[topic] B+木のノード削除

B+木(B+Tree、B-Plus-Treeなど)とは、B木を拡張した平衡木です。
元のB木は枝や葉に関係なくキーとデータの組が入りますが、
B+木では葉に全てのキーとデータが入り、ルートから葉までの
枝には索引と分岐しか入らず、B木より空間効率が良いアルゴリズムです。
DBなどでよく使われますが、Web上のサンプルとしてはあまり見かけません。

問題:
B+木の検索や追加は比較的簡単なので、本題では削除のみに注目します。
B+木のルート(根)とキーを与えると、キーに一致するB+木中の要素を、
要素の順序と木の平衡を保ちながら削除し、更新したB+木を返す関数を
作ってください。(入力するB+木のサンプルは後述します)

条件:
・B+木としては最小のオーダー3の構造を対象にします。
  「オーダー3」とは、葉の要素数が2~3、枝の分岐の数も
  2~3の範囲を取るものです。(枝の索引数は分岐の数-1)
  ただしルートのみは、B+木全体の要素の数が3以下の場合、
  葉の要素の数が2未満になりえます。(例を見てください)
・要素や索引のキーは数字とし、データは省略してかまいません。
・B+木そのものやDB以外のライブラリならば使用してかまいません。
・結果で得られるB+木は入力の複製でもかまいません。(関数型言語への配慮)
・ノードの索引の更新は必ずしも存在する要素のキーと同期させる必要はありません。
  ただし検索に支障のない範囲である事。
・関数に与えたキーがどの要素とも一致せず、削除に失敗する場合は、
  NULLなどの生存ノードと区別できる値を返してください。

例:
問題の理解を促すための例示としてB+木をS式のリストで表します。
※この例の結果と違っていても平衡が保てていればOKです。
リストのタグの意味 … L=葉, N=枝(ノード), B=分岐, K=索引, 数字=キー

例) 1から7までのB+木
(N (K 3 6)        ; 検索に使われる索引は、middleとright各々の最小キーがあれば良い
   (B (L 1 2)     ; left    
      (L 3 4 5)   ; middle (分岐と葉の数は最小2、最大3つです)
      (L 6 7)))   ; right  
1を削除
=>(N (K 4 6)      ; middleの最小キーが変化したので索引も更新します
     (B (L 2 3)   ; middleの最小キーをもらって平衡を保ちます
        (L 4 5)
        (L 6 7)))
さらに2を削除
=>(N (K 6)        ; middleの最小キーが変化したので索引も更新します
     (B (L 3 4 5) ; 不完全なleft(またはmiddle)を削除し統合します
        (L 6 7)))
さらに6を削除
=>(N (K 5)
     (B (L 3 4)
        (L 5 7)))
さらに4を削除
=>(L 3 5 7)       ; 葉の数を保てなくなるので葉のみになります
さらに3と5を削除
=>(L 5 7) 
=>(L 7)           ; ルートのみ葉の数が2未満になりえます

入力するB+木のサンプル:
1から81までのB+木を用意しました。
本題はこれらを全て削除して要素数をゼロにできればOKです。
※S式のリストで出してますが、実際のデータ構造は何でもいいです。
(N (K 28 55)
   (B (N (K 10 19)
         (B (N (K 4 7)
               (B (L  1  2  3)
                  (L  4  5  6)
                  (L  7  8  9)))
            (N (K 13 16)
               (B (L 10 11 12)
                  (L 13 14 15)
                  (L 16 17 18)))
            (N (K 22 25)
               (B (L 19 20 21)
                  (L 22 23 24)
                  (L 25 26 27)))))
      (N (K 37 46)
         (B (N (K 31 34)
               (B (L 28 29 30)
                  (L 31 32 33)
                  (L 34 35 36)))
            (N (K 40 43)
               (B (L 37 38 39)
                  (L 40 41 42)
                  (L 43 44 45)))
            (N (K 49 52)
               (B (L 46 47 48)
                  (L 49 50 51)
                  (L 52 53 54)))))
      (N (K 64 73)
         (B (N (K 58 61)
               (B (L 55 56 57)
                  (L 58 59 60)
                  (L 61 62 63)))
            (N (K 67 70)
               (B (L 64 65 66)
                  (L 67 68 69)
                  (L 70 71 72)))
            (N (K 76 79)
               (B (L 73 74 75)
                  (L 76 77 78)
                  (L 79 80 81)))))))

