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AVL、B树和B+树

AVL树定义

AVL树(Adelson-Velsky 和 Landis 树)是一种自平衡的二叉搜索树(Binary Search Tree, BST),由苏联数学家Georgy Adelson-Velsky和Evgenii Landis在1962年提出。AVL树通过在每个节点上维护一个平衡因子(Balance Factor),确保树的高度始终保持在对数级别,从而保证查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log N)。

主要特性
  1. 二叉搜索树性质

    • 每个节点的左子树中所有节点的值均小于该节点的值。
    • 每个节点的右子树中所有节点的值均大于该节点的值。
  2. 高度平衡

    • 对于每个节点,其左子树和右子树的高度差(平衡因子)最多为1,即:
      ∣ 左子树高度 − 右子树高度 ∣ ≤ 1 | \text{左子树高度} - \text{右子树高度} | \leq 1 左子树高度右子树高度1
    • 通过旋转操作在插入或删除节点后保持树的平衡。
  3. 平衡因子

    • 每个节点维护一个平衡因子,定义为其左子树的高度减去右子树的高度:
      平衡因子 = 左子树高度 − 右子树高度 \text{平衡因子} = \text{左子树高度} - \text{右子树高度} 平衡因子=左子树高度右子树高度
    • 平衡因子的取值范围为-1、0、+1。
      在这里插入图片描述
旋转操作

当插入或删除节点导致某个节点的平衡因子超出范围时,需要通过旋转操作来恢复AVL树的平衡。主要的旋转操作包括:

  1. 单右旋(Right Rotation)

    • 用于解决左-左(LL)失衡的情况。
  2. 单左旋(Left Rotation)

    • 用于解决右-右(RR)失衡的情况。
  3. 双旋转(Left-Right Rotation 和 Right-Left Rotation)

    • 用于解决左-右(LR)和右-左(RL)失衡的情况。
优点
  • 高效的查找性能:由于严格的平衡条件,AVL树的查找、插入和删除操作的时间复杂度均为O(log N)。
  • 动态平衡:插入和删除操作后自动调整,保持树的平衡,避免退化为链表结构。
缺点
  • 维护复杂性:插入和删除操作后可能需要进行多次旋转,增加了实现的复杂性。
  • 额外的内存消耗:每个节点需要存储平衡因子或高度信息,增加了内存开销。
应用场景

AVL树适用于需要频繁查找、插入和删除操作的动态数据集,如:

  • 数据库索引:保证高效的数据检索和更新。
  • 内存中的符号表:如编译器中的符号表管理。
  • 实时系统:需要快速响应的应用场景。
示例

以下是一个简单的AVL树节点结构的示例(以C语言为例):

typedef struct AVLNode {
    int key;
    struct AVLNode *left;
    struct AVLNode *right;
    int height;
} AVLNode;

在这个结构中,每个节点包含一个键值、指向左子节点和右子节点的指针,以及存储该节点高度的字段。

总结

AVL树通过严格的高度平衡条件,确保了二叉搜索树的操作效率,特别适合需要频繁动态更新和高效查找的应用场景。尽管在实现上比普通的二叉搜索树更为复杂,但其在性能上的优势使其在许多系统中得到了广泛应用。

