完整B树算法Java实现代码

定义

在计算机科学中,B树(英语:B-tree)是一种自平衡的树,能够保持数据有序。这种数据结构能够让查找数据、顺序访问、插入数据及删除的动作,都在对数时间内完成。

为什么要引入B树?

首先,包括前面我们介绍的红黑树是将输入存入内存的一种内部查找树

而B树是前面平衡树算法的扩展,它支持保存在磁盘或者网络上的符号表进行外部查找,这些文件可能比我们以前考虑的输入要大的多(难以存入内存)。

既然内容保存在磁盘中,那么自然会因为树的深度过大而造成磁盘I/O读写过于频繁(磁盘读写速率是有限制的),进而导致查询效率低下。

那么降低树的深度自然很重要了。因此,我们引入了B树,多路查找树。

特点

树中每个结点最多含有m个孩子(m>=2);

除根结点和叶子结点外,其它每个结点至少有[ceil(m / 2)]个孩子(其中ceil(x)是一个取上限的函数);

若根结点不是叶子结点,则至少有2个孩子(特殊情况:没有孩子的根结点,即根结点为叶子结点,整棵树只有一个根节点);

所有叶子结点都出现在同一层(最底层),叶子结点为外部结点,保存内容,即key和value

其他结点为内部结点,保存索引,即key和next

内部结点的关键字key:K[1], K[2], …, K[M-1];且K[i] < K[i+1];

内容结点的指针next:P[1], P[2], …, P[M];其中P[1]指向关键字小于K[1]的子树,P[M]指向关键字大于K[M-1]的子树,其它P[i]指向关键字属于(K[i-1], K[i])的子树;

例如:(M=3)

查找和插入

为了方便这里用了一个特殊的哨兵键,它小于其他所有键,用*表示。

一开始B树只含有一个根结点,而根结点在初始化时仅含有该哨兵键。

内部结点中的每个键都与一个结点相关联,以此结点为根的子树种,所有的键都大于等于与此结点关联的键,但小于其他所有键。

这些约定在很大程度上能够简化代码。

代码

点击下载。

该代码实现引入了哨兵键,代码输出则剔除了它。

代码里含有哨兵键的B树(将图片保存到本地查看,字会清晰些):

代码输出的B树(将图片保存到本地查看,字会清晰些):

public class BTree<Key extends Comparable<Key>, Value>
{
  // max children per B-tree node = M-1
  // (must be even and greater than 2)
  private static final int M = 4;

  private Node root;    // root of the B-tree
  private int height;   // height of the B-tree
  private int n;      // number of key-value pairs in the B-tree

  // helper B-tree node data type
  private static final class Node
  {
    private int m;               // number of children
    private Entry[] children = new Entry[M];  // the array of children

    // create a node with k children
    private Node(int k)
    {
      m = k;
    }
  }

  // internal nodes: only use key and next
  // external nodes: only use key and value
  private static class Entry
  {
    private Comparable key;
    private Object val;
    private Node next;   // helper field to iterate over array entries
    public Entry(Comparable key, Object val, Node next)
    {
      this.key = key;
      this.val = val;
      this.next = next;
    }
  }

  /**
   * Initializes an empty B-tree.
   */
  public BTree()
  {
    root = new Node(0);
  }

  /**
   * Returns true if this symbol table is empty.
   * @return {@code true} if this symbol table is empty; {@code false} otherwise
   */
  public boolean isEmpty()
  {
    return size() == 0;
  }

  /**
   * Returns the number of key-value pairs in this symbol table.
   * @return the number of key-value pairs in this symbol table
   */
  public int size()
  {
    return n;
  }

  /**
   * Returns the height of this B-tree (for debugging).
   *
   * @return the height of this B-tree
   */
  public int height()
  {
    return height;
  }

  /**
   * Returns the value associated with the given key.
   *
   * @param key the key
   * @return the value associated with the given key if the key is in the symbol table
   *     and {@code null} if the key is not in the symbol table
   * @throws NullPointerException if {@code key} is {@code null}
   */
  public Value get(Key key)
  {
    if (key == null)
    {
      throw new NullPointerException("key must not be null");
    }
    return search(root, key, height);
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  private Value search(Node x, Key key, int ht)
  {
    Entry[] children = x.children;

