b-tree和b+tree

# MySQL索引背后的数据结构及算法原理

聚簇索引

b-tree和b+tree
image.png

数据结构:

数组、链表、 二叉树、 树、 图

内存中排序算法

排序算法

b-tree和b+tree
排序算法.png

磁盘上的排序算法

B-Tree, B+Tree

搜索算法:

我们知道,数据库查询是数据库的最主要功能之一。我们都希望查询数据的速度能尽可能的快,因此数据库系统的设计者会从查询算法的角度进行优化。最基本的查询算法当然是顺序查找(linear search),这种复杂度为O(n)的算法在数据量很大时显然是糟糕的,好在计算机科学的发展提供了很多更优秀的查找算法,例如二分查找(binary search)、二叉树查找(binary tree search)等。如果稍微分析一下会发现,每种查找算法都只能应用于特定的数据结构之上,例如二分查找要求被检索数据有序,而二叉树查找只能应用于二叉查找树上,但是数据本身的组织结构不可能完全满足各种数据结构(例如,理论上不可能同时将两列都按顺序进行组织),所以,在数据之外,数据库系统还维护着满足特定查找算法的数据结构,这些数据结构以某种方式引用(指向)数据,这样就可以在这些数据结构上实现高级查找算法。这种数据结构,就是索引。

mysql使用B+Tree作为索引数据结构。
B+Tree在新增数据时,会根据索引指定列的值对旧的B+Tree做调整。
从物理存储结构上说,B-Tree和B+Tree都以页(4K)来划分节点的大小,但是由于B+Tree中中间节点不存储数据,因此B+Tree能够在同样大小的节点中,存储更多的key,提高查找效率。
影响mysql查找性能的主要还是磁盘IO次数,大部分是磁头移动到指定磁道的时间花费。
MyISAM存储引擎下索引和数据存储是分离的,InnoDB索引和数据存储在一起。
InnoDB存储引擎下索引的实现,(辅助索引)全部是依赖于主索引建立的(辅助索引中叶子结点存储的并不是数据的地址,还是主索引的值,因此,所有依赖于辅助索引的都是先根据辅助索引查到主索引,再根据主索引查数据的地址)。
由于InnoDB索引的特性,因此如果主索引不是自增的(id作主键),那么每次插入新的数据,都很可能对B+Tree的主索引进行重整,影响性能。因此,尽量以自增id作为InnoDB的主索引。

innodb主键索引:
InnoDB的数据文件本身就是主键索引文件;
(辅助索引)全部是依赖于主索引建立的(辅助索引中叶子结点存储的并不是数据的地址,而是主索引的值,因此,所有依赖于辅助索引的都是先根据辅助索引查到主索引,再根据主索引查数据的地址)。

在MyISAM中,主索引和辅助索引(Secondary key)在结构上没有任何区别,只是主索引要求key是唯一的,而辅助索引的key可以重复。

B-Tree
为了描述B-Tree,首先定义一条数据记录为一个二元组key, data,key为记录的键值,对于不同数据记录,key是互不相同的;data为数据记录除key外的数据。那么B-Tree是满足下列条件的数据结构:

由于B-Tree的特性,在B-Tree中按key检索数据的算法非常直观:首先从根节点进行二分查找,如果找到则返回对应节点的data,否则对相应区间的指针指向的节点递归进行查找,直到找到节点或找到null指针,前者查找成功,后者查找失败。B-Tree上查找算法的伪代码如下:

b-tree和b+tree
b-tree节点自己保存data.png

B+Tree
B-Tree有许多变种,其中最常见的是B+Tree,例如MySQL就普遍使用B+Tree实现其索引结构。

与B-Tree相比,B+Tree有以下不同点:

每个节点的指针上限为2d而不是2d+1。

内节点不存储data,只存储key;叶子节点不存储指针。(由非叶子节点划分范围, 然后到叶子节点中找数据)

b-tree和b+tree
非叶子节点根据key划分范围,最终由叶子节点保存data.png