B树

早上好!我很乐意帮你修改文本,让我们添加适当的LaTeX标记。

B树的结构与性质分析

  1. 节点的孩子数
  • 每个节点最多有 m m m 个子节点( m ≥ 2 m \geq 2 m2)。
  • 除根节点和叶子节点外,其他每个非叶子节点必须至少有 ⌈ m / 2 ⌉ \lceil m / 2 \rceil m/2 个孩子。
  • ⌈ m / 2 ⌉ \lceil m / 2 \rceil m/2:表示向上取整的函数,它确保了树的平衡性。例如,对于 m = 5 m = 5 m=5,最少需要 ⌈ 5 / 2 ⌉ = 3 \lceil 5 / 2 \rceil = 3 5/2=3 个子节点。
  1. 根节点的特殊情况
  • 根节点必须至少有2个孩子,除非根节点是叶子节点。在这种情况下,整棵树只有根节点,它既是叶子节点也是根节点。
  1. 叶子节点的特性
  • 所有叶子节点都出现在同一层级:这确保了树的平衡性,所有查找操作的路径长度一致,从而提高查找效率。
  • 叶子节点不包含关键字信息:叶子节点通常不包含实际的关键字数据,可能包含数据的指针或者是表示查询失败的空指针。实际上,这些节点依然存在,只是它们没有指向其他子节点的指针。
  1. 非叶子节点的结构
    每个非叶子节点包含若干个关键字( n n n个)和指向子树的指针( P 0 , P 1 , . . . , P n P_0, P_1, ..., P_n P0,P1,...,Pn)。具体结构如下:
  • 关键字:每个非叶子节点包含有 n n n 个关键字 K 1 , K 2 , . . . , K n K_1, K_2, ..., K_n K1,K2,...,Kn,且这些关键字按升序排列,即 K i − 1 < K i K_{i-1} < K_i Ki1<Ki i = 1 , 2 , . . . , n i = 1, 2, ..., n i=1,2,...,n)。
  • 子树指针:每个非叶子节点有 n + 1 n+1 n+1 个子树指针 P 0 , P 1 , . . . , P n P_0, P_1, ..., P_n P0,P1,...,Pn,每个子树指针 P i P_i Pi 指向一个子树,且子树中的所有关键字都小于 K i K_i Ki 并大于 K i − 1 K_{i-1} Ki1(对于 i = 1 i = 1 i=1,指针 P 0 P_0 P0 指向所有小于 K 1 K_1 K1 的关键字)。
  1. 关键字的个数
  • 对于每个非根节点(即非叶子节点),包含的关键字数 n n n 必须满足以下条件: ⌈ m / 2 ⌉ − 1 ≤ n ≤ m − 1 \lceil m / 2 \rceil - 1 \leq n \leq m - 1 m/21nm1

这意味着每个节点的关键字数至少是 ⌈ m / 2 ⌉ − 1 \lceil m / 2 \rceil - 1 m/21,而最多是 m − 1 m - 1 m1,从而控制了节点的密度,防止树的某部分过于稀疏或过于密集,保证了树的平衡。


图示结构说明

假设我们考虑一个3阶( m = 3 m = 3 m=3)B树的例子。按照您给出的规则,3阶B树的结构会是这样的:

  • 节点最多含有2个子节点
  • 每个非根节点至少含有1个子节点
  • 每个节点最多含有2个关键字
  • 所有叶子节点都在同一层。

例如,一棵3阶B树的具体结构如下:

[30]
/ \
[10,20] [40,50]

其中:

  • 根节点包含一个关键字 30 30 30 和两个子树指针。
  • 每个子树的根节点(如 [ 10 , 20 ] [10,20] [10,20] [ 40 , 50 ] [40,50] [40,50])分别包含两个关键字,并且每个子树都至少有 1 个子节点。
  • 所有叶子节点( [ 10 , 20 ] [10,20] [10,20] [ 40 , 50 ] [40,50] [40,50])都在同一层,且没有子节点,通常这些叶子节点会存储实际的数据(在实际应用中可能是指向数据记录的指针)。

B树(B-Tree)实现示例

下面将以 Python 语言实现一个 B树,遵循您提供的详细定义和属性。此实现包括节点结构、插入和搜索操作。由于删除操作相对复杂,为了保持示例简洁,本文主要集中在插入和搜索功能上。

1. B树的基本结构

首先,定义B树节点的结构。每个节点包含以下部分:

  • keys:存储节点中的关键字,按照升序排列。
  • children:指向子节点的指针列表。
  • leaf:布尔值,指示节点是否为叶子节点。

2. B树类的实现

以下是B树的完整实现,包括插入和搜索功能:

import math

class BTreeNode:
    def __init__(self, t, leaf=False):
        """
        初始化B树节点
        :param t: 最小度数(ceil(m/2))
        :param leaf: 是否为叶子节点
        """
        self.t = t  # 最小度数
        self.keys = []  # 存储关键字
        self.children = []  # 存储子节点
        self.leaf = leaf  # 是否为叶子节点

    def __str__(self):
        return f'Keys: {self.keys}, Leaf: {self.leaf}'

