B-cây

Trong khoa học máy tính, B-cây là một cấu trúc dữ liệu dạng cây cho phép tìm kiếm, truy cập tuần tự, chèn, xóa trong thời gian lôgarit. B-cây là một tổng quát hóa của cây nhị phân tìm kiếm, trong đó một nút có thể có nhiều hơn hai con. Không như cây nhị phân tìm kiếm tự cân bằng, B-cây được tối ưu hóa cho các hệ thống đọc và ghi dữ liệu lớn. Nó thường được dùng trong các cơ sở dữ liệu và hệ thống tập tin.
Tổng quan.
Trong B-cây, các nút trong (nút không là lá) có thể có số lượng nút con khác nhau, giới hạn trong một khoảng nhất định. Khi dữ liệu được chèn vào hoặc xóa đi từ một nút, số nút con của nó thay đổi. Khi đó, để duy trì số nút con trong khoảng đã định, các nút trong có thể được hợp hai làm một hoặc chia đôi. Vì số lượng nút con có thể nằm trong một khoảng lớn, B-cây không cần tái cân bằng thường xuyên như cây nhị phân tìm kiếm, nhưng lại sử dụng bộ nhớ lãng phí hơn do các nút không chứa tối đa dữ liệu.
Khi sử dụng B-cây, ta định trước một số nguyên "t". Mỗi nút trong của B-cây (trừ nút gốc) có từ "t-1" tới "2t-1" khóa. Hệ số 2 đảm bảo rằng các nút có thể được chia đôi hoặc kết hợp. Với một nút trong có "2t-1" khóa, ta có thể lấy khóa giữa trong "2t-1" khóa chèn vào nút cha và chia "2t-2" khóa còn lại vào hai nút mới, mỗi nút "t-1" khóa. Tương tự như vậy, khi một nút và nút kế bên đều có "t-1" khóa, ta có thể kết hợp hai nút cùng với một khóa từ nút cha thành một nút mới có "2t-1" khóa.
Số lượng nút con của một nút đúng bằng số khóa của nút đó cộng một. Vì vậy, số lượng nút con của một nút trong là từ "t" tới "2t".
B-cây duy trì tính cân bằng bằng cách đảm bảo các nút lá đều có cùng độ sâu. Chiều cao của cây tăng dần dần khi các nút mới được chèn vào cây, nhưng con số này thay đổi rất chậm. Khi chiều cao của cây tăng lên, độ sâu của tất cả các nút lá tăng lên cùng một lúc.
B-cây có lợi thế hơn các cấu trúc dữ liệu tìm kiếm khác khi thời gian truy cập lớn hơn nhiều lần thời gian đọc dữ liệu liên tiếp nhau. Điều này thường xảy ra khi các nút được lưu trên bộ nhớ ngoài. Bằng cách tăng số lượng nút con của mỗi nút, chiều cao của cây giảm xuống và số lần truy cập cũng giảm. Thêm vào đó, số thao tác tái cân bằng cây cũng giảm đi. Thông thường, tham số "t" (quyết định số khóa của mỗi nút) được chọn tùy theo lượng thông tin trong mỗi khóa và kích thước mỗi khối đĩa.
Các biến thể.
Thuật ngữ B-cây có thể được dùng để chỉ một thiết kế cụ thể, cũng có thể được dùng để chỉ một lớp các thiết kế. Theo nghĩa hẹp, B-cây lưu một số khóa ở các nút trong và không lưu bản sao của các khóa đó ở nút lá. Theo nghĩa rộng, nó còn bao gồm những biến thể khác như B+-cây hay B*-cây.
Chi tiết kĩ thuật.
Định nghĩa.
Có nhiều định nghĩa khác nhau của B-cây trong các tài liệu. Sau đây là một định nghĩa.
Độ phức tạp tính toán.
Cũng như các thuật toán cho bộ nhớ ngoài khác, tham số quan trọng nhất cho B-cây không là tổng thời gian tính toán, mà là số lần truy cập bộ nhớ. Số lần truy cập bộ nhớ trong mỗi thao tác trên B-cây tỉ lệ với chiều cao của cây. Một B-cây với "n" nút có chiều cao không quá formula_1.
Các thao tác trên B-cây.
Tìm kiếm.
Tìm kiếm trên B-cây cũng tương tự như tìm kiếm trên cây nhị phân tìm kiếm. Giả sử giá trị cần tìm là "v". Thuật toán xuất phát từ nút gốc và tìm từ trên xuống dưới. Tại nút "x", thuật toán chọn nút con thứ "i" sao cho mọi khóa tại "x" với thứ tự nhỏ hơn "i" đều nhỏ hơn hoặc bằng "v", và mọi khóa tại "x" với thứ tự lớn hơn hoặc bằng "i" đều lớn hơn hoặc bằng "v".
Chèn.
Để chèn thêm một khóa mới, trước tiên thực hiện thao tác tìm kiếm để tìm đến nút lá ở vị trí cần chèn. Nếu nút lá đã đầy (chứa "2t-1" khóa), thuật toán lấy khóa ở giữa ra rồi chia các khóa còn lại vào hai nút mới, mỗi nút có "t-1" khóa. Sau đó, đặt khóa ở giữa vừa lấy ra vào nút cha để làm điểm chia cho hai nút mới vừa tạo. Nếu nút cha cũng đầy thì lặp lại thao tác chia đôi như trên (có thể phải lặp lại cho tới nút gốc, tạo ra nút gốc mới).
Có thể cải tiến để thuật toán chỉ phải đi từ trên xuống đúng một lần bằng cách chia đôi ngay các nút đầy gặp được trên đường đi khi thực hiện thao tác tìm kiếm.