文章目录
- 十四、二叉搜索树
- 1. 二叉搜索树的概念
- 2. 二叉搜索树的实现
- 查找
- 插入
- 中序遍历
- 删除
- 拷贝构造
- 析构函数
- 赋值重载
- 完整代码
- 3. 二叉搜索树的应用
- K搜索模型
- KV搜索模型
- 未完待续
十四、二叉搜索树
1. 二叉搜索树的概念
二叉搜索树又称二叉排序树,它或者是一棵空树,或者是具有以下性质的二叉树:
若它的左子树不为空,则左子树上所有节点的值都小于根节点的值。
若它的右子树不为空,则右子树上所有节点的值都大于根节点的值。
它的左右子树也分别为二叉搜索树。
二叉搜索树的查找非常方便,最多查找 树的高度 次就能找到,他还有一个隐藏特点:二叉搜索树的中序遍历是有序的。
2. 二叉搜索树的实现
二叉搜索树,树是一种结构,需要用类来定义,节点也是一种结构,需要另一个类来定义。节点对数来说是完全公开的,所以节点我们使用 struct 。我们创建一个头文件:BinarySearchTree.h ,在里面先编写一个框架出来:
#pragma once
// struct BinarySearchTreeNode
// 节点结构体
template<class K>
struct BSTreeNode // 采用缩写
{
typedef BSTreeNode<K> Node;
// 指向左孩子的指针
Node* _left;
// 指向右孩子的指针
Node* _right;
// 关键字(存储的数据)
K _key;
BSTreeNode(const K& key)
:_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_key(key)
{}
};
//class BinarySearchTree
// 二叉搜索树类
template<class K>
class BSTree // 采用缩写
{
typedef BSTreeNode<K> Node;
public:
//
private:
Node* _root = nullptr;
};
查找
二叉搜索树非常适合查找,逻辑也非常简单。通过不断与当前节点比较而选择进入左子树或者右子树。
bool Find(const K& key)
{
Node* cur = _root;
// cur处有节点
while (cur)
{
// 要查找的值比当前节点的值要小
if (key < cur->_key)
{
// 前往左子树
cur = cur->_left;
}
//要查找的值比当前节点的值要大
else if (key > cur->_key)
{
// 前往右子树
cur = cur->_right;
}
// 相等时
else
{
return true;
}
}
// 没找到
return false;
}
插入
插入也是比较简单的,当插入的关键字已存在时,现阶段没有多大用处,我们就插入已有的关键字,当关键字不存在时,也是一种查找,当 找到空位置 时,该位置就可以插入。唯一需要注意的是,需要使用一个指针指向插入位置的父节点,否则无法进行节点之间的连接。
bool Insert(const K& key)
{
// 注意空树
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(key);
return true;
}
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
// 现阶段不插入相同的值
return false;
}
}
// 创建新节点
cur = new Node(key);
if (key < parent->_key)
{
// 新节点插在左子树
parent->_left = cur;
}
else
{
// 新节点插在右子树
parent->_right = cur;
}
return true;
}
中序遍历
中序遍历需要借助当前节点,所以需要一个形参,但是根节点又是属于类的私有成员变量,在外部无法访问,所以我们需要嵌套一层函数来访问。
// private内
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
_InOrder(root->_left);
std::cout << root->_key << " ";
_InOrder(root->_right);
}
// 套一层函数来获取根节点
// public内
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
std::cout << std::endl;
}
我们来测试一下:创建一个源文件 Test.cpp。
#include <iostream>
#include "BinarySearchTree.h"
using namespace std;
int main(void)
{
BSTree<int> t;
int a[] = { 8,3,1,10,6,4,7,14,13 };
for (auto e : a)
{
t.Insert(e);
}
t.InOrder();
return 0;
}
二叉搜索树的中序遍历确实是有序的,看来前面的函数都没有问题。
删除
前面的函数其实都是比较简单的,二叉搜索树的删除会比较困难。二叉搜索树的删除分为三种情况:
- 删除没有孩子节点的节点。
比如删除上图中的 1 4 7 13 。这种情况最简单,直接删掉即可。 - 删除只有一个孩子的节点。
如上图中的 10 14 。这种情况也算是比较简单的,比如说我们要删除 14 。我们只需要将 14 的孩子 托付给 14 的父节点 即可。
- 删除有两个孩子的节点。
比如删除上图中的 8 3 6 。这种情况最为复杂,也最难。这种情况该怎么删除呢?有一种方法叫做 替换删除法 ,比如说我要删除 3 ,我可以从 3 的孩子里找出能够替换掉 3 的节点,即 左子树中的最右侧(最大)的节点,或者右子树中的最左侧(最小)的节点 。这两个节点与被删除的节点替换都可以完成删除操作。
其实情况1和情况2差不多,因为情况1同样可以理解为将 空托付给父节点 。
bool Erase(const K& key)
{
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
// 找到了要删除的节点
else
{
// 左子树为空,托付右子树
if (cur->_left == nullptr)
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_right;
}
else
{
parent->_right = cur->_right;
}
delete cur;
return true;
