第十五周项目3-B-树的基本操作

来源：互联网发布：矛盾矩阵编辑：程序博客网时间：2024/06/05 14:49
* 烟台大学计算机与控制工程学院
* 作者：王雪松
* 完成日期：2016年12月15日
* 问题描述：
实现B-树的基本操作。基于序列{4, 9, 0, 1, 8, 6, 3, 5, 2, 7}完成测试。
　　（1）创建对应的3阶B-树b，用括号法输出b树。
　　（2）从b中分别删除关键字为8和1的节点，用括号法输出删除节点后的b树。
* 输入描述：
* 程序输出：
代码：
[cpp] view plain copy
#include <stdio.h>  
#include <malloc.h>  
#define MAXM 10                     //定义B-树的最大的阶数  
typedef int KeyType;                //KeyType为关键字类型  
typedef struct node                 //B-树结点类型定义  
{  
    int keynum;                     //结点当前拥有的关键字的个数  
    KeyType key[MAXM];              //key[1..keynum]存放关键字,key[0]不用  
    struct node *parent;            //双亲结点指针  
    struct node *ptr[MAXM];         //孩子结点指针数组ptr[0..keynum]  
} BTNode;  
typedef struct                      //B-树的查找结果类型  
{  
    BTNode *pt;                     //指向找到的结点  
    int i;                          //1..m,在结点中的关键字序号  
    int tag;                        //1:查找成功,O:查找失败  
}  Result;  
int m;                              //m阶B-树,为全局变量  
int Max;                            //m阶B-树中每个结点的至多关键字个数,Max=m-1  
int Min;                            //m阶B-树中非叶子结点的至少关键字个数,Min=(m-1)/2  
int Search(BTNode *p,KeyType k)  
{  
    //在p->key[1..keynum]中查找i,使得p->key[i]<=k<p->key[i+1]  
    int i=0;  
    for(i=0; i<p->keynum && p->key[i+1]<=k; i++);  
    return i;  
}  
Result SearchBTree(BTNode *t,KeyType k)  
{  
    /*在m阶t树t上查找关键字k,返回结果(pt,i,tag)。若查找成功,则特征值 
     tag=1,指针pt所指结点中第i个关键字等于k；否则特征值tag=0,等于k的 
     关键字应插入在指针Pt所指结点中第i和第i+1个关键字之间*/  
    BTNode *p=t,*q=NULL; //初始化,p指向待查结点,q指向p的双亲  
    int found=0,i=0;  
    Result r;  
    while (p!=NULL && found==0)  
    {  
        i=Search(p,k);              //在p->key[1..keynum]中查找i,使得p->key[i]<=k<p->key[i+1]  
        if (i>0 && p->key[i]==k)    //找到待查关键字  
            found=1;  
        else  
        {  
            q=p;  
            p=p->ptr[i];  
        }  
    }  
    r.i=i;  
    if (found==1)                   //查找成功  
    {  
        r.pt=p;  
        r.tag=1;  
    }  
    else                            //查找不成功,返回K的插入位置信息  
    {  
        r.pt=q;  
        r.tag=0;  
    }  
    return r;                       //返回k的位置(或插入位置)  
}  
void Insert(BTNode *&q,int i,KeyType x,BTNode *ap)  
{  
    //将x和ap分别插入到q->key[i+1]和q->ptr[i+1]中  
    int j;  
    for(j=q->keynum; j>i; j--)  //空出一个位置  
    {  
        q->key[j+1]=q->key[j];  
        q->ptr[j+1]=q->ptr[j];  
    }  
    q->key[i+1]=x;  
    q->ptr[i+1]=ap;  
    if (ap!=NULL) ap->parent=q;  
    q->keynum++;  
}  
void Split(BTNode *&q,BTNode *&ap)  
{  
    //将结点q分裂成两个结点,前一半保留,后一半移入新生结点ap  
    int i,s=(m+1)/2;  
    ap=(BTNode *)malloc(sizeof(BTNode));    //生成新结点*ap  
    ap->ptr[0]=q->ptr[s];                   //后一半移入ap  
    for (i=s+1; i<=m; i++)  
    {  
        ap->key[i-s]=q->key[i];  
        ap->ptr[i-s]=q->ptr[i];  
        if (ap->ptr[i-s]!=NULL)  
            ap->ptr[i-s]->parent=ap;  
    }  
    ap->keynum=q->keynum-s;  
    ap->parent=q->parent;  
    for (i=0; i<=q->keynum-s; i++) //修改指向双亲结点的指针  
        if (ap->ptr[i]!=NULL) ap->ptr[i]->parent = ap;  
    q->keynum=s-1;                      //q的前一半保留,修改keynum  
}  
void NewRoot(BTNode *&t,BTNode *p,KeyType x,BTNode *ap)  
{  
    //生成含信息(T,x,ap)的新的根结点*t,原t和ap为子树指针  
    t=(BTNode *)malloc(sizeof(BTNode));  
    t->keynum=1;  
    t->ptr[0]=p;  
    t->ptr[1]=ap;  
    t->key[1]=x;  
    if (p!=NULL) p->parent=t;  
    if (ap!=NULL) ap->parent=t;  
    t->parent=NULL;  
}  