Posted feedbacks - Flatten

Nested Hidden
Squeak Smalltalk で。手続き的に。

81 までの自然数をランダムに与えて、さいごまですべて削除できることを確認しました。
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| removeNode tree |

removeNode := [:root :elem |
    | node branch left middle right target neighbor merged keys
     bIndex eIndex path branchOf keysOf fixKeysOf |

    root first == #L
        ifTrue: [
            eIndex := root indexOf: elem.
            eIndex = 0 ifTrue: [^nil] ifFalse: [root := root copyWithoutIndex: eIndex]]
        ifFalse: [
            path := OrderedCollection new.
            node := root.
            keysOf := [:val | val first == #L ifTrue: [nil] ifFalse: [val second]].
            branchOf := [:val | val first == #L ifTrue: [val] ifFalse: [val third]].
            fixKeysOf := [:nde |
                (keysOf value: nde) ifNotNilDo: [:kys |
                    kys become: {#K}, (((branchOf value: nde) allButFirst: 2) collect: [:br |
                        [br first == #L] whileFalse: [br := (branchOf value: br) second].
                        br second])]].
            [   keys := keysOf value: node.
                keys ifNil: [target := node] ifNotNil: [
                    branch := branchOf value: node.
                    bIndex := keys findLast: [:key | (key isSymbol ifTrue: [0] ifFalse: [key]) <= elem].
                    bIndex = 0 ifTrue: [^nil].
                    target := branch at: bIndex + 1].
                target first = #L] whileFalse: [path add: node. node := target].

            eIndex := target indexOf: elem ifAbsent: [^nil].
            target become: (target copyWithoutIndex: eIndex).
            (bIndex > 2 and: [eIndex = 2]) ifTrue: [keys at: bIndex put: target second].

            [   left := branch second.
                middle := branch size > 2 ifTrue: [branch third] ifFalse: [nil].
                right := branch size = 4 ifTrue: [branch fourth] ifFalse: [nil].

                (branchOf value: target) size = 2 ifTrue: [
                    neighbor := target caseOf: {[left]->[middle]. [middle]->[left]. [right]->[middle]}.
                    merged := target == left
                        ifTrue: [(branchOf value: target), (branchOf value: neighbor) allButFirst]
                        ifFalse: [(branchOf value: neighbor), (branchOf value: target) allButFirst].
                    (branchOf value: neighbor) size = 3
                        ifTrue: [
                            (branchOf value: neighbor) become: merged.
                            branch become: (branch copyWithout: target)]
                        ifFalse: [
                            target == left ifTrue: [target := neighbor flag: (neighbor := target)].
                            (branchOf value: target) become: ({target first}, (merged allButFirst: 3)).
                            fixKeysOf value: target.
                            (branchOf value: neighbor) become: (merged allButLast: 2)].
                        fixKeysOf value: neighbor].
                fixKeysOf value: node.
                branch size = 2 ifFalse: [false] ifTrue: [
                    path ifEmpty: [node become: branch last. false] ifNotEmpty: [
                        target := node.
                        node := path removeLast.
                        branch := node third.
                        true]]
            ] whileTrue].
    root].