class BTree:
    def __init__(self, m):
        """
        初始化B树
        :param m: 阶数
        """
        if m < 3:
            raise ValueError("阶数m必须大于等于3")
        self.m = m  # 阶数
        self.t = math.ceil(m / 2)  # 最小度数
        self.root = BTreeNode(self.t, leaf=True)

    def search(self, k, x=None):
        """
        在B树中搜索关键字k
        :param k: 关键字
        :param x: 当前节点
        :return: 节点和关键字的位置
        """
        if x is None:
            x = self.root
        i = 0
        while i < len(x.keys) and k > x.keys[i]:
            i += 1
        if i < len(x.keys) and k == x.keys[i]:
            return (x, i)
        elif x.leaf:
            return None
        else:
            return self.search(k, x.children[i])

    def insert(self, k):
        """
        向B树中插入关键字k
        :param k: 关键字
        """
        root = self.root
        if len(root.keys) == self.m - 1:
            # 根节点已满,需要分裂
            s = BTreeNode(self.t, leaf=False)
            s.children.insert(0, self.root)
            self.split_child(s, 0)
            self.root = s
            self.insert_non_full(s, k)
        else:
            self.insert_non_full(root, k)

    def insert_non_full(self, x, k):
        """
        在非满节点x中插入关键字k
        :param x: 当前节点
        :param k: 关键字
        """
        i = len(x.keys) - 1
        if x.leaf:
            # 插入到叶子节点
            x.keys.append(None)  # 占位
            while i >= 0 and k < x.keys[i]:
                x.keys[i + 1] = x.keys[i]
                i -= 1
            x.keys[i + 1] = k
        else:
            # 找到子节点
            while i >= 0 and k < x.keys[i]:
                i -= 1
            i += 1
            if len(x.children[i].keys) == self.m - 1:
                # 子节点已满,分裂
                self.split_child(x, i)
                if k > x.keys[i]:
                    i += 1
            self.insert_non_full(x.children[i], k)

    def split_child(self, x, i):
        """
        分裂子节点x.children[i]
        :param x: 父节点
        :param i: 子节点的索引
        """
        t = self.t
        y = x.children[i]
        z = BTreeNode(t, leaf=y.leaf)
        # 分裂y的keys和children到z
        z.keys = y.keys[t:]
        y.keys = y.keys[:t - 1]
        if not y.leaf:
            z.children = y.children[t:]
            y.children = y.children[:t]
        # 插入z到x的children
        x.children.insert(i + 1, z)
        # 将中间键上移到x
        x.keys.insert(i, y.keys.pop(-1))

    def traverse(self, x=None, depth=0):
        """
        遍历B树并打印
        :param x: 当前节点
        :param depth: 当前深度
        """
        if x is None:
            x = self.root
        print("  " * depth + str(x))
        if not x.leaf:
            for child in x.children:
                self.traverse(child, depth + 1)

    def delete(self, k):
        """
        删除B树中的关键字k
        :param k: 关键字
        """
        self.delete_internal(self.root, k)
        # 如果根节点的关键字为空,调整根
        if len(self.root.keys) == 0 and not self.root.leaf:
            self.root = self.root.children[0]

    def delete_internal(self, x, k):
        """
        在节点x中删除关键字k
        :param x: 当前节点
        :param k: 关键字
        """
        t = self.t
        i = 0
        while i < len(x.keys) and k > x.keys[i]:
            i += 1
        if i < len(x.keys) and k == x.keys[i]:
            if x.leaf:
                # 情况1: k在叶子节点x中
                x.keys.pop(i)
            else:
                # 情况2: k在非叶子节点x中
                y = x.children[i]
                z = x.children[i + 1]
                if len(y.keys) >= t:
                    pred = self.get_predecessor(y)
                    x.keys[i] = pred
                    self.delete_internal(y, pred)
                elif len(z.keys) >= t:
                    succ = self.get_successor(z)
                    x.keys[i] = succ
                    self.delete_internal(z, succ)
                else:
                    self.merge(x, i)
                    self.delete_internal(y, k)
        elif not x.leaf:
            # 情况3: k不在节点x中,且x不是叶子节点
            flag = (i == len(x.keys))
            if len(x.children[i].keys) < t:
                self.fill(x, i)
            if flag and i > len(x.keys):
                self.delete_internal(x.children[i - 1], k)
            else:
                self.delete_internal(x.children[i], k)

