B+树和B树的磁盘读写代价

为什么说B+树磁盘读写代价比B树低呢？

B+树的磁盘读写代价更低，主要是由于以下几个原因，它的设计更贴合磁盘存储和访问的特点：

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1. 减少磁盘访问次数

• 原因：B+树的非叶子节点只存储键值（key），不存储实际数据（data），这意味着一个节点可以容纳更多的键值。
• 结果：树的高度更低，从而在磁盘中读取数据时，访问的节点（即磁盘块）次数减少。

举例：

• 假设每个磁盘块大小固定，可以存储4000字节。
  • B树：如果每个节点既存储键值又存储数据，则每个节点能容纳的键值数量较少（假设100个键值）。
  • B+树：非叶子节点只存储键值，则能容纳更多键值（假设200个键值）。
• B+树的树高更低，需要的磁盘块访问次数更少，从而降低磁盘读写代价。

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2. 顺序访问更高效

• B+树的叶子节点通过链表连接，所有数据都集中在叶子节点，顺序访问（例如范围查询）只需要一次从非叶子节点到叶子节点的磁盘读取，之后直接沿着叶子节点链表顺序读取即可。
• 这种顺序访问避免了在不同节点之间跳跃，减少随机磁盘I/O，提高了磁盘访问效率。

举例：

• B树：如果需要查询某个范围的数据，可能需要跳转访问多个节点，每次都涉及磁盘块的随机访问。
• B+树：查询到范围的起点后，叶子节点链表可以直接顺序读取数据块，无需频繁跳转。

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3. 符合磁盘预读特性

• 磁盘预读（Disk Prefetching）是磁盘的一种优化策略，它会在读取某个块时顺带读取相邻的块，因为顺序读取比随机读取速度快得多。
• B+树将所有数据存储在叶子节点，叶子节点通常在磁盘上连续存储，因此非常适合磁盘的预读特性。
• 这样一次读操作可以加载多个叶子节点的数据，减少多次I/O操作。

举例：

• 查询范围

  [100, 500]
  

  ：

  • B树：可能需要随机访问多个节点，预读效果不显著。
  • B+树：只需顺序访问叶子节点，磁盘预读可以显著提升性能。

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4. 核心数据结构更紧凑

• B+树的非叶子节点仅存储键值，大小更小，磁盘块的利用率更高，这样能够减少树的高度，同时让更多节点内容能够一次性加载到内存中。
• 减少的树高度意味着磁盘需要访问的中间节点减少，进一步降低磁盘I/O代价。

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5. 支持批量写入和合并

• 叶子节点的链表结构方便数据的顺序批量写入。
• 对于插入和删除，B+树可以通过叶子节点的链表结构和分裂机制，更高效地进行合并和调整。
• 磁盘写入次数减少，自然降低了代价。

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总结：B+树磁盘读写代价更低的原因

原因	描述
树高度更低	非叶子节点只存键值，容量更大，树高更低，减少磁盘块访问次数。
顺序访问高效	叶子节点链表支持顺序读取，避免频繁跳跃，减少随机磁盘I/O。
符合磁盘预读特性	叶子节点连续存储，顺序读取时磁盘预读可以显著提升性能。
数据结构紧凑	非叶子节点小，更多节点能加载到内存中，减少磁盘块访问次数。
批量操作优化	链表结构支持顺序插入、删除和范围查询，减少写入代价。

结论：B+树的结构更贴近磁盘的工作原理，最大化了顺序访问和预读特性，从而显著降低磁盘读写代价。