World findATranscript: nil.
tree := #(N (K 28 55)
   (B (N (K 10 19)
         (B (N (K 4 7)
               (B (L  1  2  3) (L  4  5  6) (L  7  8  9)))
            (N (K 13 16)
               (B (L 10 11 12) (L 13 14 15) (L 16 17 18)))
            (N (K 22 25)
               (B (L 19 20 21) (L 22 23 24) (L 25 26 27)))))
      (N (K 37 46)
         (B (N (K 31 34)
               (B (L 28 29 30) (L 31 32 33) (L 34 35 36)))
            (N (K 40 43)
               (B (L 37 38 39) (L 40 41 42) (L 43 44 45)))
            (N (K 49 52)
               (B (L 46 47 48) (L 49 50 51) (L 52 53 54)))))
      (N (K 64 73)
         (B (N (K 58 61)
               (B (L 55 56 57) (L 58 59 60) (L 61 62 63)))
            (N (K 67 70)
               (B (L 64 65 66) (L 67 68 69) (L 70 71 72)))
            (N (K 76 79)
               (B (L 73 74 75) (L 76 77 78) (L 79 80 81))))))).

(1 to: 81) asArray shuffled do: [:each |
    tree := removeNode value: tree value: each.
    Transcript cr; show: each asString, ', ', (tree printString copyWithout: $#)]

厳密にB+Treeと呼べるのかはわかりませんが
それっぽい感じにはなっていると思います。
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class B(list):
  def __str__(self):
    return '(B %s)' % '\n'.join([str(i) for i in self]).replace('\n', '\n   ')

  def delete(self, i, k):
    if isinstance(self[i], N):
      self[i].delete0(k)
      if len(self[i].b) < 2:
        if i == 0:
          if len(self[i+1].b) == 3:
            self[i].b.append(self[i+1].b.pop(0))
            self[i+1].k = self[i+1].getk()
          else:
            self[i].b.extend(self[i+1].b)
            self.pop(i+1)
          self[i].k = self[i].getk()
        else:
          if len(self[i-1].b) == 3:
            self[i].b.insert(0, self[i-1].b.pop())
            self[i].k = self[i].getk()
          else:
            self[i-1].b.extend(self[i].b)
            self.pop(i)
          self[i-1].k = self[i-1].getk()
    else:
      self[i].remove(k)
      if len(self[i]) < 2:
        if i == 0:
          if len(self[i+1]) == 3:
            self[i].append(self[i+1].pop(0))
          else:
            self[i].extend(self.pop(i+1))
        else:
          if len(self[i-1]) == 3:
            self[i].insert(0, self[i-1].pop())
          else:
            self[i-1].extend(self.pop(i))

class L(list):
  def __str__(self):
    return '(L %s)' % ' '.join(['%2d' % i for i in self])

  def delete(self, k):
    self.remove(k)
    return self

class K(list):
  def __str__(self):
    return '(K %s)' % ' '.join(['%d' % i for i in self])

class N:
  def __init__(self, k=None, b=None):
    self.k = k
    self.b = b

  def __str__(self):
    return '(N %s\n   %s)' % (self.k, str(self.b).replace('\n', '\n   '))

  def delete(self, k):
    self.delete0(k)
    if len(self.b) < 2:
      return self.b[0]
    return self

  def delete0(self, k):
    for i, j in enumerate(self.k+[0x100000000]):
      if k < j:
        self.b.delete(i, k)
        self.k = self.getk()
        break

  def getk(self):
    if isinstance(self.b[0], L):
      return K([l[0] for l in self.b[1:]])
    else:
      def getmin(n):
        if isinstance(n.b[0], L):
          return n.b[0][0]
        return getmin(n.b[0])
      return K([getmin(n) for n in self.b[1:]])

def mk_data():
  r = [N(b=B([L([i, i+1, i+2]) for i in range(j, j+9, 3)])) for j in range(1, 81, 9)]
  for i in r:
    i.k = i.getk()
  r = [N(b=B(r[i*3:i*3+3])) for i in range(3)]
  for i in r:
    i.k = i.getk()
  r = N(b=B(r))
  r.k = r.getk()
  return r

def test(l):
  root = mk_data()
  print root, '\n'
  for i in l:
    root = root.delete(i)
    print 'del = %d\n%s\n' % (i, root)

if __name__ == '__main__':
  from random import shuffle

  test(range(1, 82))
  test(range(81, 0, -1))
  l = range(1, 82)
  shuffle(l)
  test(l)