void InsertBTree(BTNode *&t, KeyType k, BTNode *q, int i)  
{  
    /*在m阶t树t上结点*q的key[i]与key[i+1]之间插入关键字k。若引起 
     结点过大,则沿双亲链进行必要的结点分裂调整,使t仍是m阶t树。*/  
    BTNode *ap;  
    int finished,needNewRoot,s;  
    KeyType x;  
    if (q==NULL)                        //t是空树(参数q初值为NULL)  
        NewRoot(t,NULL,k,NULL);         //生成仅含关键字k的根结点*t  
    else  
    {  
        x=k;  
        ap=NULL;  
        finished=needNewRoot=0;  
        while (needNewRoot==0 && finished==0)  
        {  
            Insert(q,i,x,ap);               //将x和ap分别插入到q->key[i+1]和q->ptr[i+1]  
            if (q->keynum<=Max) finished=1; //插入完成  
            else  
            {  
                //分裂结点*q,将q->key[s+1..m],q->ptr[s..m]和q->recptr[s+1..m]移入新结点*ap  
                s=(m+1)/2;  
                Split(q,ap);  
                x=q->key[s];  
                if (q->parent)              //在双亲结点*q中查找x的插入位置  
                {  
                    q=q->parent;  
                    i=Search(q, x);  
                }  
                else needNewRoot=1;  
            }  
        }  
        if (needNewRoot==1)                 //根结点已分裂为结点*q和*ap  
            NewRoot(t,q,x,ap);              //生成新根结点*t,q和ap为子树指针  
    }  
}  
void DispBTree(BTNode *t)   //以括号表示法输出B-树  
{  
    int i;  
    if (t!=NULL)  
    {  
        printf("[");            //输出当前结点关键字  
        for (i=1; i<t->keynum; i++)  
            printf("%d ",t->key[i]);  
        printf("%d",t->key[i]);  
        printf("]");  
        if (t->keynum>0)  
        {  
            if (t->ptr[0]!=0) printf("(");  //至少有一个子树时输出"("号  
            for (i=0; i<t->keynum; i++)     //对每个子树进行递归调用  
            {  
                DispBTree(t->ptr[i]);  
                if (t->ptr[i+1]!=NULL) printf(",");  
            }  
            DispBTree(t->ptr[t->keynum]);  
            if (t->ptr[0]!=0) printf(")");  //至少有一个子树时输出")"号  
        }  
    }  
}  
void Remove(BTNode *p,int i)  
//从*p结点删除key[i]和它的孩子指针ptr[i]  
{  
    int j;  
    for (j=i+1; j<=p->keynum; j++)      //前移删除key[i]和ptr[i]  
    {  
        p->key[j-1]=p->key[j];  
        p->ptr[j-1]=p->ptr[j];  
    }  
    p->keynum--;  
}  
void Successor(BTNode *p,int i)  
//查找被删关键字p->key[i](在非叶子结点中)的替代叶子结点  
{  
    BTNode *q;  
    for (q=p->ptr[i]; q->ptr[0]!=NULL; q=q->ptr[0]);  
    p->key[i]=q->key[1];    //复制关键字值  
}  
void MoveRight(BTNode *p,int i)  
//把一个关键字移动到右兄弟中  
{  
    int c;  
    BTNode *t=p->ptr[i];  
    for (c=t->keynum; c>0; c--) //将右兄弟中所有关键字移动一位  
    {  
        t->key[c+1]=t->key[c];  
        t->ptr[c+1]=t->ptr[c];  
    }  
    t->ptr[1]=t->ptr[0];        //从双亲结点移动关键字到右兄弟中  
    t->keynum++;  
    t->key[1]=p->key[i];  
    t=p->ptr[i-1];              //将左兄弟中最后一个关键字移动到双亲结点中  
    p->key[i]=t->key[t->keynum];  
    p->ptr[i]->ptr[0]=t->ptr[t->keynum];  
    t->keynum--;  
}  
void MoveLeft(BTNode *p,int i)  
//把一个关键字移动到左兄弟中  
{  
    int c;  
    BTNode *t;  
    t=p->ptr[i-1];              //把双亲结点中的关键字移动到左兄弟中  
    t->keynum++;  
    t->key[t->keynum]=p->key[i];  
    t->ptr[t->keynum]=p->ptr[i]->ptr[0];  
  
    t=p->ptr[i];                //把右兄弟中的关键字移动到双亲兄弟中  
    p->key[i]=t->key[1];  
    p->ptr[0]=t->ptr[1];  
    t->keynum--;  
    for (c=1; c<=t->keynum; c++)    //将右兄弟中所有关键字移动一位  
    {  
        t->key[c]=t->key[c+1];  
        t->ptr[c]=t->ptr[c+1];  
    }  
}  
void Combine(BTNode *p,int i)  
//将三个结点合并到一个结点中  
{  
    int c;  
    BTNode *q=p->ptr[i];            //指向右结点,它将被置空和删除  