    // external node到最底层叶子结点,遍历
    if (ht == 0)
    {
      for (int j = 0; j < x.m; j++)
      {
        if (eq(key, children[j].key))
        {
          return (Value) children[j].val;
        }
      }
    }

    // internal node递归查找next地址
    else
    {
      for (int j = 0; j < x.m; j++)
      {
        if (j+1 == x.m || less(key, children[j+1].key))
        {
          return search(children[j].next, key, ht-1);
        }
      }
    }
    return null;
  }

  /**
   * Inserts the key-value pair into the symbol table, overwriting the old value
   * with the new value if the key is already in the symbol table.
   * If the value is {@code null}, this effectively deletes the key from the symbol table.
   *
   * @param key the key
   * @param val the value
   * @throws NullPointerException if {@code key} is {@code null}
   */
  public void put(Key key, Value val)
  {
    if (key == null)
    {
      throw new NullPointerException("key must not be null");
    }
    Node u = insert(root, key, val, height); //分裂后生成的右结点
    n++;
    if (u == null)
    {
      return;
    }

    // need to split root重组root
    Node t = new Node(2);
    t.children[0] = new Entry(root.children[0].key, null, root);
    t.children[1] = new Entry(u.children[0].key, null, u);
    root = t;
    height++;
  }

  private Node insert(Node h, Key key, Value val, int ht)
  {
    int j;
    Entry t = new Entry(key, val, null);

    // external node外部结点,也是叶子结点,在树的最底层,存的是内容value
    if (ht == 0)
    {
      for (j = 0; j < h.m; j++)
      {
        if (less(key, h.children[j].key))
        {
          break;
        }
      }
    }

    // internal node内部结点,存的是next地址
    else
    {
      for (j = 0; j < h.m; j++)
      {
        if ((j+1 == h.m) || less(key, h.children[j+1].key))
        {
          Node u = insert(h.children[j++].next, key, val, ht-1);
          if (u == null)
          {
            return null;
          }
          t.key = u.children[0].key;
          t.next = u;
          break;
        }
      }
    }

    for (int i = h.m; i > j; i--)
    {
      h.children[i] = h.children[i-1];
    }
    h.children[j] = t;
    h.m++;
    if (h.m < M)
    {
      return null;
    }
    else
    {  //分裂结点
      return split(h);
    }
  }

  // split node in half
  private Node split(Node h)
  {
    Node t = new Node(M/2);
    h.m = M/2;
    for (int j = 0; j < M/2; j++)
    {
      t.children[j] = h.children[M/2+j];
    }
    return t;
  }

  /**
   * Returns a string representation of this B-tree (for debugging).
   *
   * @return a string representation of this B-tree.
   */
  public String toString()
  {
    return toString(root, height, "") + "\n";
  }

  private String toString(Node h, int ht, String indent)
  {
    StringBuilder s = new StringBuilder();
    Entry[] children = h.children;

    if (ht == 0)
    {
      for (int j = 0; j < h.m; j++)
      {
        s.append(indent + children[j].key + " " + children[j].val + "\n");
      }
    }
    else
    {
      for (int j = 0; j < h.m; j++)
      {
        if (j > 0)
        {
          s.append(indent + "(" + children[j].key + ")\n");
        }
        s.append(toString(children[j].next, ht-1, indent + "   "));
      }
    }
    return s.toString();
  }

  // comparison functions - make Comparable instead of Key to avoid casts
  private boolean less(Comparable k1, Comparable k2)
  {
    return k1.compareTo(k2) < 0;
  }

  private boolean eq(Comparable k1, Comparable k2)
  {
    return k1.compareTo(k2) == 0;
  }

