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//! B+ Tree
//!
//! 参考:
//!
//! - [visualization BPlusTree](https://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/BPlusTree.html)
//! - [b-plus-trees](https://www.scaler.com/topics/data-structures/b-plus-trees/)
//!
//! 对于阶数为 M 的 B+ 树有以下约束:
//!
//! - 每个节点上 key 的数目最多为 M-1
//! - 每个节点上 children 的数目最多为 M
//! - 每个节点上 key 的数目最少为 [(M+1)/2]-1
//! - 每个节点上 children 的数目最少为 [(M+1)/2]
//! - 实际上对于中间节点 children 的数目总是 key 数目 +1
use std::{fmt::Debug, iter::Zip, ptr::NonNull, slice::Iter};
pub struct BPlusTree<K, V> {
order: usize,
length: usize,
root: Option<NonNull<Node<K, V>>>,
}
pub struct Node<K, V> {
is_leaf: bool, // 是否叶子节点
keys: Vec<K>, // 当前节点保存的键
children: Vec<NonNull<Node<K, V>>>, // 当前(中间)节点的子节点列表
values: Vec<V>, // 叶子节点保存的值
next: Option<NonNull<Node<K, V>>>, // 指向下一个叶子节点
}
impl<K: Ord + Copy + Debug, V> BPlusTree<K, V> {
pub fn new(order: usize) -> Self {
Self {
order,
length: 0,
root: None,
}
}
pub fn len(&self) -> usize {
self.length
}
pub fn is_empty(&self) -> bool {
self.length == 0
}
pub fn find(&self, key: &K) -> Option<(&K, &V)> {
let mut node_ptr = match self.root {
None => return None,
Some(node) => node,
};
// 非叶子节点先查找对对应的叶子节点
let mut node_ref = unsafe { node_ptr.as_ref() };
while !node_ref.is_leaf {
node_ptr = match node_ref.keys.binary_search(key) {
Ok(index) => node_ref.children[index + 1],
Err(index) => node_ref.children[index],
};
node_ref = unsafe { node_ptr.as_ref() };
}
// 在叶子节点上搜索值
node_ref
.keys
.binary_search(key)
.ok()
.map(|index| (&node_ref.keys[index], &node_ref.values[index]))
}
pub fn insert(&mut self, entry: (K, V)) -> Option<(K, V)> {
// 如果当前根节点为空先创建根节点
let mut node_ptr = match self.root {
Some(node) => node,
None => {
let mut node = Node::new(true);
node.keys.push(entry.0);
node.values.push(entry.1);
let node_raw = Box::into_raw(Box::new(node));
let node_ptr = unsafe { NonNull::new_unchecked(node_raw) };
self.root = Some(node_ptr);
self.length = 1;
return None;
}
};
let mut parents = vec![];
let mut node_mut = unsafe { node_ptr.as_mut() };
// 非叶子节点先查找对对应的叶子节点
let key = &entry.0;
while !node_mut.is_leaf {
parents.push(node_ptr);
node_ptr = match node_mut.keys.binary_search(key) {
Ok(index) => node_mut.children[index + 1],
Err(index) => node_mut.children[index],
};
node_mut = unsafe { node_ptr.as_mut() };
}
// 在叶子节点上先查找 key 是否已经存在
// 如果存在直接替换出来, 否则按位置插入
let old_entry = match node_mut.keys.binary_search(key) {
Ok(index) => {
let key = std::mem::replace(&mut node_mut.keys[index], entry.0);
let val = std::mem::replace(&mut node_mut.values[index], entry.1);
Some((key, val))
}
Err(pos) => {
node_mut.keys.insert(pos, entry.0);
node_mut.values.insert(pos, entry.1);
self.length += 1;
None
}
};
// 如果叶子节点未满直接返回
if node_mut.keys.len() < self.order {
return old_entry;
}
debug_assert_eq!(node_mut.keys.len(), self.order);
// 准备分裂出的叶子节点的数据
let mid = node_mut.keys.len() / 2;
let mut new_leaf = Node::new(true);
new_leaf.keys = node_mut.keys.drain(mid..).collect();
new_leaf.values = node_mut.values.drain(mid..).collect();
new_leaf.next = node_mut.next.take();
// 需要插入到上层的 key
let mut new_key = new_leaf.keys[0];
// 重置叶子节点 next 指针