}
// 右子树为空,托付左子树
else if (cur->_right == nullptr)
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_left;
}
else
{
parent->_right = cur->_left;
}
delete cur;
return true;
}
// 都不为空使用替换删除法
else
{
// 这里采用的是 找右子树的最小节点
Node* rightMinParent = cur;
Node* rightMin = cur->_right;
while (rightMin->_left)
{
rightMinParent = rightMin;
rightMin = rightMin->_left;
}
// 赋值
cur->_key = rightMin->_key;
// 托付
if (rightMin == rightMinParent->_left)
{
rightMinParent->_left = rightMin->_right;
}
else
{
rightMinParent->_right = rightMin->_right;
}
delete rightMin;
return true;
}
}
}
return false;
}
上面的函数有两个小细节,①假如删除8,则其右孩子 10 就是要删除的节点,所以 rightMinParent 不能初始化为 nullptr。②假如删除8,则其右孩子 10 就是要删除的节点,此时 10 是 8 的右节点,所以 rightMin 不一定是 rightMinParent 的左节点。
测试一下:
#include <iostream>
#include "BinarySearchTree.h"
using namespace std;
int main(void)
{
BSTree<int> t;
int a[] = { 8,3,1,10,6,4,7,14,13 };
for (auto e : a)
{
t.Insert(e);
}
t.InOrder();
t.Erase(8);
t.InOrder();
return 0;
}
已经没有问题了吗?NoNoNo,当要删除的节点是根节点,并且只有左子树或者只有右子树时就会出问题了。此时 Parent 为 nullptr 但是被解引用了,所以我们需要加一下判断:
bool Erase(const K& key)
{
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
// 找到了要删除的节点
else
{
// 左子树为空,托付右子树
if (cur->_left == nullptr)
{
if (cur == _root)
{
_root = cur->_right;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_right;
}
else
{
parent->_right = cur->_right;
}
}
delete cur;
return true;
}
// 右子树为空,托付左子树
else if (cur->_right == nullptr)
{
if (cur == _root)
{
_root = cur->_left;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_left;
}
else
{
parent->_right = cur->_left;
}
}
delete cur;
return true;
}
// 都不为空使用替换删除法
else
{
// 这里采用的是 找右子树的最小节点
Node* rightMinParent = cur;
Node* rightMin = cur->_right;
while (rightMin->_left)
{
rightMinParent = rightMin;
rightMin = rightMin->_left;
}
// 赋值
cur->_key = rightMin->_key;
// 托付
if (rightMin == rightMinParent->_left)
{
rightMinParent->_left = rightMin->_right;
}
else
{
rightMinParent->_right = rightMin->_right;
}
delete rightMin;
return true;
}
}
}
return false;
}
拷贝构造
由于默认生成的拷贝构造函数是浅拷贝,直接拷贝构造会导致两个对象指向同一个二叉搜索树,我们要实现深拷贝所以要手动写一个拷贝构造函数。
// 强制生成默认构造函数
BSTree() = default;
// 拷贝构造函数
BSTree(const BSTree<K>& t)
{
_root = Copy(t._root);
}
// private内
Node* Copy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return nullptr;
}
Node* newRoot = new Node(root->_key);
newRoot->_left = Copy(root->_left);
newRoot->_right = Copy(root->_right);
return newRoot;
}
析构函数
~BSTree()
{
Destroy(_root);
}
// private内
void Destroy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
Destroy(root->_left);
Destroy(root->_right);
delete root;
}
测试一下:
#include <iostream>
#include "BinarySearchTree.h"
using namespace std;
int main(void)
{
BSTree<int> t;
int a[] = { 8,3,1,10,6,4,7,14,13 };
for (auto e : a)
{
t.Insert(e);
}
t.InOrder();
BSTree<int> t1(t);
t1.InOrder();
return 0;
}
赋值重载
BSTree<K>& operator=(BSTree<K> t)
{
std::swap(_root, t._root);
return *this;
}
完整代码
#pragma once
