Árbol B

En este tutorial, aprenderá qué es un árbol B. Además, encontrará ejemplos prácticos de operaciones de búsqueda en un árbol B en C, C ++, Java y Python.

B-tree es un tipo especial de árbol de búsqueda autoequilibrado en el que cada nodo puede contener más de una clave y puede tener más de dos hijos. Es una forma generalizada del árbol de búsqueda binaria.

También se le conoce como árbol de altura equilibrada.

Árbol B

¿Por qué B-tree?

La necesidad de B-tree surgió con el aumento de la necesidad de menos tiempo para acceder a los medios de almacenamiento físicos como un disco duro. Los dispositivos de almacenamiento secundarios son más lentos y tienen una mayor capacidad. Había una necesidad de este tipo de estructuras de datos que minimizaran los accesos al disco.

Otras estructuras de datos, como un árbol de búsqueda binario, un árbol avl, un árbol rojo-negro, etc., pueden almacenar solo una clave en un nodo. Si tiene que almacenar una gran cantidad de llaves, entonces la altura de dichos árboles se vuelve muy grande y el tiempo de acceso aumenta.

Sin embargo, B-tree puede almacenar muchas claves en un solo nodo y puede tener varios nodos secundarios. Esto disminuye la altura significativamente permitiendo accesos al disco más rápidos.

Propiedades del árbol B

  1. Para cada nodo x, las claves se almacenan en orden creciente.
  2. En cada nodo, hay un valor booleano x.leaf que es verdadero si x es una hoja.
  3. Si n es el orden del árbol, cada nodo interno puede contener como máximo n - 1 claves junto con un puntero a cada hijo.
  4. Cada nodo, excepto la raíz, puede tener como máximo n hijos y al menos n / 2 hijos.
  5. Todas las hojas tienen la misma profundidad (es decir, altura h del árbol).
  6. La raíz tiene al menos 2 hijos y contiene un mínimo de 1 clave.
  7. Si n ≧ 1, entonces para cualquier árbol B de n-teclas de altura hy grado mínimo t ≧ 2, .h ≧ logt (n+1)/2

Operaciones

buscando

La búsqueda de un elemento en un árbol B es la forma generalizada de buscar un elemento en un árbol de búsqueda binaria. Se siguen los siguientes pasos.

  1. Comenzando desde el nodo raíz, compare k con la primera clave del nodo.
    Si k = the first key of the node, devuelve el nodo y el índice.
  2. Si k.leaf = true, devuelve NULL (es decir, no encontrado).
  3. Si k < the first key of the root node, busque el hijo izquierdo de esta clave de forma recursiva.
  4. Si hay más de una clave en el nodo actual y k> the first key, compare k con la siguiente clave en el nodo.
    Si k < next key, busque el hijo izquierdo de esta clave (es decir, k se encuentra entre la primera y la segunda clave).
    De lo contrario, busque el hijo correcto de la clave.
  5. Repita los pasos 1 a 4 hasta alcanzar la hoja.

Ejemplo de búsqueda

  1. Busquemos la clave k = 17en el árbol debajo del grado 3. Árbol B
  2. k no se encuentra en la raíz, así que compárelo con la clave raíz. k no se encuentra en el nodo raíz
  3. Desde entonces k> 11, vaya al hijo derecho del nodo raíz. Ir al subárbol de la derecha
  4. Compare k con 16. Ya que k> 16, compare k con la siguiente clave 18. Compare con las claves de izquierda a derecha
  5. Dado que k < 18, k se encuentra entre 16 y 18. Busque en el hijo derecho de 16 o el hijo izquierdo de 18. k se encuentra entre 16 y 18
  6. k se encuentra. k se encuentra

Algoritmo para buscar un elemento

 BtreeSearch(x, k) i = 1 while i ≦ n(x) and k ≧ keyi(x) // n(x) means number of keys in x node do i = i + 1 if i n(x) and k = keyi(x) then return (x, i) if leaf (x) then return NIL else return BtreeSearch(ci(x), k)

Para obtener más información sobre las diferentes operaciones del árbol B, visite

