child = parent->p[pos]

int btree_split_child(btree_node *parent, int pos, btree_node *child)

{

// 创建新的节点

btree_node *new_child = btree_node_new();

if(NULL == new_child) {

return -1;

}

// 新节点的is_leaf与child相同,key的个数为M-1

new_child->is_leaf = child->is_leaf;

new_child->num = M - 1;

// 将child后半部分的key拷贝给新节点

for(int i = 0; i < M - 1; i++) {

new_child->k[i] = child->k[i+M];

}

// 如果child不是叶子,还需要把指针拷过去,指针比节点多1

if(false == new_child->is_leaf) {

for(int i = 0; i < M; i++) {

new_child->p[i] = child->p[i+M];

}

}

child->num = M - 1;

// child的中间节点需要插入parent的pos处,更新parent的key和pointer

for(int i = parent->num; i > pos; i--) {

parent->p[i+1] = parent->p[i];

}

parent->p[pos+1] = new_child;

for(int i = parent->num - 1; i >= pos; i--) {

parent->k[i+1] = parent->k[i];

}

parent->k[pos] = child->k[M-1];

parent->num += 1;

}

// 执行该操作时,node->num < 2M-1

void btree_insert_nonfull(btree_node *node, int target)

{

if(1 == node->is_leaf) { // 如果在叶子中找到,直接删除

int pos = node->num;

while(pos >= 1 && target < node->k[pos-1]) {

node->k[pos] = node->k[pos-1];

pos--;

}

node->k[pos] = target;

node->num += 1;

} else { // 沿着查找路径下降

int pos = node->num;

while(pos > 0 && target < node->k[pos-1]) {

pos--;

}

if(2 * M -1 == node->p[pos]->num) {

btree_split_child(node, pos, node->p[pos]); // 如果路径上有满节点则分裂

if(target > node->k[pos]) {

pos++;

}

}

btree_insert_nonfull(node->p[pos], target);

}

}

//插入入口

btree_node* btree_insert(btree_node *root, int target)

{

if(NULL == root) {

return NULL;

}

// 对根节点的特殊处理,如果根是满的,唯一使得树增高的情形

// 先申请一个新的

if(2 * M - 1 == root->num) {

btree_node *node = btree_node_new();

if(NULL == node) {

return root;

}

node->is_leaf = 0;

node->p[0] = root;

btree_split_child(node, 0, root);

btree_insert_nonfull(node, target);

return node;

} else {

btree_insert_nonfull(root, target);

return root;

}

}

删除节点

// 将y,root->k[pos], z合并到y节点,并释放z节点,y,z各有M-1个节点

void btree_merge_child(btree_node *root, int pos, btree_node *y, btree_node *z)

{

// 将z中节点拷贝到y的后半部分

y->num = 2 * M - 1;

for(int i = M; i < 2 * M - 1; i++) {

y->k[i] = z->k[i-M];

}

y->k[M-1] = root->k[pos]; // k[pos]下降为y的中间节点

// 如果z非叶子,需要拷贝pointer

if(false == z->is_leaf) {

for(int i = M; i < 2 * M; i++) {

y->p[i] = z->p[i-M];

}

}

// k[pos]下降到y中,更新key和pointer

for(int j = pos + 1; j < root->num; j++) {

root->k[j-1] = root->k[j];

root->p[j] = root->p[j+1];

}

root->num -= 1;

free(z);

}

// 删除入口

btree_node *btree_delete(btree_node *root, int target)

{

// 特殊处理,当根只有两个子女,切两个子女的关键字个数都为M-1时,合并根与两个子女

// 这是唯一能降低树高的情形

if(1 == root->num) {

btree_node *y = root->p[0];

btree_node *z = root->p[1];

if(NULL != y && NULL != z &&

M - 1 == y->num && M - 1 == z->num) {

btree_merge_child(root, 0, y, z);

free(root);

btree_delete_nonone(y, target);

return y;

} else {

btree_delete_nonone(root, target);

return root;

}

} else {

btree_delete_nonone(root, target);

return root;

}

}

// root至少有个t个关键字,保证不会回溯

void btree_delete_nonone(btree_node *root, int target)

{

if(true == root->is_leaf) { // 如果在叶子节点,直接删除

int i = 0;

while(i < root->num && target > root->k[i]) i++;

if(target == root->k[i]) {

for(int j = i + 1; j < 2 * M - 1; j++) {

root->k[j-1] = root->k[j];

}

root->num -= 1;

} else {

printf("target not found\n");