CPANのBtrees.pmを使ってお手軽に。
削除ごとのTreeの様子は、YAMLで表示されます。
Dan the CPAN Monger
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use strict;
use warnings;
use Btrees;
use YAML::Syck;

my $nodes = shift || 8;
sub comp{ $_[0] <=> $_[1]}
my ($tree, $node);
($tree, $node) = bal_tree_add($tree, $_, \&comp) for (1..$nodes);

for (1..$nodes){
    ($tree, $node) = bal_tree_del($tree, $_, \&comp);
    print YAML::Syck::Dump($tree);
}

Rubyで.追加・削除・検索を実装してみました. お題にて示されたデータ構造に対し,ランダムに1~81を削除して最後まで削除できることを確認したほか,ランダムに0~10000の要素を追加したデータ構造を用意し,矛盾なく最後まで削除できることを確認しました.

概要

今回,B+Treeのアルゴリズムを実装したクラスBPlusTreeを作成しました. まず,このクラスの簡単な使い方について説明します.

B+Treeオブジェクトの生成

B+Treeオブジェクト生成の例:

btree = BPlusTree.new

内部節(以下Branch)の持てる分岐の数(最大分岐数)と,葉(以下Leaf)の持てる要素の数は,B+Treeの初期化時に任意の数を設定することができます. この時,各Branchの保持する最小の分岐数は,(最大分岐数 / 2) の切り上げの数となります.最小の要素数についても同様です.

最大分岐数と最大要素数を指定する場合の例:

# Branchの最大分岐数5, Leafの最大要素数3
btree = BPlusTree.new({:maxbranch => 5, :maxentry => 3})

追加・削除・検索

追加・削除・検索の例:

btree = BPlusTree.new

# キーとデータを追加
btree.add(10, "value10")
btree.add(11, "value11")
btree.add(12, "value12")
btree.add(13, "value13")
btree.add(14, "value14")

# 削除
btree.delete(13)

# 検索 (値取得)
pp btree.get(10)  # => "value10"
pp btree.get(13)  # => nil (要素が無いので)

# 表示
btree.disp        # => 以下を表示
                  # - Branch(root) [(10), 12]
                  #   - Leaf [10, 11]
                  #   - Leaf [12, 14, 15]

btree.disp(true)  # => 第一引数により,Leafのデータを表示するか切り替え
                  # - Branch(root) [(10), 12]
                  #   - Leaf [10:value10, 11:value11]
                  #   - Leaf [12:value12, 14:value14, 15:value15]

# フラットな配列に変換 (全件探索による)
pp btree.to_a     # => [[10, "value10"], [11, "value11"],
                  #     [12, "value12"], [14, "value14"], [15, "value15"]

dispメソッドによる表示結果では,Branchの一番目のキーを (...) で括っています.これは「(検索アルゴリズムには影響を及ぼさない)一番目のキーである」程度の控えめな気持ちを表しています.要するに,あまり意味はありません.

その他

ppライブラリ用にpretty_printメソッドを再定義していますので,ppでそれなりに見やすい出力を得ることができます.

pp btreeの出力例:

#<BPlusTree:0x402e7a58
 @tree=
  #<BPlusTree::BPlusTree:0x402e79cc
   @param={:maxbranch=>3, :minentry=>2, :minbranch=>2, :maxentry=>3},
   @root=
    #<B+T::Branch key:[1, 5] branch:
     [#<B+T::Branch key:[1, 3] branch:
       [#<B+T::Leaf key:[1, 2] data:["value01", "value02"]>,
        #<B+T::Leaf key:[3, 4] data:["value03", "value04"]>]>,
      #<B+T::Branch key:[5, 7] branch:
       [#<B+T::Leaf key:[5, 6] data:["value05", "value06"]>,
        #<B+T::Leaf key:[7, 8, 9] data:["value07", "value08", "value09"]>]>]>>>

new_from_assocクラスメソッド

配列により組み上げた任意の構造から,BPlusTreeオブジェクトを得るために,new_from_assocクラスメソッドを定義しています.これは,本お題を達成する上で必要だったために実装しました.