let raw = Box::into_raw(Box::new(new_leaf));
let mut new_node_ptr = unsafe { NonNull::new_unchecked(raw) };
node_mut.next = Some(new_node_ptr);
// 旧节点(被分裂的节点)
let mut old_node_ptr = node_ptr;
// 根据 parents 自底向上插入新的节点
// 如果中间节点也满了则继续分裂, 重置 old_node, new_node, new_key
while let Some(mut parent_ptr) = parents.pop() {
let parent_mut = unsafe { parent_ptr.as_mut() };
let pos = parent_mut
.keys
.binary_search(&new_key)
.unwrap_or_else(|i| i);
parent_mut.children.remove(pos);
parent_mut.keys.insert(pos, new_key);
parent_mut.children.insert(pos, old_node_ptr);
parent_mut.children.insert(pos + 1, new_node_ptr);
if parent_mut.keys.len() < self.order {
return old_entry;
}
debug_assert_eq!(parent_mut.keys.len(), self.order);
// 分裂节点
// key 分裂成三份, 左右各一份, 还有中间一个 key 提升到上一层
// children 分裂为两份即可, 左右各保留一份
let mid = parent_mut.keys.len() / 2;
let mut new_inter_node = Node::new(false);
new_inter_node.keys = parent_mut.keys.drain((mid + 1)..).collect();
new_inter_node.children = parent_mut.children.drain((mid + 1)..).collect();
// 把前半部分的最后一个分裂出来
new_key = parent_mut.keys.pop().unwrap();
old_node_ptr = parent_ptr;
let raw = Box::into_raw(Box::new(new_inter_node));
new_node_ptr = unsafe { NonNull::new_unchecked(raw) };
}
// 当所有中间节点满的情况下走到这里
// 需要在根节点上分裂 old_node 即原本的根节点
let mut new_root = Node::new(false);
new_root.keys = vec![new_key];
new_root.children = vec![old_node_ptr, new_node_ptr];
let new_root_raw = Box::into_raw(Box::new(new_root));
let new_root_ptr = unsafe { NonNull::new_unchecked(new_root_raw) };
self.root.replace(new_root_ptr);
old_entry
}
pub fn delete(&mut self, key: &K) -> Option<(K, V)> {
let mut node_ptr = match self.root {
None => return None,
Some(node) => node,
};
// 先向下找到对应的叶子节点
let mut parents = vec![];
let mut node_mut = unsafe { node_ptr.as_mut() };
while !node_mut.is_leaf {
let pos = match node_mut.keys.binary_search(key) {
Err(pos) => pos,
Ok(index) => index + 1,
};
parents.push((node_ptr, pos));
node_ptr = node_mut.children[pos];
node_mut = unsafe { node_ptr.as_mut() };
}
// 叶子节点中搜索 key
let index = match node_mut.keys.binary_search(key) {
Err(_) => return None,
Ok(index) => index,
};
// 在叶子节点中移除对应的 key-value
let entry = (node_mut.keys.remove(index), node_mut.values.remove(index));
self.length -= 1;
// 如果节点数量满足
let min_count = (self.order + 1) / 2 - 1;
if node_mut.keys.len() >= min_count || parents.is_empty() {
return Some(entry);
}
// 否则开始进行借取和合并
// 1. 如果左节点有多出, 则可以借取
// 2. 如果左节点有多出, 则可以借取
// 3. 否则左右节点肯定都是刚好 min_count 个
// 当前节点只有 min_count-1
// 加起来一共 2*min_count-1
//
// 借取结束后需要更新父节点对应索引的 key 值
// 合并结束后需要移除父节点上对应的 key 值
// 父节点上 key 的数量可能会不满足约束
// 所以合并的流程需要递归向上进行
// 对于叶子节点需要借取 key value
// 对于中间节点需要借取 key child
while let Some((mut parent_ptr, index)) = parents.pop() {
let parent_mut = unsafe { parent_ptr.as_mut() };
// 尝试左兄弟节点
if index > 0 {
let mut left_sibling_ptr = parent_mut.children[index - 1];
let left_sibling_mut = unsafe { left_sibling_ptr.as_mut() };
if left_sibling_mut.keys.len() > min_count {
let left_last_key = left_sibling_mut.keys.pop().unwrap();
node_mut.keys.insert(0, left_last_key);
if let Some(left_last_value) = left_sibling_mut.values.pop() {
node_mut.values.insert(0, left_last_value);
}
