MySQL索引数据结构详解

1.Hash散列表

hash表的结构就是一个数组每个节点都可以形成一个链表。
hash表的查找效率很高,但是hash表不适合范围查找。

2.二叉查找树

1)二叉树简介

二叉查找树也称为有序二叉查找树,二叉查找树的性质:
1、任意节点左子树不为空,则左子树的值均小于根节点的值;

2、任意节点右子树不为空,则右子树的值均大于于根节点的值;

3、任意节点的左右子树也分别是二叉查找树;
4、没有键值相等的节点;
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中序遍历顺序:4 6 7 8 9 10
二叉查找树的平均查找次数为(3+3+3+2+2+1)/6=2.3次
二叉查找树的平均查找速度比顺序查找来得更快。

2)二叉树的局限性

一个二叉查找树是由n个节点随机构成,所以,对于某些情况,二叉查找树会退化成一个有n个节点的线性链。
如果我们的根节点选择是最小或者最大的数,那么二叉查找树就完全退化成了线性结构。

3.AVL(二叉平衡树)树

AVL树是带有平衡条件的二叉查找树,一般是用平衡因子差值判断是否平衡并通过旋转来实现平衡,左右子树树高不超过1,和红黑树相比,它是严格的平衡二叉树,平衡条件必须满足(所有节点的左右子树高度差不超过1)。不管我们是执行插入还是删除操作,只要不满足上面的条件,就要通过旋转来保持平衡,而旋转是非常耗时的,由此我们可以知道AVL树适合用于插入删除次数比较少,但查找多的情况。 而且AVL树太高了。

4.红黑树

1)简介

一种二叉查找树,但在每个节点增加一个存储位表示节点的颜色,可以是red或black。通过对任何一条从根到叶子的路径上各个节点着色的方式的限制,红黑树确保没有一条路径会比其它路径长出两倍。它是一种弱平衡二叉树(由于是若平衡,可以推出,相同的节点情况下,AVL树的高度低于红黑树),相对于要求严格的AVL树来说,它的旋转次数变少,所以对于搜索、插入、删除操作多的情况下,我们就用红黑树。
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2)性质

1、每个节点非红即黑;
2、根节点是黑的;
3、每个叶节点(叶节点即树尾端NULL指针或NULL节点)都是黑的;
4、如果一个节点是红的,那么它的两儿子都是黑的;
5、对于任意节点而言,其到叶子点树NULL指针的每条路径都包含相同数目的黑节点;
6、每条路径都包含相同的黑节点;

3)局限性

树太高导致IO次数多

5.B-树

1)简介

数据是存储在磁盘中的,数据读取会包括两个步骤:磁盘旋转,磁壁旋转读取数据,这就存在一个定位到磁盘中的块的过程,而这个过程比较花费时间,可以用B-树来进行优化。
B树为什么能进行优化呢?多路平衡二叉树,一个节点可以有多个子节点,减少了定位到磁盘块的次数,所以减少了时间。
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2)特点

(1)排序方式:所有节点关键字是按递增次序排列,并遵循左小右大原则;

(2)子节点数:非叶节点的子节点数>1,且<=M ,且M>=2,空树除外(注:M阶代表一个树节点最多有多少个查找路径,M=M路,当M=2则是2叉树,M=3则是3叉);

(3)关键字数:枝节点的关键字数量大于等于ceil(m/2)-1个且小于等于M-1个(注:ceil()是个朝正无穷方向取整的函数 如ceil(1.1)结果为2);

(4)所有叶子节点均在同一层、叶子节点除了包含了关键字和关键字记录的指针外也有指向其子节点的指针只不过其指针地址都为null对应下图最后一层节点的空格子;

3)查询流程

如上图我要从上图中找到E字母,查找流程如下

(1)获取根节点的关键字进行比较,当前根节点关键字为M,E<M(26个字母顺序),所以往找到指向左边的子节点(二分法规则,左小右大,左边放小于当前节点值的子节点、右边放大于当前节点值的子节点);

(2)拿到关键字D和G,D<E<G 所以直接找到D和G中间的节点;

(3)拿到E和F,因为E=E 所以直接返回关键字和指针信息(如果树结构里面没有包含所要查找的节点则返回null);
总结:B树相对于平衡二叉树的不同是,每个节点包含的关键字增多了,特别是在B树应用到数据库中的时候,数据库充分利用了磁盘块的原理(磁盘数据存储是采用块的形式存储的,每个块的大小为4K,每次IO进行数据读取时,同一个磁盘块的数据可以一次性读取出来)把节点大小限制和充分使用在磁盘快大小范围;把树的节点关键字增多后树的层级比原来的二叉树少了,减少数据查找的次数和复杂度;

6.B+树

1)概念

B+树是B树的一个升级版,相对于B树来说B+树更充分的利用了节点的空间,让查询速度更加稳定,其速度完全接近于二分法查找。

2)规则

1、非叶子节点的子树指针与关键字个数相同;
2、非叶子节点的子树指针p[i],指向关键字值属于[k[i],k[i+1]]的子树.(B树是开区间,也就是说B树不允许关键字重复,B+树允许重复);
3、为所有叶子节点增加一个链指针;
4、所有关键字都在叶子节点出现(稠密索引). (且链表中的关键字恰好是有序的);
5、非叶子节点相当于是叶子节点的索引(稀疏索引),叶子节点相当于是存储(关键字)数据的数据层;
6、更适合于文件系统;
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7.为什么说B+树比B树更适合做数据库索引?

数据库索引采用B+树的主要原因是:B树在提高了IO性能的同时并没有解决元素遍历的效率低下的问题,正是为了解决这个问题,B+树应用而生。B+树只需要去遍历叶子节点就可以实现整棵树的遍历。而且在数据库中基于范围的查询是非常频繁的,而B树不支持这样的操作或者说效率太低。

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