最初はB+Treeのアルゴリズムを素直に使ってキー1~81を順番に追加してゆき,お題にて提示された構造を作ろうとしましたが,B+Treeの追加アルゴリズムは「追加時に最大要素数(分岐数)以上になった場合,2分割してそれぞれをB+Treeに加える」というものですので,詰め方を工夫しないと充填率100%とはならず,隙間が空いてしまいます.今回は,配列で構造を作った後にB+Treeオブジェクトを組み上げるメソッドを定義して対応しました.

new_from_assocクラスメソッドの使用例:

assoc = [[:branch, [1, 4],
          [[:leaf, [1, 2, 3], ["value01", "value02", "value03"]],
           [:leaf, [4, 5, 6], ["value04", "value05", "value06"]]]]]
btree = BPlusTree.new_from_assoc(assoc)
btree.disp  # => 以下を表示
            # - Branch(root) [(1), 4]
            #   - Leaf [1, 2, 3]
            #   - Leaf [4, 5, 6]

クラス説明

BPlusTree::BPlusTree

使用者が直接操作するための入り口となるクラスです.add, delete, get, disp, to_aメソッドなどを定義しています.ルートとなるBranchまたはLeafへの参照を保持しています.

また,B+Treeではルートとなるノードについては特別扱いをする必要がありますが,そうした操作も本クラスで実装しています.

BPlusTree::BPlusTree::Node

Leaf, Branchクラスの基底クラスです.共通のメソッドやアクセサメソッドを定義しています.このクラスのインスタンスが作られることはありません.

BPlusTree::BPlusTree::Leaf

Leafのクラスです.add, deleteなど基本的なメソッドを定義しているほか,自身の分割(split)や,兄弟のLeafと要素を配分(balance),兄弟のLeafを自身に併合(integrate)などのメソッドも定義しています.これらのメソッドは,BPlusTree::BranchクラスやBPlusTree::BPlusTreeクラスから呼ばれます.

BPlusTree::BPlusTree::Branch

Branchのクラスです.Leafと同様,Branchの操作に特有なメソッドを定義しています.

BPlusTree

BPlusTree::BPlusTreeクラスのインスタンスを1つだけ保持し,add, delete, get, disp, to_aメソッドを委譲しています.

本来は特に必要ないクラスですが,BPlusTree::BPlusTree.newなどと打つよりBPlusTree.newとできた方が何かと気分がよいために定義してあります.

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#!/usr/bin/ruby
require 'forwardable'
require 'pp'

#
# BPlusTree class
#
class BPlusTree
  extend Forwardable
  def_delegators :@tree, :root, :add, :delete, :get, :to_a, :disp
  attr_accessor :tree

  def initialize(param = {})
    @tree = BPlusTree.new(param)
  end

  def BPlusTree.new_from_assoc(assoc, param = {})
    ret = new(param)
    ret.tree = BPlusTree.new_from_assoc(assoc, param)
    return ret
  end


  class BPlusTree
    attr_accessor :root, :param

    def initialize(param = {})
      self.param = param
      self.root = Leaf.new(self.param)
    end

    def BPlusTree.new_from_assoc(assoc, param = {})
      new(param).create_bptree_from_assoc(assoc)
    end

    def add(key, value)
      ret, _ = self.root.add(key, value)
      increase_height if ret == :need_split
      return key
    end

    def delete(key)
      ret, di = self.root.delete(key)
      if ret == :need_balance and self.root.suitable_root? then
        decrease_height
      end
      return((di.nil?) ? nil : key)
    end

    def get(key)
      self.root.get(key)
    end

    def to_a
      self.root.to_a
    end

    def disp(with_data = false)
      self.root.disp(0, with_data)
    end

    def create_bptree_from_assoc(assoc)
      raise 'Multiple root node occured' if assoc.size > 1
      type, key, data = assoc[0]
      root = {:leaf => Leaf, :branch => Branch}[type].new_from_assoc(assoc[0])
      root.connect_nextp(nil)
      self.root = root
      return self
    end


    private
    def increase_height
      # create a new root
      newroot = Branch.new(self.param)

