参考: https://juejin.cn/post/7412893752090181642?from=search-suggest

Mysql为什么选择B+树作为索引结构?

  1. 减少磁盘I/O次数
    • B+树每个节点可以存储大量键值,使得树的高度极低
    • 数据库数据存储在磁盘上,每次查询磁盘I/O次数直接影响性能,B+树通过降低树的高度,显著减少了I/O次数
  2. 高效范围查询:
    • 叶子节点链表结构: B+树的所有数据存储在叶子节点,而且叶子节点之间通过指针有序连接
    • 范围扫描优化:对于WHERE age > 20 AND age < 30这类查询,B+树只需要定位到起始点后便利链表即可,而B树需要复杂的中序遍历

对比其它数据结构

哈希表: 苏日安哈希索引的等值查询是O(1),但是无法支持范围查询和排序

二叉搜索树: 树高过高,会导致多次磁盘IO,且可能退化成链表

B树: B树的非叶子节点存储数据,导致单个节点能容纳的键值更少,树高更高。

B树范围查询需要回溯父节点,B+树通过叶子链表直接便利。

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转载自:

https://github.com/0voice/newsql_nosql_library/blob/main/mysql/存储引擎/B+树原理详解.md

B+树原理详解

B+树是B树的一种变体,有着比B树更高的查询性能。一个m阶B树具有如下特征:

  1. 根节点至少有两个节点;
  2. 每个中间节点都包含k-1个元素和k个孩子,其中m/2<=k<=m;
  3. 每一个叶子节点都包含k-1个元素,其中m/2<=k<=m;
  4. 所有的叶子节点都位于同一层;
  5. 每个节点中的元素从小到大排列,节点当中k-1个元素正好是k个孩子包含的元素的值域划分。

B+树和B树有一些共同特征,但是B+树也具备一些新的特征:

  1. 有k个子树的中间节点包含有k个元素(B树中是k-1个元素),每个元素不保存数据,只用来索引,所有数据都保存在叶子节点;
  2. 所有的叶子节点中包含了全部元素的信息,及指向含这些元素记录的指针,且叶子节点本身依关键字的大小自小而大顺序链接;
  3. 所有的中间节点元素都同时存在于子节点,在子节点元素中是最大(或最小)元素。

我们具体来看一下B+树结构:

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B+树结构

我们可以直观地看出节点之间含有重复元素,叶子节点还用指针连在了一起,每个父节点中的元素都出现在了子节点中,是子节点中的最大(或最小)元素。

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B+树中的元素

如上图,根节点中元素8是子节点2,5,8的最大元素,也是叶子节点6,8的最大元素,根节点元素15是子节点11,15的最大元素,也是叶子节点13,15的最大元素。需要注意的是,根节点的最大元素(此处是15)等同于整个B+树的最大元素。无论插入或删除多少元素,始终要保持最大元素在根节点当中。至于叶子节点,由于父节点的元素都出现在了子节点,所以叶子节点包含了全部元素信息。并且每个叶子节点都带有指向下一个节点的指针,形成了一个有序链表。

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叶子节点形成了有序链表

B+树还有一个至关重要的特点,那就是”卫星数据“的位置,所谓”卫星数据“,指的是索引元素所指向的数据记录(比如数据库中的某一行),在B树中,无论中间节点还是叶子节点都带有卫星数据。

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B树中的卫星数据

而在B+树中,只有叶子节点带有卫星数据,其余中间节点仅仅是索引,没有任何数据关联。

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补充一点:在数据库的聚集索引中,叶子节点直接包含卫星数据,在非聚集索引中,叶子节点带有指向卫星数据的指针。
B+树被设计如此,优势主要体现在查询性能上,下面分别通过单元素查询和范围查询举例分析。
单元素查询的时候,B+树会自顶向下逐层查找节点,最终找到匹配的叶子节点,比如我们查找元素3:

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第一次磁盘IO

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第二次磁盘IO

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第三次磁盘IO

查询过程看上去跟B树差不多,但还是有两点不同的,首先,B+树中间节点没有卫星数据,只存索引数据,所以同样大小的磁盘页可以容纳更多的节点元素,这就意味着,数据量相同的情况下B+树比B树更加的”矮胖“,相应会减小IO次数。其次,B+树的查询必须最终查找到叶子节点,而B树只要找到匹配元素即可,无论匹配元素处于中间节点还是叶子节点。
因此,B树的查找性能并不稳定,最好的情况是只查根节点即可,最坏的情况是要查到叶子节点,而B+树每一次查找都是稳定的。
下面我们来看看范围查询,先看看B树如何做范围查询的呢?B树只能依靠中序遍历,以查询3到11范围的元素为例:

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自顶向下查找到下限3

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中序遍历到元素6

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中序遍历到元素8

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中序遍历到元素9

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中序遍历到元素11,遍历结束

由此看来,B树的范围查询确实有点繁琐,反观B+树的范围查询则简单的多,只需在链表上做遍历即可:

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自顶向下,查找到范围下限3

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通过链表指针,遍历到元素6,8

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通过链表指针,遍历到元素9,11,遍历结束

如此看来B+树的链表遍历要比B树的中序遍历简单很多的。
综合起来,B+树比B树的优势有三个:

  1. 单一节点存储更多的元素,使得查询的IO次数减少;
  2. 所有查询都要查找到叶子节点,查询性能稳定;
  3. 所有叶子节点形成有序链表,便于范围查询。
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