  /**
   * Unit tests the {@code BTree} data type.
   *
   * @param args the command-line arguments
   */
  public static void main(String[] args)
  {
    BTree<String, String> st = new BTree<String, String>();

    st.put("www.cs.princeton.edu", "128.112.136.12");
    st.put("www.cs.princeton.edu", "128.112.136.11");
    st.put("www.princeton.edu",  "128.112.128.15");
    st.put("www.yale.edu",     "130.132.143.21");
    st.put("www.simpsons.com",   "209.052.165.60");
    st.put("www.apple.com",    "17.112.152.32");
    st.put("www.amazon.com",    "207.171.182.16");
    st.put("www.ebay.com",     "66.135.192.87");
    st.put("www.cnn.com",     "64.236.16.20");
    st.put("www.google.com",    "216.239.41.99");
    st.put("www.nytimes.com",   "199.239.136.200");
    st.put("www.microsoft.com",  "207.126.99.140");
    st.put("www.dell.com",     "143.166.224.230");
    st.put("www.slashdot.org",   "66.35.250.151");
    st.put("www.espn.com",     "199.181.135.201");
    st.put("www.weather.com",   "63.111.66.11");
    st.put("www.yahoo.com",    "216.109.118.65");

    System.out.println("cs.princeton.edu: " + st.get("www.cs.princeton.edu"));
    System.out.println("hardvardsucks.com: " + st.get("www.harvardsucks.com"));
    System.out.println("simpsons.com:   " + st.get("www.simpsons.com"));
    System.out.println("apple.com:     " + st.get("www.apple.com"));
    System.out.println("ebay.com:     " + st.get("www.ebay.com"));
    System.out.println("dell.com:     " + st.get("www.dell.com"));
    System.out.println();

    System.out.println("size:  " + st.size());
    System.out.println("height: " + st.height());
    System.out.println(st);
    System.out.println();
  }
}

输出:
cs.princeton.edu:  128.112.136.12
hardvardsucks.com: null
simpsons.com:      209.052.165.60
apple.com:         17.112.152.32
ebay.com:          66.135.192.87
dell.com:          143.166.224.230

size:    17
height:  2
          www.amazon.com 207.171.182.16
          www.apple.com 17.112.152.32
          www.cnn.com 64.236.16.20
     (www.cs.princeton.edu)
          www.cs.princeton.edu 128.112.136.12
          www.cs.princeton.edu 128.112.136.11
          www.dell.com 143.166.224.230
(www.ebay.com)
          www.ebay.com 66.135.192.87
          www.espn.com 199.181.135.201
          www.google.com 216.239.41.99
     (www.microsoft.com)
          www.microsoft.com 207.126.99.140
          www.nytimes.com 199.239.136.200
(www.princeton.edu)
          www.princeton.edu 128.112.128.15
          www.simpsons.com 209.052.165.60
     (www.slashdot.org)
          www.slashdot.org 66.35.250.151
          www.weather.com 63.111.66.11
     (www.yahoo.com)
          www.yahoo.com 216.109.118.65
          www.yale.edu 130.132.143.21

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持我们。

(0)

相关推荐

  • Java notify和notifyAll的区别和相同

    经常在往上逛,关于在java中notify和notifyAll,经常有人有以下的说法: notify只会通知一个在等待的对象,而notifyAll会通知所有在等待的对象,并且所有对象都会继续运行 并且,好像都有例子可以证明.上面的说法,可以说对,也可以说不对.究其原因,在于其中有一点很关键,官方的说法如下所示: wait,notify,notifyAll: 此方法只应由作为此对象监视器的所有者的线程来调用.通过以下三种方法之一,线程可以成为此对象监视器的所有者 : 通过执行此对象的同步实例方法.