      # connect children to new root
      lbrother = self.root
      bbrother = self.root.split
      (newroot.add_child(lbrother).nil?  and
       newroot.add_child(bbrother).nil?) or
        raise("#{self.class}#increase_height: Internal error")

      self.root = newroot
    end

    def decrease_height
      self.root = self.root.get_child
    end
  end


  class Node
    attr_accessor :key, :param

    def initialize(param = {})
      self.key = []
      self.param = param

      @param[:maxentry]  ||= 3
      @param[:maxbranch] ||= 3
      @param[:minentry]  ||= (@param[:maxentry]  + 1) / 2
      @param[:minbranch] ||= (@param[:maxbranch] + 1) / 2

      return self
    end

    def maxentry
      @param[:maxentry]
    end
    def maxbranch
      @param[:maxbranch]
    end
    def minentry
      @param[:minentry]
    end
    def minbranch
      @param[:minbranch]
    end


    def min
      return self.key.first
    end

    protected
    def search_insert_pos(key)
      for i in 0..self.key.size - 1
        return i if key < self.key[i]
      end
      return self.key.size
    end
  end


  class Leaf < Node
    attr_accessor :data, :nextp

    def initialize(param = {})
      self.data = []
      self.nextp = nil
      super
    end

    def Leaf.new_from_assoc(assoc, param = {})
      new(param).create_bptree_from_assoc(assoc)
    end

    def add(key, value)
      before = search_insert_pos(key)
      self.key[before, 0]  = key
      self.data[before, 0] = value

      ret = nil
      ret = :need_split if self.key.size > self.maxentry
      return [ret, before]
    end

    def delete(key)
      pos = search_key(key)
      return [nil, nil] if pos.nil?

      self.key.delete_at(pos)
      self.data.delete_at(pos)

      ret = nil
      ret = :need_balance if self.key.size < self.minentry
      return [ret, pos]
    end

    def get(key)
      pos = search_key(key)
      return nil if pos.nil?
      return self.data[pos]
    end

    def to_a
      ret = self.key.zip(self.data)
      return ret if self.nextp.nil?
      return ret +  self.nextp.to_a
    end

    def disp(level, with_data = false)
      indent = '  ' * level
      print indent + '- Leaf' + ((level == 0) ? '(root)' : '') + ' ['
      print self.key.zip(self.data).inject('') {|before, (k, d)|
          if before.empty? then
            k.to_s + (with_data ? ':' + d.to_s : '')
          else
            before + ', ' + k.to_s + (with_data ? ':' + d.to_s : '')
          end
        }
      puts ']'
    end

    def pretty_print(pp)
      pp.group(1, '#<B+T::Leaf', '>') do
        pp.breakable
        pp.text('key:')
        pp.pp(self.key)
        pp.breakable
        pp.text('data:')
        pp.pp(self.data)
      end
    end


    def split
      range = (self.key.size / 2) .. self.key.size - 1

      sibling = Leaf.new(self.param)
      sibling.key[0, 0] = self.key[range]
      sibling.data[0, 0] = self.data[range]
      self.key[range] = nil
      self.data[range] = nil
      sibling.nextp = self.nextp
      self.nextp = sibling

      return sibling
    end

    def balance(bigbrother)
      if self.key.size + bigbrother.key.size <= self.maxentry then
        return :need_integrate
      end
      if self.key.size + bigbrother.key.size >  self.maxentry * 2 then
        raise "#{self.class}#balance: Internal error"
      end