}

} else { // 在分支中

int i = 0;

btree_node *y = NULL, *z = NULL;

while(i < root->num && target > root->k[i]) i++;

if(i < root->num && target == root->k[i]) { // 如果在分支节点找到target

y = root->p[i];

z = root->p[i+1];

if(y->num > M - 1) {

// 如果左分支关键字多于M-1,则找到左分支的最右节点prev,替换target

// 并在左分支中递归删除prev,情况2(a)

int pre = btree_search_predecessor(y);

root->k[i] = pre;

btree_delete_nonone(y, pre);

} else if(z->num > M - 1) {

// 如果右分支关键字多于M-1,则找到右分支的最左节点next,替换target

// 并在右分支中递归删除next,情况2(b)

int next = btree_search_successor(z);

root->k[i] = next;

btree_delete_nonone(z, next);

} else {

// 两个分支节点数都为M-1,则合并至y,并在y中递归删除target,情况2(c)

btree_merge_child(root, i, y, z);

btree_delete(y, target);

}

} else { // 在分支没有找到,肯定在分支的子节点中

y = root->p[i];

if(i < root->num) {

z = root->p[i+1];

}

btree_node *p = NULL;

if(i > 0) {

p = root->p[i-1];

}

if(y->num == M - 1) {

if(i > 0 && p->num > M - 1) {

// 左邻接节点关键字个数大于M-1

btree_shift_to_right_child(root, i-1, p, y); //情况3(a)

} else if(i < root->num && z->num > M - 1) {

// 右邻接节点关键字个数大于M-1

btree_shift_to_left_child(root, i, y, z); // 情况3(b)

} else if(i > 0) {

btree_merge_child(root, i-1, p, y); // 情况3(c)

y = p;

} else {

btree_merge_child(root, i, y, z); // 情况3(c)

}

btree_delete_nonone(y, target);

} else {

btree_delete_nonone(y, target);

}

}

}

}

//寻找rightmost,以root为根的最大关键字

int btree_search_predecessor(btree_node *root)

{

btree_node *y = root;

while(false == y->is_leaf) {

y = y->p[y->num];

}

return y->k[y->num-1];

}

// 寻找leftmost,以root为根的最小关键字

int btree_search_successor(btree_node *root)

{

btree_node *z = root;

while(false == z->is_leaf) {

z = z->p[0];

}

return z->k[0];

}

// z向y借节点,将root->k[pos]下降至z,将y的最大关键字上升至root的pos处

void btree_shift_to_right_child(btree_node *root, int pos,

btree_node *y, btree_node *z)

{

z->num += 1;

for(int i = z->num -1; i > 0; i--) {

z->k[i] = z->k[i-1];

}

z->k[0]= root->k[pos];

root->k[pos] = y->k[y->num-1];

if(false == z->is_leaf) {

for(int i = z->num; i > 0; i--) {

z->p[i] = z->p[i-1];

}

z->p[0] = y->p[y->num];

}

y->num -= 1;

}

// y向借节点,将root->k[pos]下降至y,将z的最小关键字上升至root的pos处

void btree_shift_to_left_child(btree_node *root, int pos,

btree_node *y, btree_node *z)

{

y->num += 1;

y->k[y->num-1] = root->k[pos];

root->k[pos] = z->k[0];

for(int j = 1; j < z->num; j++) {

z->k[j-1] = z->k[j];

}

if(false == z->is_leaf) {

y->p[y->num] = z->p[0];

for(int j = 1; j <= z->num; j++) {

z->p[j-1] = z->p[j];

}

}

z->num -= 1;

}

插入与删除过程(图片为层序遍历的结果)

插入序列[18, 31, 12, 10, 15, 48, 45, 47, 50, 52, 23, 30, 20]

删除序列[15, 18, 23, 30, 31, 52, 50, 48, 47, 45, 20, 12, 10]

B+

与B树不同的时,B+树的关键字都存储在叶子节点,分支节点均为索引,在实现上大致与B树类似,在几个细节稍有不同。

(1) 数据结构中增加prev,next指针,用于将叶子节点串成有序双向链表。

(2) 在节点分裂的时候,如果分裂的节点为叶子,则需要把中间节点保留在左(或右)边的分支上,并且需要更新prev和next。

(3) 在节点合的时候,如果合并的节点为叶子,不需要把跟节点下降为中间节点,并且需要更新prev和next。

(4) 在向邻接节点借节点时,借来的关键字并不是父节点的关键字,而是邻接点的关键字,并根据实际情况更新父节点的索引。

btree.rar C语言实现,因用到了bool变量,编译时请使用g++ -o btree btree.c
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