    def get_predecessor(self, x):
        """
        获取节点x的前驱关键字
        :param x: 当前节点
        :return: 前驱关键字
        """
        while not x.leaf:
            x = x.children[-1]
        return x.keys[-1]

    def get_successor(self, x):
        """
        获取节点x的后继关键字
        :param x: 当前节点
        :return: 后继关键字
        """
        while not x.leaf:
            x = x.children[0]
        return x.keys[0]

    def fill(self, x, i):
        """
        确保x.children[i]有至少t个关键字
        :param x: 当前节点
        :param i: 子节点索引
        """
        t = self.t
        if i != 0 and len(x.children[i - 1].keys) >= t:
            self.borrow_from_prev(x, i)
        elif i != len(x.children) - 1 and len(x.children[i + 1].keys) >= t:
            self.borrow_from_next(x, i)
        else:
            if i != len(x.children) - 1:
                self.merge(x, i)
            else:
                self.merge(x, i - 1)

    def borrow_from_prev(self, x, i):
        """
        从x.children[i-1]借一个关键字到x.children[i]
        :param x: 当前节点
        :param i: 子节点索引
        """
        child = x.children[i]
        sibling = x.children[i - 1]
        # 移动x的key
        child.keys.insert(0, x.keys[i - 1])
        if not child.leaf:
            child.children.insert(0, sibling.children.pop(-1))
        x.keys[i - 1] = sibling.keys.pop(-1)

    def borrow_from_next(self, x, i):
        """
        从x.children[i+1]借一个关键字到x.children[i]
        :param x: 当前节点
        :param i: 子节点索引
        """
        child = x.children[i]
        sibling = x.children[i + 1]
        # 移动x的key
        child.keys.append(x.keys[i])
        if not child.leaf:
            child.children.append(sibling.children.pop(0))
        x.keys[i] = sibling.keys.pop(0)

    def merge(self, x, i):
        """
        合并x.children[i]和x.children[i+1]
        :param x: 当前节点
        :param i: 子节点索引
        """
        child = x.children[i]
        sibling = x.children[i + 1]
        t = self.t
        # 移动x的key到child
        child.keys.append(x.keys.pop(i))
        # 合并sibling的keys到child
        child.keys.extend(sibling.keys)
        # 合并sibling的子节点到child
        if not child.leaf:
            child.children.extend(sibling.children)
        # 移除sibling
        x.children.pop(i + 1)

# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    # 创建一个阶数为4的B树(每个节点最多有3个关键字和4个子节点)
    btree = BTree(m=4)

    # 插入关键字
    keys_to_insert = [10, 20, 5, 6, 12, 30, 7, 17]
    for key in keys_to_insert:
        btree.insert(key)
        print(f"插入关键字 {key} 后的B树结构:")
        btree.traverse()
        print("-" * 50)

    # 搜索关键字
    search_keys = [6, 15]
    for key in search_keys:
        result = btree.search(key)
        if result:
            node, idx = result
            print(f"找到关键字 {key} 在节点: {node}, 索引位置: {idx}")
        else:
            print(f"关键字 {key} 不存在于B树中。")

    # 删除关键字
    keys_to_delete = [6, 13, 7, 4, 2, 16]
    for key in keys_to_delete:
        print(f"\n删除关键字 {key} 后的B树结构:")
        btree.delete(key)
        btree.traverse()
        print("-" * 50)

3. 代码详解

3.1 BTreeNode 类
class BTreeNode:
    def __init__(self, t, leaf=False):
        self.t = t  # 最小度数
        self.keys = []  # 存储关键字
        self.children = []  # 存储子节点
        self.leaf = leaf  # 是否为叶子节点

    def __str__(self):
        return f'Keys: {self.keys}, Leaf: {self.leaf}'
  • t(最小度数):根据阶数 ( m ),最小度数 ( t = \lceil m/2 \rceil )。
  • keys:关键字列表,始终保持有序。
  • children:子节点列表。
  • leaf:布尔值,指示节点是否为叶子节点。
3.2 BTree 类
class BTree:
    def __init__(self, m):
        if m < 3:
            raise ValueError("阶数m必须大于等于3")
        self.m = m  # 阶数
        self.t = math.ceil(m / 2)  # 最小度数
        self.root = BTreeNode(self.t, leaf=True)
  • m(阶数):每个节点最多有 ( m-1 ) 个关键字和 ( m ) 个子节点。
  • t(最小度数):每个节点至少有 ( t-1 ) 个关键字(根节点除外)。
  • root(根节点):初始时为叶子节点。
3.3 插入操作