      newkey  = self.key.dup + bigbrother.key
      newdata = self.data.dup + bigbrother.data
      keys = newkey.size
      boundary = keys / 2

      self.key        = newkey[0..boundary-1]
      bigbrother.key  = newkey[boundary..keys-1]

      self.data       = newdata[0..boundary-1]
      bigbrother.data = newdata[boundary..keys-1]

      return nil
    end

    def integrate(bigbrother)
      self.key  += bigbrother.key
      self.data += bigbrother.data
      self.nextp = bigbrother.nextp
      bigbrother.nextp = nil

      raise "#{self.class}: Internal error" if self.key.size > self.maxentry
      return nil
    end

    def get_child
      return self
    end

    def suitable_root?
      return true
    end

    def create_bptree_from_assoc(assoc)
      type, key, data = assoc
      unless type == :leaf then
        raise "#{self.class}#create_bptree_from_assoc: Internal error"
      end
      self.key = key
      self.data = data
      return self
    end

    def connect_nextp(before = nil)
      before.nextp = self unless before.nil?
      return self
    end


    private
    def search_key(key)
      for i in 0..self.key.size - 1
        return i if self.key[i] == key
      end
      return nil
    end
  end


  class Branch < Node
    attr_accessor :branch

    def initialize(param = {})
      self.branch = []
      super
    end

    def Branch.new_from_assoc(assoc, param = {})
      new(param).create_bptree_from_assoc(assoc)
    end

    def add(key, value)
      bi = search_branch(key)
      child = self.branch[bi]
      ret, before = child.add(key, value)
      self.key[bi] = child.key[before] if before == 0

      return [nil, bi] if ret.nil?
      raise "#{self.class}#add: Internal error" unless ret == :need_split

      # split child
      bbrother = child.split
      ret = self.add_child(bbrother)

      return [ret, bi] if ret.nil? or ret == :need_split
      raise "#{self.class}#add: Internal error"
    end

    def delete(key)
      bi = search_branch(key)
      child = self.branch[bi]
      ret, di = child.delete(key)
      self.key[bi] = child.key[di] if di == 0

      bj = nil
      until ret.nil?
        case ret
        when :need_balance
          # choose pair.
          bi, bj = self.choose_pair(bi)
          lbrother, bbrother = self.branch[bi..bj]

          # balance pair
          ret = lbrother.balance(bbrother)
          self.key[bj] = bbrother.min
        when :need_integrate
          # remove big-brother
          self.branch.delete_at(bj)
          self.key.delete_at(bj)

          # integrate pair
          ret = lbrother.integrate(bbrother)
        else
          raise "#{self.class}#delete: Internal error"
        end
      end

      ret = nil
      ret = :need_balance if self.key.size < self.minbranch
      return [ret, bi]
    end

    def get(key)
      bi = search_branch(key)
      return self.branch[bi].get(key)
    end

    def to_a
      return self.branch[0].to_a
    end

    def disp(level, with_data = false)
      indent = '  ' * level
      puts indent + '- Branch' + (level == 0 ? '(root)' : '') + ' [' +
        self.key.inject('') {|before, k|
          if before.empty? then
            "(#{k})"
          else
            before + ", #{k}"
          end
        } + ']'
      self.branch.map do |branch|
        branch.disp(level + 1, with_data)
      end
    end

    def pretty_print(pp)
      pp.group(1) do
        pp.text('#<B+T::Branch')
        pp.breakable
        pp.group(1, 'key:[', ']') do
          self.key.inject(false) do |before, key|
            pp.comma_breakable if before
            pp.pp(key)
            true
          end
        end

        pp.breakable
        pp.text('branch:')
      end

      pp.nest(1) do
        pp.breakable
        pp.group(1, '[', ']') do
          self.branch.inject(false) do |before, branch|
            pp.comma_breakable if before
            pp.pp(branch)
            true
          end
        end
      end

