目录
1. 二叉搜索树概念
2. 二叉搜索树的实现
2.1 创建二叉搜索树节点
2.2 创建实现二叉搜索树
2.3 二叉搜索树的查找
2.4 二叉搜索树的插入
2.5 二叉搜索树的删除
2.6 中序遍历
2.7 完整代码加测试
3. 二叉搜索树的应用
3.1 K模型:
3.2 KV模型:
4. 二叉搜索树的性能分析
1. 二叉搜索树概念
二叉搜索树(BST,Binary Search Tree):可以是一颗空树,满足以下性质:
- 根节点的值大于左子树上所有节点的值,小于右子树上所有节点的值。
- 它的左子树和右子树也分别为二叉搜索树。
它的中序遍历是有序的:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ,所以也称为二叉排序树或二叉查找树。
2. 二叉搜索树的实现
int a[ ] = { 5, 3, 4, 1, 7, 8, 2, 6, 0, 9 };
2.1 创建二叉搜索树节点
template<class K>
struct BSTreeNode
{
BSTreeNode* _left;
BSTreeNode* _right;
K _key;
//初始化节点
BSTreeNode(const K& key)
:_left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _key(key)
{}
};
2.2 创建实现二叉搜索树
template<class K>
class BSTree
{
typedef BSTreeNode<K> Node;
public:
//操作实现
//查找
bool Find(const K& key) { }
//插入
void Insert(const K& key) { }
//删除
bool Erase() { }
//中序遍历
void InOrder() { }
private:
Node* _root = nullptr;
}
2.3 二叉搜索树的查找
a、从根开始查找,比根大往右边查找,比根小往左边查找。
b、最多查找高度次,走到空,还没找到,则要查找的值不存在。
bool Find(const K& key)
{
if (_root == nullptr)
{
return false;
}
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (key < cur->_left)
{
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_right)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
return true;
}
}
return false;
}
2.4 二叉搜索树的插入
a、如果树为空,新增节点,赋值给_root指针。
b、按搜索二叉树性质查找插入位置,插入节点。
c、要插入的位置一定为为空的位置,所以要插入,还要找到要插入位置的父节点,让父节点指向新插入的节点。
bool Insert(const K& key)
{
//如果树为空,新增节点
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(key);
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
//比根小
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
//比根大
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
//与根相等
else
{
return false;
}
}
cur = new Node(key);
if (key < parent->_key)
{
parent->_left = cur;
}
else
{
parent->_right = cur;
}
return true;
}
2.5 二叉搜索树的删除
a、先判断要删除的元素是否存在,不存在,返回false。
b、若存在,则分为以下情况:
- 要删除的节点(叶子节点)左右子树为空
- 要删除的节点左子树为空或右子树为空
- 要删除的节点左子树右子树都不为空
实际操作起来,情况1和情况2能合并到一起实现,只有两种情况:
- 要删除的节点的左子树或右子树为空:直接删除-----让父亲指向要删除节点右子树(左子树),再直接删除该节点。
如果要删除的该节点为根,则直接让它的右子树(左子树)赋值给_root让它成为新根即可。
- 要删除的节点的左右子树都不为空:替换法删除----在它的右子树中找到最小值(最左节点)或在左子树中找到最大值(最右节点),将它的值与要删除节点的值替换,这时就转换为该节点的删除问题。
右子树最左节点的左子树一定为空,左子树最右节点的右子树一定为空,这就转换为第一种情况的删除了。
bool Erase(const K& key)
{
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
//查找
while (cur)
{
if (key < cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_key)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
//找到了 删除
else
{
//1.要删除节点的左子树为空或者右子树为空
if (cur->_left == nullptr)
{
//如果为根
if (cur == _root)
{
_root = cur->_right;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_right;
}
else
{
parent->_right = cur->_right;
}
}
delete cur;
}
else if (cur->_right == nullptr)
{
//如果为根且右子树为空
if (cur == _root)
{
_root = cur->_left;
}
else
{
if (cur == parent->_left)
{
parent->_left = cur->_left;
}
else
{
parent->_right = cur->_left;
}
}
}
//要删除的左右子树都不为空
else
{
//这里找到是右子树的最左值
Node* rightMinParent = cur;
Node* rightMin = cur->_right;//要替换的节点
while (rightMin->_left)
{
rightMinParent = rightMin;
rightMin = rightMin->_left;
}
//替换法交换
cur->_key = rightMin->_key;
//转换成删除rightMin