    BTNode *l=p->ptr[i-1];  
    l->keynum++;                    //l指向左结点  
    l->key[l->keynum]=p->key[i];  
    l->ptr[l->keynum]=q->ptr[0];  
    for (c=1; c<=q->keynum; c++)        //插入右结点中的所有关键字  
    {  
        l->keynum++;  
        l->key[l->keynum]=q->key[c];  
        l->ptr[l->keynum]=q->ptr[c];  
    }  
    for (c=i; c<p->keynum; c++)     //删除父结点所有的关键字  
    {  
        p->key[c]=p->key[c+1];  
        p->ptr[c]=p->ptr[c+1];  
    }  
    p->keynum--;  
    free(q);                        //释放空右结点的空间  
}  
void Restore(BTNode *p,int i)  
//关键字删除后,调整B-树,找到一个关键字将其插入到p->ptr[i]中  
{  
    if (i==0)                           //为最左边关键字的情况  
        if (p->ptr[1]->keynum>Min)  
            MoveLeft(p,1);  
        else  
            Combine(p,1);  
    else if (i==p->keynum)              //为最右边关键字的情况  
        if (p->ptr[i-1]->keynum>Min)  
            MoveRight(p,i);  
        else  
            Combine(p,i);  
    else if (p->ptr[i-1]->keynum>Min)   //为其他情况  
        MoveRight(p,i);  
    else if (p->ptr[i+1]->keynum>Min)  
        MoveLeft(p,i+1);  
    else  
        Combine(p,i);  
}  
int SearchNode(KeyType k,BTNode *p,int &i)  
//在结点p中找关键字为k的位置i,成功时返回1,否则返回0  
{  
    if (k<p->key[1])    //k小于*p结点的最小关键字时返回0  
    {  
        i=0;  
        return 0;  
    }  
    else                //在*p结点中查找  
    {  
        i=p->keynum;  
        while (k<p->key[i] && i>1)  
            i--;  
        return(k==p->key[i]);  
    }  
}  
int RecDelete(KeyType k,BTNode *p)  
//查找并删除关键字k  
{  
    int i;  
    int found;  
    if (p==NULL)  
        return 0;  
    else  
    {  
        if ((found=SearchNode(k,p,i))==1)       //查找关键字k  
        {  
            if (p->ptr[i-1]!=NULL)              //若为非叶子结点  
            {  
                Successor(p,i);                 //由其后继代替它  
                RecDelete(p->key[i],p->ptr[i]); //p->key[i]在叶子结点中  
            }  
            else  
                Remove(p,i);                    //从*p结点中位置i处删除关键字  
        }  
        else  
            found=RecDelete(k,p->ptr[i]);       //沿孩子结点递归查找并删除关键字k  
        if (p->ptr[i]!=NULL)  
            if (p->ptr[i]->keynum<Min)          //删除后关键字个数小于MIN  
                Restore(p,i);  
        return found;  
    }  
}  
void DeleteBTree(KeyType k,BTNode *&root)  
//从B-树root中删除关键字k,若在一个结点中删除指定的关键字,不再有其他关键字,则删除该结点  
{  
    BTNode *p;              //用于释放一个空的root  
    if (RecDelete(k,root)==0)  
        printf("   关键字%d不在B-树中\n",k);  
    else if (root->keynum==0)  
    {  
        p=root;  
        root=root->ptr[0];  
        free(p);  
    }  
}  
int main()  
{  
    BTNode *t=NULL;  
    Result s;  
    int j,n=10;  
    KeyType a[]= {4,9,0,1,8,6,3,5,2,7},k;  
    m=3;                                //3阶B-树  
    Max=m-1;  
    Min=(m-1)/2;  
    printf("创建一棵%d阶B-树:\n",m);  
    for (j=0; j<n; j++)                 //创建一棵3阶B-树t  
    {  
        s=SearchBTree(t,a[j]);  
        if (s.tag==0)  
            InsertBTree(t,a[j],s.pt,s.i);  
        printf("   第%d步,插入%d: ",j+1,a[j]);  
        DispBTree(t);  
        printf("\n");  
    }  
    printf("  结果B-树: ");  
    DispBTree(t);  
    printf("\n");  
    printf("删除操作:\n");  
    k=8;  
    DeleteBTree(k,t);  
    printf("  删除%d: ",k);  
    printf("B-树: ");  
    DispBTree(t);  
    printf("\n");  
    k=1;  
    DeleteBTree(k,t);  
    printf("  删除%d: ",k);  
    printf("B-树: ");  
    DispBTree(t);  
    printf("\n");  
    return 0;  
}  
运行结果：
0 0