// struct BinarySearchTreeNode
template<class K>
struct BSTreeNode
{
typedef BSTreeNode<K> Node;
// 指向左孩子的指针
Node* _left;
// 指向右孩子的指针
Node* _right;
// 关键字(存储的数据)
K _key;
BSTreeNode(const K& key)
:_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_key(key)
{}
};
//class BinarySearchTree
template<class K>
class BSTree
{
typedef BSTreeNode<K> Node;
public:
// 强制生成默认构造函数
BSTree() = default;
// 拷贝构造函数
BSTree(const BSTree<K>& t)
{
_root = Copy(t._root);
}
BSTree<K>& operator=(BSTree<K> t)
{
std::swap(_root, t._root);
return *this;
}
// 析构函数
~BSTree()
{
Destroy(_root);
}
bool Insert(const K& key)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(key);
return true;
}
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
// 现阶段不插入相同的值
return false;
}
}
// 创建新节点
cur = new Node(key);
if (key < parent->_key)
{
// 新节点插在左子树
parent->_left = cur;
}
else
{
// 新节点插在右子树
parent->_right = cur;
}
return true;
}
bool Find(const K& key)
{
Node* cur = _root;
// cur处有节点
while (cur)
{
// 要查找的值比当前节点的值要小
if (key < cur->_key)
{
// 前往左子树
cur = cur->_left;
}
//要查找的值比当前节点的值要大
else if (key > cur->_key)
{
// 前往右子树
cur = cur->_right;
}
// 相等时
else
{
return true;
}
}
// 没找到
return false;
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
std::cout << std::endl;
}
bool Erase(const K& key)
{
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
// 找到了要删除的节点
else
{
// 左子树为空,托付右子树
if (cur->_left == nullptr)
{
if (cur == _root)
{
_root = cur->_right;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_right;
}
else
{
parent->_right = cur->_right;
}
}
delete cur;
return true;
}
// 右子树为空,托付左子树
else if (cur->_right == nullptr)
{
if (cur == _root)
{
_root = cur->_left;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_left;
}
else
{
parent->_right = cur->_left;
}
}
delete cur;
return true;
}
// 都不为空使用替换删除法
else
{
// 这里采用的是 找右子树的最小节点
Node* rightMinParent = cur;
Node* rightMin = cur->_right;
while (rightMin->_left)
{
rightMinParent = rightMin;
rightMin = rightMin->_left;
}
// 赋值
cur->_key = rightMin->_key;
// 托付
if (rightMin == rightMinParent->_left)
{
rightMinParent->_left = rightMin->_right;
}
else
{
rightMinParent->_right = rightMin->_right;
}
delete rightMin;
return true;
}
}
}
return false;
}
private:
Node* Copy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return nullptr;
}
Node* newRoot = new Node(root->_key);
newRoot->_left = Copy(root->_left);
newRoot->_right = Copy(root->_right);
return newRoot;
}
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
_InOrder(root->_left);
std::cout << root->_key << " ";
_InOrder(root->_right);
}
void Destroy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
Destroy(root->_left);
Destroy(root->_right);
delete root;
}
Node* _root = nullptr;
};
3. 二叉搜索树的应用
K搜索模型
K搜索模型主要运用于想要 快速找到某个值在不在 。比如说门禁系统。
KV搜索模型
KV搜索模型主要运用于想要 通过某个值(key)查找另一个值(value)在不在 。比如说商场车库,通过车牌号找到进车库的时间好用来计费。
上面实现的就是 K搜索模型 ,如何实现 KV搜索模型 呢?其实也不难,节点结构体内多存入一个 value 即可,然后输入 key 的时候也要输入 value。逻辑与 K搜索模型 大差不差。