前面幾篇關於數據庫底層磁盤文件讀取，數據庫索引實現細節進行了深入的研究，但是沒有串聯起來的講解爲什麼數據庫索引會採用B樹和B+樹而不是其他的數據結構，例如平衡二叉樹、鏈表等，因此，本文打算從數據庫文件存儲以及讀取說起，講解數據庫索引的由來。
我們以拋出問題的形式開始講解：
（1）數據庫文件存儲的方式
數據庫文件存儲都是以磁盤文件存儲在系統中的，這也是數據庫能持久化存儲數據的原因。
（2）從數據庫讀取數據的原理
從數據庫讀取數據，先暫且不考慮從緩存中讀取數據的情況，那就是從磁盤文件中讀取數據的，我們知道從磁盤文件中讀取數據是比較耗時的，數據庫的select操作的時間，取決於執行磁盤IO的次數，因此儘量減少磁盤IO就可以顯著的提升數據的查詢速度。
（3）減少磁盤IO操作的影響因素
有哪些因素可以減少磁盤IO呢，這首先得將瞭解一下磁盤IO與預讀。
磁盤IO與預讀
磁盤讀取依靠的是機械運動，分爲尋道時間、旋轉延遲、傳輸時間三個部分，這三個部分耗時相加就是一次磁盤IO的時間，大概9ms左右。這個成本是訪問內存的十萬倍左右；正是由於磁盤IO是非常昂貴的操作，所以計算機操作系統對此做了優化：預讀；每一次IO時，不僅僅把當前磁盤地址的數據加載到內存，同時也把相鄰數據也加載到內存緩衝區中。
因爲局部預讀原理說明：當訪問一個地址數據的時候，與其相鄰的數據很快也會被訪問到。每次磁盤IO讀取的數據我們稱之爲一頁（page）。一頁的大小與操作系統有關，一般爲4k或者8k。這也就意味着讀取一頁內數據的時候，實際上發生了一次磁盤IO。
正因爲有了磁盤IO預讀機制，所以纔有了減少磁盤IO的可能，因爲一次磁盤IO操作，可以查找到物理存儲中相鄰的一大片數據。
以索引爲B+樹爲例：
磁盤IO次數和索引數據結構查詢的次數以及磁盤IO與預讀都有關係，具體關係：磁盤IO次數 <= B+樹中從根節點一直到葉子節點整個過程中查詢的節點數。
一次磁盤IO操作可以取出物理存儲中相鄰的一大片數據，如果查詢的索引數據（就是B+樹中從根節點一直到葉子節點整個過程中查詢的節點數）都集中在該區域，那麼只需要一次磁盤IO，否則就需要多次磁盤IO
（4）基於磁盤IO預讀機制，索引可以快速查詢數據
到現在纔開始講解索引了。正是基於磁盤IO預讀機制的前提，數據庫可以採用索引機制快速查詢出數據。
（a）什麼是索引
索引是幫助數據高效查詢數據的一種數據結構，它包含一個表中某些列的值以及記錄對應的地址，並且把這些值存儲在一個數據結構中。常用的索引有B樹和B+樹
（b）爲什麼要使用索引
舉個例子來說，假設我們有一個數據庫student，這個表分別有三個字段：name，age，class。假設表中有2000條記錄。
1、假如沒有使用索引，當我們查詢名爲“xiaxia”的學生的時候，即調用：
select name,age,class from student where name = "xiaxia";此時數據庫不得不在student表中對這2000條記錄一條一條的進行判斷name字段是否爲“xiaxia”。這也就是所謂的全表掃描。
2、而當我們在student表上的name字段上創建索引時，當我們查詢名爲“xiaxia”的學生時：
會通過索引查找去查詢名爲“xiaxia”的學生，因爲該索引已經按照字母順序排列，因此要查找名爲“xiaxia”的記錄時會快很多，因爲名字首字母爲“x”的僱員都是排列在一起的。通過該索引，能獲取到表中對應的記錄。
（5）數據庫中使用什麼數據結構作爲索引
（a）鏈表
鏈表的查詢速度是O（N），每次查詢都得從鏈表頭開始查詢，例如上面查詢“xiaxia”，如果xiaxia在1000的位置，那麼需要遍歷1000次才能查找到。
（b）數組
有人可能會說，查詢速度肯定是數據最快呀，畢竟O（1），的確單純就select的話，採用數組的形式是最合適的，但是採用數組會遇到如下幾個問題：
1、採用數組的話，其他操作如Delete、Update、Insert就不合適了；
2、另外一個原因：索引是存在於磁盤中，當索引非常大的時候，達到幾個G的時候，無法一次加載到內存中。
（c）平衡二叉樹
二叉查找樹查詢的時間複雜度是O（logN），查找速度最快和比較次數最少，既然性能已經如此優秀，但爲什麼實現索引是使用B-Tree而不是二叉查找樹，關鍵因素是磁盤IO的次數。
（d）B樹和B+樹
數據庫索引採用的數據結構
（6）採用平衡二叉樹和B樹，數據查詢的對比
二叉樹查詢過程：
我們先來看二叉樹查找時磁盤IO的次：定義一個樹高爲4的二叉樹，查找值爲10：
第一次磁盤IO：
第二次磁盤IO：
第三次磁盤IO:
第四次磁盤IO：
從二叉樹的查找過程了來看，樹的高度和磁盤IO的次數都是4，所以最壞的情況下磁盤IO的次數由樹的高度來決定。
從前面分析情況來看，減少磁盤IO的次數就必須要壓縮樹的高度，讓瘦高的樹儘量變成矮胖的樹，所以B-Tree就在這樣偉大的時代背景下誕生了。
B-Tree查詢過程：
如下有一個3階的B樹，觀察查找元素21的過程：
第一次磁盤IO：
第二次磁盤IO：
這裏有一次內存比對：分別跟3與12比對
第三次磁盤IO:
B樹的查詢次數少於平衡二叉樹！所以基於B樹以及B+樹的查詢次數少於平衡二叉樹。