  • Inserción en árbol B
  • Eliminación en árbol B

Ejemplos de Python, Java y C / C ++

Python Java C C ++ 
# Searching a key on a B-tree in Python # Create node class BTreeNode: def __init__(self, leaf=False): self.leaf = leaf self.keys = () self.child = () class BTree: def __init__(self, t): self.root = BTreeNode(True) self.t = t # Print the tree def print_tree(self, x, l=0): print("Level ", l, " ", len(x.keys), end=":") for i in x.keys: print(i, end=" ") print() l += 1 if len(x.child)> 0: for i in x.child: self.print_tree(i, l) # Search key def search_key(self, k, x=None): if x is not None: i = 0 while i x.keys(i)(0): i += 1 if i  = 0 and k(0)  = 0 and k(0)  x.keys(i)(0): i += 1 self.insert_non_full(x.child(i), k) # Split def split(self, x, i): t = self.t y = x.child(i) z = BTreeNode(y.leaf) x.child.insert_key(i + 1, z) x.keys.insert_key(i, y.keys(t - 1)) z.keys = y.keys(t: (2 * t) - 1) y.keys = y.keys(0: t - 1) if not y.leaf: z.child = y.child(t: 2 * t) y.child = y.child(0: t - 1) def main(): B = BTree(3) for i in range(10): B.insert_key((i, 2 * i)) B.print_tree(B.root) if B.search_key(8) is not None: print("Found") else: print("Not found") if __name__ == '__main__': main()   
 // Searching a key on a B-tree in Java public class BTree ( private int T; // Node creation public class Node ( int n; int key() = new int(2 * T - 1); Node child() = new Node(2 * T); boolean leaf = true; public int Find(int k) ( for (int i = 0; i < this.n; i++) ( if (this.key(i) == k) ( return i; ) ) return -1; ); ) public BTree(int t) ( T = t; root = new Node(); root.n = 0; root.leaf = true; ) private Node root; // Search key private Node Search(Node x, int key) ( int i = 0; if (x == null) return x; for (i = 0; i < x.n; i++) ( if (key < x.key(i)) ( break; ) if (key == x.key(i)) ( return x; ) ) if (x.leaf) ( return null; ) else ( return Search(x.child(i), key); ) ) // Splitting the node private void Split(Node x, int pos, Node y) ( Node z = new Node(); z.leaf = y.leaf; z.n = T - 1; for (int j = 0; j < T - 1; j++) ( z.key(j) = y.key(j + T); ) if (!y.leaf) ( for (int j = 0; j = pos + 1; j--) ( x.child(j + 1) = x.child(j); ) x.child(pos + 1) = z; for (int j = x.n - 1; j>= pos; j--) ( x.key(j + 1) = x.key(j); ) x.key(pos) = y.key(T - 1); x.n = x.n + 1; ) // Inserting a value public void Insert(final int key) ( Node r = root; if (r.n == 2 * T - 1) ( Node s = new Node(); root = s; s.leaf = false; s.n = 0; s.child(0) = r; Split(s, 0, r); insertValue(s, key); ) else ( insertValue(r, key); ) ) // Insert the node final private void insertValue(Node x, int k) ( if (x.leaf) ( int i = 0; for (i = x.n - 1; i>= 0 && k  = 0 && k x.key(i)) ( i++; ) ) insertValue(x.child(i), k); ) ) public void Show() ( Show(root); ) // Display private void Show(Node x) ( assert (x == null); for (int i = 0; i < x.n; i++) ( System.out.print(x.key(i) + " "); ) if (!x.leaf) ( for (int i = 0; i < x.n + 1; i++) ( Show(x.child(i)); ) ) ) // Check if present public boolean Contain(int k) ( if (this.Search(root, k) != null) ( return true; ) else ( return false; ) ) public static void main(String() args) ( BTree b = new BTree(3); b.Insert(8); b.Insert(9); b.Insert(10); b.Insert(11); b.Insert(15); b.Insert(20); b.Insert(17); b.Show(); if (b.Contain(12)) ( System.out.println("found"); ) else ( System.out.println("not found"); ) ; ) ) 
// Searching a key on a B-tree in C #include #include #define MAX 3 #define MIN 2 struct BTreeNode ( int val(MAX + 1), count; struct BTreeNode *link(MAX + 1); ); struct BTreeNode *root; // Create a node struct BTreeNode *createNode(int val, struct BTreeNode *child) ( struct BTreeNode *newNode; newNode = (struct BTreeNode *)malloc(sizeof(struct BTreeNode)); newNode->val(1) = val; newNode->count = 1; newNode->link(0) = root; newNode->link(1) = child; return newNode; ) // Insert node void insertNode(int val, int pos, struct BTreeNode *node, struct BTreeNode *child) ( int j = node->count; while (j> pos) ( node->val(j + 1) = node->val(j); node->link(j + 1) = node->link(j); j--; ) node->val(j + 1) = val; node->link(j + 1) = child; node->count++; ) // Split node void splitNode(int val, int *pval, int pos, struct BTreeNode *node, struct BTreeNode *child, struct BTreeNode **newNode) ( int median, j; if (pos> MIN) median = MIN + 1; else median = MIN; *newNode = (struct BTreeNode *)malloc(sizeof(struct BTreeNode)); j = median + 1; while (j val(j - median) = node->val(j); (*newNode)->link(j - median) = node->link(j); j++; ) node->count = median; (*newNode)->count = MAX - median; if (pos val(node->count); (*newNode)->link(0) = node->link(node->count); node->count--; ) // Set the value int setValue(int val, int *pval, struct BTreeNode *node, struct BTreeNode **child) ( int pos; if (!node) ( *pval = val; *child = NULL; return 1; ) if (val val(1)) ( pos = 0; ) else ( for (pos = node->count; (val val(pos) && pos> 1); pos--) ; if (val == node->val(pos)) ( printf("Duplicates are not permitted"); return 0; ) ) if (setValue(val, pval, node->link(pos), child)) ( if (node->count < MAX) ( insertNode(*pval, pos, node, *child); ) else ( splitNode(*pval, pval, pos, node, *child, child); return 1; ) ) return 0; ) // Insert the value void insert(int val) ( int flag, i; struct BTreeNode *child; flag = setValue(val, &i, root, &child); if (flag) root = createNode(i, child); ) // Search node void search(int val, int *pos, struct BTreeNode *myNode) ( if (!myNode) ( return; ) if (val val(1)) ( *pos = 0; ) else ( for (*pos = myNode->count; (val val(*pos) && *pos> 1); (*pos)--) ; if (val == myNode->val(*pos)) ( printf("%d is found", val); return; ) ) search(val, pos, myNode->link(*pos)); return; ) // Traverse then nodes void traversal(struct BTreeNode *myNode) ( int i; if (myNode) ( for (i = 0; i count; i++) ( traversal(myNode->link(i)); printf("%d ", myNode->val(i + 1)); ) traversal(myNode->link(i)); ) ) int main() ( int val, ch; insert(8); insert(9); insert(10); insert(11); insert(15); insert(16); insert(17); insert(18); insert(20); insert(23); traversal(root); printf(""); search(11, &ch, root); )
// Searching a key on a B-tree in C++ #include using namespace std; class TreeNode ( int *keys; int t; TreeNode **C; int n; bool leaf; public: TreeNode(int temp, bool bool_leaf); void insertNonFull(int k); void splitChild(int i, TreeNode *y); void traverse(); TreeNode *search(int k); friend class BTree; ); class BTree ( TreeNode *root; int t; public: BTree(int temp) ( root = NULL; t = temp; ) void traverse() ( if (root != NULL) root->traverse(); ) TreeNode *search(int k) ( return (root == NULL) ? NULL : root->search(k); ) void insert(int k); ); TreeNode::TreeNode(int t1, bool leaf1) ( t = t1; leaf = leaf1; keys = new int(2 * t - 1); C = new TreeNode *(2 * t); n = 0; ) void TreeNode::traverse() ( int i; for (i = 0; i traverse(); cout << " " 
 search(k); ) void BTree::insert(int k) ( if (root == NULL) ( root = new TreeNode(t, true); root->keys(0) = k; root->n = 1; ) else ( if (root->n == 2 * t - 1) ( TreeNode *s = new TreeNode(t, false); s->C(0) = root; s->splitChild(0, root); int i = 0; if (s->keys(0) C(i)->insertNonFull(k); root = s; ) else root->insertNonFull(k); ) ) void TreeNode::insertNonFull(int k) ( int i = n - 1; if (leaf == true) ( while (i>= 0 && keys(i)> k) ( keys(i + 1) = keys(i); i--; ) keys(i + 1) = k; n = n + 1; ) else ( while (i>= 0 && keys(i)> k) i--; if (C(i + 1)->n == 2 * t - 1) ( splitChild(i + 1, C(i + 1)); if (keys(i + 1) insertNonFull(k); ) ) void TreeNode::splitChild(int i, TreeNode *y) ( TreeNode *z = new TreeNode(y->t, y->leaf); z->n = t - 1; for (int j = 0; j keys(j) = y->keys(j + t); if (y->leaf == false) ( for (int j = 0; j C(j) = y->C(j + t); ) y->n = t - 1; for (int j = n; j>= i + 1; j--) C(j + 1) = C(j); C(i + 1) = z; for (int j = n - 1; j>= i; j--) keys(j + 1) = keys(j); keys(i) = y->keys(t - 1); n = n + 1; ) int main() ( BTree t(3); t.insert(8); t.insert(9); t.insert(10); t.insert(11); t.insert(15); t.insert(16); t.insert(17); t.insert(18); t.insert(20); t.insert(23); cout << "The B-tree is: "; t.traverse(); int k = 10; (t.search(k) != NULL) ? cout << endl << k << " is found" : cout << endl << k << " is not Found"; k = 2; (t.search(k) != NULL) ? cout << endl << k << " is found" : cout << endl << k << " is not Found"; )

Buscando complejidad en el árbol B

En el peor de los casos, complejidad del tiempo: Θ(log n)

Complejidad del tiempo medio del caso: Θ(log n)

Mejor caso Complejidad de tiempo: Θ(log n)

Complejidad de espacio de caso promedio: Θ(n)

En el peor de los casos, complejidad espacial: Θ(n)

Aplicaciones del árbol B

  • bases de datos y sistemas de archivos
  • para almacenar bloques de datos (medio de almacenamiento secundario)
  • indexación multinivel

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