if let Some(left_last_child) = left_sibling_mut.children.pop() {
node_mut.children.insert(0, left_last_child);
}
// 修改父节点对应索引 key
parent_mut.keys[index - 1] = node_mut.keys[0];
return Some(entry);
}
}
// 尝试右兄弟节点
if index + 1 < parent_mut.children.len() {
let mut right_sibling_ptr = parent_mut.children[index + 1];
let right_sibling_mut = unsafe { right_sibling_ptr.as_mut() };
if right_sibling_mut.keys.len() > min_count {
let right_first_key = right_sibling_mut.keys.remove(0);
node_mut.keys.push(right_first_key);
if !right_sibling_mut.values.is_empty() {
let right_first_value = right_sibling_mut.values.remove(0);
node_mut.values.push(right_first_value);
}
if !right_sibling_mut.children.is_empty() {
let right_first_child = right_sibling_mut.children.remove(0);
node_mut.children.push(right_first_child);
}
// 修改父节点对应索引 key
parent_mut.keys[index] = right_sibling_mut.keys[0];
return Some(entry);
}
}
// 合并到左兄弟节点
if index > 0 {
let mut left_sibling_ptr = parent_mut.children[index - 1];
let left_sibling_mut = unsafe { left_sibling_ptr.as_mut() };
// 先从父节点上将被合并节点的 key 和 child 删除
let mid_key = parent_mut.keys.remove(index - 1);
parent_mut.children.remove(index);
if !left_sibling_mut.is_leaf {
// 如果是中间节点, 需要把上一级的 key 拿下来
// 作为两个子节点的中间 key
left_sibling_mut.keys.push(mid_key);
}
// 合并数据
left_sibling_mut.keys.append(&mut node_mut.keys);
left_sibling_mut.values.append(&mut node_mut.values);
left_sibling_mut.children.append(&mut node_mut.children);
left_sibling_mut.next = node_mut.next.take();
// 把被合并节点删除
let _drop_node = unsafe { Box::from_raw(node_mut) };
// 如果父节点 key 数量满足约束则可以返回
if parent_mut.keys.len() >= min_count {
return Some(entry);
}
// 否则递归向上继续
node_mut = parent_mut;
continue;
}
// 把右兄弟节点合并过来
if index + 1 < parent_mut.children.len() {
let mut right_sibling_ptr = parent_mut.children[index + 1];
let right_sibling_mut = unsafe { right_sibling_ptr.as_mut() };
// 先从父节点上被合并节点的 key 和 child 删除
let mid_key = parent_mut.keys.remove(index);
parent_mut.children.remove(index + 1);
if !node_mut.is_leaf {
node_mut.keys.push(mid_key);
}
// 合并数据
node_mut.keys.append(&mut right_sibling_mut.keys);
node_mut.values.append(&mut right_sibling_mut.values);
node_mut.children.append(&mut right_sibling_mut.children);
node_mut.next = right_sibling_mut.next.take();
// 把被合并节点删除
let _drop_node = unsafe { Box::from_raw(right_sibling_mut) };
// 如果父节点 key 数量满足约束则可以返回
if parent_mut.keys.len() >= min_count {
return Some(entry);
}
// 否则递归向上继续
node_mut = parent_mut;
continue;
}
}
// 一直合并到根节点, 则重置根节点
if node_mut.keys.is_empty() {
let new_root = node_mut.children.pop().unwrap();
self.root = Some(new_root);
// 把原节点删除
let _drop_node = unsafe { Box::from_raw(node_mut) };
}
Some(entry)
}
pub fn iter(&self) -> TreeIter<'_, K, V> {
let mut node = match &self.root {
Some(node) => node,
None => return TreeIter::new(None),
};
let mut node_ref = unsafe { node.as_ref() };
while !node_ref.is_leaf {
node = node_ref.children.first().unwrap();
node_ref = unsafe { node.as_ref() };
}
TreeIter::new(Some(node))
}
}
type NodeRef<'a, K, V> = &'a NonNull<Node<K, V>>;
type NodeIter<'a, K, V> = Zip<Iter<'a, K>, Iter<'a, V>>;
pub struct TreeIter<'a, K, V> {
node_iter: Option<(NodeRef<'a, K, V>, NodeIter<'a, K, V>)>,