  • Java 开发的几个注意点总结

    1. 将一些需要变动的配置写在属性文件中 比如,没有把一些需要并发执行时使用的线程数设置成可在属性文件中配置.那么你的程序无论在DEV环境中,还是TEST环境中,都可以顺畅无阻地运行,但是一旦部署在PROD上,把它作为多线程程序处理更大的数据集时,就会抛出IOException,原因也许是线上环境并发造成也许是其他.如果线程数目可以在属性文件中配置,那么使它成为一个单线程应用程序就变得十分容易了.我们不再需要为了解决问题而反复地部署和测试应用了.这种方法也同样适用于配置 URL.服务器和端口号等

  • JavaWeb实现裁剪图片上传完整代码

    本文实例为大家分享了JavaWeb实现裁剪图片上传完整案例,供大家参考,具体内容如下 实现思路 •使用jcrop插件手机要裁剪图片的坐标  •将收集到的参数传递到后台,在后台使用java图形对象绘制图像进行裁剪 ◦后台处理流程: 1.将上传的图片按按照比例进行压缩后上传到文件服务器,并且将压缩后的图片保存在本地临时目录中. 2.将压缩后的图片回显到页面,使用jcrop进行裁剪,手机裁剪坐标(x,y,width,height) ■@paramx 目标切片起点坐标X ■@param y 目标切片起点

  • Java 反射机制详解及实例代码

    Java反射详解 本篇文章依旧采用小例子来说明,因为我始终觉的,案例驱动是最好的,要不然只看理论的话,看了也不懂,不过建议大家在看完文章之后,在回过头去看看理论,会有更好的理解. 下面开始正文. [案例1]通过一个对象获得完整的包名和类名 package Reflect; /** * 通过一个对象获得完整的包名和类名 * */ class Demo{ //other codes... } class hello{ public static void main(String[] args) {

  • javascript表单控件实例讲解

    本文实例为大家分享js表单控件多个实例讲解,供大家参考,具体内容如下 实例一:遍历表单的所有控件 <script type="text/javascript"> //遍历表单的所有控件 function getValues(){ var f = document.forms[0]; //获取表单DOM var elements = f.elements; //获取所有的控件数组 var str = ''; //拼接字符串 //循环遍历 for(var i=0; i<e

  • 浅谈java异常链与异常丢失

    1.在java的构造方法中提供了 异常链.. 也就是我们可以通过构造方法不断的将 异常串联成一个异常链... 之所以需要异常连,是因为处于代码的可理解性,以及阅读和程序的可维护性... 我们知道我们每抛出一个异常都需要进行try catch ...那么岂不是代码很臃肿... 我们如果可以将异常串联成一个异常连,然后我们只捕获我们的包装 异常,我们知道 RuntimeException 以及其派生类可以不进行try catch 而被jvm自动捕获并处理.. 当然了我们可以自己定义自己的异常类从Ru

  • 再谈javascript注入 黑客必备!

    什么是javascript注入攻击? 1.JavaScript注入就是在浏览器地址栏中输入一段js代码,用来改变页面js变量.页面标签的内容. 使用Javascript注入,用户不需要关闭或保存网页就可以改变其内容,这是在浏览器的地址栏上完成的.命令的语法如下: javascript:alert(#command#) 例如,如果你想在http://www.example.com站点上看到一个alert警告框,那么首先在地址栏上输入URL并等待页面加载完成,然后删掉URL并输入: javascri

  • javascript经典特效分享 手风琴、轮播图、图片滑动

    最近都没有更,就来几个效果充实一下. 都没有进行美化这步. 纯css的手风琴: <!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head> <meta charset="UTF-8"> <title>手风琴css</title> <style> .showBox{ width: 660px; overflow: hidden; } ul{ list-style:

  • JavaScript鼠标特效大全

    本文实例为大家分享了js鼠标特效实例代码,供大家参考,具体内容如下 实例一:禁用鼠标右键 <script type="text/javascript"> //为文档的鼠标按下事件定义回调 document.onmousedown = function(event){ //判断事件的值是否为鼠标右键 if (event.button == 2){ alert('禁用鼠标右键!'); //提示用户禁用鼠标右键 } } </script> 0 没按键 1 按左键 2

  • Guava - 并行编程Futures详解

    Guava为Java并行编程Future提供了很多有用扩展,其主要接口为ListenableFuture,并借助于Futures静态扩展. 继承至Future的ListenableFuture,允许我们添加回调函数在线程运算完成时返回值或者方法执行完成立即返回. 对ListenableFuture添加回调函数: Futures.addCallback(ListenableFuture<V>, FutureCallback<V>, Executor) 其中 FutureCallbac

随机推荐