      pp.text('>')
    end


    def add_child(child)
      before = search_insert_pos(child.min)
      self.key[before, 0] = child.min
      self.branch[before, 0] = child

      return :need_split if self.key.size > self.maxbranch
      return nil
    end

    def split
      range = (self.key.size / 2) .. self.key.size - 1

      sibling = Branch.new(self.param)
      sibling.key[0, 0] = self.key[range]
      sibling.branch[0, 0] = self.branch[range]

      self.branch[range] = nil
      self.key[range] = nil

      return sibling
    end

    def balance(bigbrother)
      if self.key.size + bigbrother.key.size <= self.maxbranch then
        return :need_integrate
      end
      if self.key.size + bigbrother.key.size >  self.maxbranch * 2 then
        raise "#{self.class}#balance: Internal error"
      end

      # newkeyとnewbranchには,maxbranch * 2個の要素を置くための空間が必要
      newkey    = self.key.dup + bigbrother.key
      newbranch = self.branch.dup + bigbrother.branch
      keys = newkey.size
      boundary = keys / 2

      self.key       = newkey[0..boundary-1]
      bigbrother.key = newkey[boundary..keys-1]

      self.branch       = newbranch[0..boundary-1]
      bigbrother.branch = newbranch[boundary..keys-1]

      return nil
    end

    def integrate(bigbrother)
      for i in 0..bigbrother.key.size - 1
        self.add_child(bigbrother.branch[i])
      end

      raise "#{self.class}: Internal error" if self.key.size > self.maxbranch
      return nil
    end

    def get_child
      raise "#{self.class}#get_child: Internal error" if self.key.size != 1
      return self.branch[0]
    end

    def suitable_root?
      return true if self.key.size <= 1
      return false
    end

    def choose_pair(lbrother_idx)
      lbrother_idx -= 1 if lbrother_idx == self.key.size - 1
      bbrother_idx = lbrother_idx + 1
      raise "#{self.class}#choose_pair: Internal error" if key.size < 2
      return [lbrother_idx, bbrother_idx]
    end

    def create_bptree_from_assoc(assoc)
      type, key, branch = assoc
      unless type == :branch then
        raise "#{self.class}#create_bptree_from_assoc: Internal error"
      end
      self.key = key
      self.branch = branch.map do |child|
        {:leaf => Leaf, :branch => Branch}[child.first].new_from_assoc(child)
      end
      return self
    end

    def connect_nextp(before = nil)
      self.branch.inject(before) do |before, branch|
        branch.connect_nextp(before)
      end
    end


    private
    def search_branch(key)
      for i in 1..self.key.size - 1
        return i - 1 if key < self.key[i]
      end
      return self.key.size - 1
    end
  end
end

###########################################################################
# deleting test

puts '[Delete test 1]'
puts

assoc =
[[:branch, [1, 28, 55],
  [[:branch, [1, 10, 19],
    [[:branch, [1, 4, 7],
      [[:leaf, [1, 2, 3], ["data01", "data02", "data03"]],
       [:leaf, [4, 5, 6], ["data04", "data05", "data06"]],
       [:leaf, [7, 8, 9], ["data07", "data08", "data09"]]]],
     [:branch, [10, 13, 16],
      [[:leaf, [10, 11, 12], ["data10", "data11", "data12"]],
       [:leaf, [13, 14, 15], ["data13", "data14", "data15"]],
       [:leaf, [16, 17, 18], ["data16", "data17", "data18"]]]],
     [:branch, [19, 22, 25],
      [[:leaf, [19, 20, 21], ["data19", "data20", "data21"]],
       [:leaf, [22, 23, 24], ["data22", "data23", "data24"]],
       [:leaf, [25, 26, 27], ["data25", "data26", "data27"]]]]]],
   [:branch, [28, 37, 46],
    [[:branch, [28, 31, 34],
      [[:leaf, [28, 29, 30]