}
impl<'a, K: Ord + Copy + Debug, V> TreeIter<'a, K, V> {
fn new(node: Option<&'a NonNull<Node<K, V>>>) -> Self {
Self {
node_iter: node.map(|node| {
let node_ref = unsafe { node.as_ref() };
let iter = node_ref.keys.iter().zip(node_ref.values.iter());
(node, iter)
}),
}
}
}
impl<'a, K: Ord + Copy + Debug, V> Iterator for TreeIter<'a, K, V> {
type Item = (&'a K, &'a V);
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
match &mut self.node_iter {
None => None,
Some((node, iter)) => iter.next().or_else(|| {
let node_ref = unsafe { node.as_ref() };
match &node_ref.next {
None => {
self.node_iter = None;
None
}
Some(node) => {
let node_ref = unsafe { node.as_ref() };
let iter = node_ref.keys.iter().zip(node_ref.values.iter());
self.node_iter = Some((node, iter));
self.next()
}
}
}),
}
}
}
impl<K: Ord + Copy, V> Node<K, V> {
fn new(is_leaf: bool) -> Self {
Self {
is_leaf,
keys: vec![],
children: vec![],
values: vec![],
next: None,
}
}
}
impl<K: Debug, V: Debug> Debug for Node<K, V> {
fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
write!(
f,
"[{}]",
self.keys
.iter()
.map(|k| format!("{:?}", k))
.collect::<Vec<_>>()
.join(",")
)
}
}
impl<K: Debug, V: Debug> Debug for BPlusTree<K, V> {
fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
let root = match self.root {
None => return write!(f, "None"),
Some(node) => node,
};
let mut queue = vec![&root];
while !queue.is_empty() {
let mut next_level = vec![];
for node_ptr in queue {
let node_ref = unsafe { node_ptr.as_ref() };
write!(f, "{:?}", node_ref)?;
for child in &node_ref.children {
next_level.push(child);
}
}
writeln!(f)?;
queue = next_level;
}
Ok(())
}
}
#[cfg(test)]
mod tests {
use super::*;
#[test]
fn bptree_insert() {
let mut t = BPlusTree::new(3);
for i in 1..=16 {
t.insert((i, ()));
}
assert_eq!(t.len(), 16);
assert_eq!(
format!("\n{:?}", t),
"
[5,9]
[3][7][11,13]
[2][4][6][8][10][12][14,15]
[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15,16]
"
);
for i in 1..=16 {
assert!(t.insert((i, ())).is_some());
}
assert_eq!(t.len(), 16);
assert_eq!(
format!("\n{:?}", t),
"
[5,9]
[3][7][11,13]
[2][4][6][8][10][12][14,15]
[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15,16]
"
);
}
#[test]
fn bptree_delete() {
let mut t = BPlusTree::new(3);
for i in 1..=16 {
t.insert((i, ()));
}
assert!(t.delete(&2).is_some());
assert!(t.delete(&4).is_some());
assert!(t.delete(&6).is_some());
assert!(t.delete(&8).is_some());
assert!(t.delete(&10).is_some());
assert!(t.delete(&12).is_some());
assert!(t.delete(&14).is_some());
assert!(t.delete(&16).is_some());
assert!(t.delete(&2).is_none());
assert!(t.delete(&16).is_none());
assert!(t.delete(&13).is_some());
assert!(t.delete(&11).is_some());
assert!(t.delete(&9).is_some());
assert!(t.delete(&7).is_some());
assert!(t.delete(&5).is_some());
assert!(t.delete(&3).is_some());
assert!(t.delete(&1).is_some());
assert!(t.delete(&15).is_some());
assert!(t.is_empty());
}
#[test]
fn bptree_iter() {
let mut t = BPlusTree::new(10);
for i in 1..1000 {
t.insert((i, ()));
}
let mut index = 1;
let mut it = t.iter();
while let Some(item) = it.next() {
assert_eq!(item.0, &index);
index += 1;
}
}
}