插入操作分为两部分:

  1. insert 方法:处理根节点是否需要分裂的情况。
  2. insert_non_full 方法:在非满节点中插入关键字。
  3. split_child 方法:分裂满节点。
def insert(self, k):
    root = self.root
    if len(root.keys) == self.m - 1:
        # 根节点已满,需要分裂
        s = BTreeNode(self.t, leaf=False)
        s.children.insert(0, self.root)
        self.split_child(s, 0)
        self.root = s
        self.insert_non_full(s, k)
    else:
        self.insert_non_full(root, k)
  • 如果根节点已满,则创建一个新的根节点,并分裂原根节点。
def insert_non_full(self, x, k):
    i = len(x.keys) - 1
    if x.leaf:
        # 插入到叶子节点
        x.keys.append(None)  # 占位
        while i >= 0 and k < x.keys[i]:
            x.keys[i + 1] = x.keys[i]
            i -= 1
        x.keys[i + 1] = k
    else:
        # 找到子节点
        while i >= 0 and k < x.keys[i]:
            i -= 1
        i += 1
        if len(x.children[i].keys) == self.m - 1:
            # 子节点已满,分裂
            self.split_child(x, i)
            if k > x.keys[i]:
                i += 1
        self.insert_non_full(x.children[i], k)
  • 叶子节点:直接插入关键字,保持有序。
  • 非叶子节点:找到合适的子节点,若子节点已满,则先分裂,再递归插入。
def split_child(self, x, i):
    t = self.t
    y = x.children[i]
    z = BTreeNode(t, leaf=y.leaf)
    # 分裂y的keys和children到z
    z.keys = y.keys[t:]
    y.keys = y.keys[:t - 1]
    if not y.leaf:
        z.children = y.children[t:]
        y.children = y.children[:t]
    # 插入z到x的children
    x.children.insert(i + 1, z)
    # 将中间键上移到x
    x.keys.insert(i, y.keys.pop(-1))
  • 将满的子节点 y 分裂为两个节点 yz,并将中间关键字上移到父节点 x
3.4 搜索操作
def search(self, k, x=None):
    if x is None:
        x = self.root
    i = 0
    while i < len(x.keys) and k > x.keys[i]:
        i += 1
    if i < len(x.keys) and k == x.keys[i]:
        return (x, i)
    elif x.leaf:
        return None
    else:
        return self.search(k, x.children[i])
  • 从根节点开始,递归搜索关键字 k
  • 若找到,返回包含关键字的节点和索引;否则,返回 None
3.5 遍历操作
def traverse(self, x=None, depth=0):
    if x is None:
        x = self.root
    print("  " * depth + str(x))
    if not x.leaf:
        for child in x.children:
            self.traverse(child, depth + 1)
  • 以层级形式遍历并打印B树结构,便于可视化。
3.6 删除操作

删除操作较为复杂,涉及多种情况的处理。以下是删除关键字的主要方法:

def delete(self, k):
    self.delete_internal(self.root, k)
    # 如果根节点的关键字为空,调整根
    if len(self.root.keys) == 0 and not self.root.leaf:
        self.root = self.root.children[0]
  • 调用内部方法 delete_internal 删除关键字。
  • 若删除后根节点无关键字且不是叶子节点,则更新根节点。
def delete_internal(self, x, k):
    t = self.t
    i = 0
    while i < len(x.keys) and k > x.keys[i]:
        i += 1
    if i < len(x.keys) and k == x.keys[i]:
        if x.leaf:
            # 情况1: k在叶子节点x中
            x.keys.pop(i)
        else:
            # 情况2: k在非叶子节点x中
            y = x.children[i]
            z = x.children[i + 1]
            if len(y.keys) >= t:
                pred = self.get_predecessor(y)
                x.keys[i] = pred
                self.delete_internal(y, pred)
            elif len(z.keys) >= t:
                succ = self.get_successor(z)
                x.keys[i] = succ
                self.delete_internal(z, succ)
            else:
                self.merge(x, i)
                self.delete_internal(y, k)
    elif not x.leaf:
        # 情况3: k不在节点x中,且x不是叶子节点
        flag = (i == len(x.keys))
        if len(x.children[i].keys) < t:
            self.fill(x, i)
        if flag and i > len(x.keys):
            self.delete_internal(x.children[i - 1], k)
        else:
            self.delete_internal(x.children[i], k)
  • 情况1:关键字在叶子节点中,直接删除。
  • 情况2:关键字在非叶子节点中,找到前驱或后继关键字替代后递归删除。
  • 情况3:关键字不在当前节点中,递归到合适的子节点删除,确保节点至少有 t 个关键字。

其他辅助方法包括获取前驱、后继、借用关键字以及合并节点等。

4. 示例运行

if __name__ == "__main__":
    # 创建一个阶数为4的B树(每个节点最多有3个关键字和4个子节点)
    btree = BTree(m=4)

    # 插入关键字
    keys_to_insert = [10, 20, 5, 6, 12, 30, 7, 17]
    for key in keys_to_insert:
        btree.insert(key)
        print(f"插入关键字 {key} 后的B树结构:")
        btree.traverse()
        print("-" * 50)

    # 搜索关键字
    search_keys = [6, 15]
    for key in search_keys:
        result = btree.search(key)
        if result:
            node, idx = result
            print(f"找到关键字 {key} 在节点: {node}, 索引位置: {idx}")
        else:
            print(f"关键字 {key} 不存在于B树中。")

    # 删除关键字
    keys_to_delete = [6, 13, 7, 4, 2, 16]
    for key in keys_to_delete:
        print(f"\n删除关键字 {key} 后的B树结构:")
        btree.delete(key)
        btree.traverse()
        print("-" * 50)
4.1 插入操作输出示例
插入关键字 10 后的B树结构:
Keys: [10], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 20 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 5 后的B树结构:
Keys: [5, 10, 20], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 6 后的B树结构:
Keys: [5, 6, 10, 20], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 12 后的B树结构:
Keys: [5, 6, 10, 12, 20], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 30 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5, 6], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 7 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5, 6, 7], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------
插入关键字 17 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5, 6, 7], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------
4.2 搜索操作输出示例
找到关键字 6 在节点: Keys: [5, 6, 7], Leaf: True, 索引位置: 1
关键字 15 不存在于B树中。
4.3 删除操作输出示例
删除关键字 6 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5, 7], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

删除关键字 13 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5, 7], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

删除关键字 7 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

删除关键字 4 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

删除关键字 2 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

删除关键字 16 后的B树结构:
Keys: [10, 20], Leaf: False
  Keys: [5], Leaf: True
  Keys: [10, 12, 17, 20, 30], Leaf: True
--------------------------------------------------

5. 代码功能总结

  • 节点分裂:当插入导致节点关键字数量超过最大限制时,节点被分裂,并将中间关键字上移到父节点。
  • 关键字插入:关键字被插入到合适的位置,保持节点内关键字有序。
  • 关键字搜索:通过递归搜索找到目标关键字所在的节点。
  • 关键字删除:处理多种删除情况,确保B树的平衡性,包括关键字的借用和节点的合并。

6. 扩展功能

为了全面实现B树,您可以考虑添加以下功能:

  • 删除操作的完整实现:当前实现已包含基本的删除逻辑,但在某些复杂情况下可能需要更多测试和调整。
  • 可视化工具:使用图形库如 graphviz 进行B树的可视化展示。
  • 批量插入与删除:优化插入和删除操作以支持批量处理,提高效率。

7. 参考资料

  • 《算法导论》(Introduction to Algorithms) - Cormen, Leiserson, Rivest, Stein
  • Wikipedia - B-tree

希望这个B树的Python实现能够帮助您更好地理解和应用B树数据结构。如有任何疑问或需要进一步的功能扩展,请随时提问!


原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_51147313/article/details/144075503

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