if (rightMin == rightMinParent->_right)
{
//rightMin的左子树一定为空
rightMinParent->_right = rightMin->_right;
}
else
{
rightMinParent->_left = rightMin->_right;
}
delete rightMin;
}
//这里我们去找左子树的最大值
//else
//{
// Node* leftMaxParent = cur;
// Node* leftMax = cur->_left;
// while (leftMax->_right)
// {
// leftMaxParent = leftMax;
// leftMax = leftMax->_right;
// }
// //替换法删除
// cur->_key = leftMax->_key;
// //转换为删除leftMax
// if (leftMax == leftMaxParent->_left)
// {
// leftMaxParent->_left = leftMax->_left;
// }
// else
// {
// leftMaxParent->_right = leftMax->_left;
// }
// delete leftMax;
//}
return true;
}
}
return false;
}
2.6 中序遍历
中序遍历:按照左子树 根 右子树的方式迭代遍历二叉树。
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
_InOrder(root->_left);
cout << root->_key << " ";
_InOrder(root->_right);
}
总之,我们在实现二叉搜索树的时候一定要考虑多种情况,每种情况也要多找几个节点进行分析。
2.7 完整代码加测试
BSTree.hpp:
//创建二叉树节点 template<class K> struct BSTreeNode { BSTreeNode* _left; BSTreeNode* _right; K _key; //初始化节点 BSTreeNode(const K& key) :_left(nullptr) , _right(nullptr) , _key(key) {} }; //创建实现二叉树 template<class K> class BSTree { typedef BSTreeNode<K> Node; public: bool Insert(const K& key) { //如果树为空,新增节点 if (_root == nullptr) { _root = new Node(key); return true; } Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { //比根小 if (key < cur->_key) { parent = cur; cur = cur->_left; } //比根大 else if (key > cur->_key) { parent = cur; cur = cur->_right; } //与根相等 else { return false; } } cur = new Node(key); if (key < parent->_key) { parent->_left = cur; } else { parent->_right = cur; } return true; } //中序遍历 void _InOrder(Node* root) { if (root == nullptr) { return; } _InOrder(root->_left); cout << root->_key << " "; _InOrder(root->_right); } void InOrder() { _InOrder(_root); cout << endl; } bool Erase(const K& key) { Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; //查找 while (cur) { if (key < cur->_key) { parent = cur; cur = cur->_left; } else if (key > cur->_key) { parent = cur; cur = cur->_right; } //找到了 删除 else { //1.要删除节点的左子树为空或者右子树为空 if (cur->_left == nullptr) { //如果为根 if (cur == _root) { _root = cur->_right; } else { if (cur == parent->_left) { parent->_left = cur->_right; } else { parent->_right = cur->_right; } } delete cur; } else if (cur->_right == nullptr) { //如果为根且右子树为空 if (cur == _root) { _root = cur->_left; } else { if (cur == parent->_left) { parent->_left = cur->_left; } else { parent->_right = cur->_left; } } } //要删除的左右子树都不为空 else { //这里找到是右子树的最左值 Node* rightMinParent = cur; Node* rightMin = cur->_right;//要替换的节点 while (rightMin->_left) { rightMinParent = rightMin; rightMin = rightMin->_left; } //替换法交换 cur->_key = rightMin->_key; //转换成删除rightMin if (rightMin == rightMinParent->_right) { //rightMin的左子树一定为空 rightMinParent->_right = rightMin->_right; } else { rightMinParent->_left = rightMin->_right; } delete rightMin; } //这里我们去找左子树的最大值 //else //{ // Node* leftMaxParent = cur; // Node* leftMax = cur->_left; // while (leftMax->_right) // { // leftMaxParent = leftMax; // leftMax = leftMax->_right; // } // //替换法删除 // cur->_key = leftMax->_key; // //转换为删除leftMax // if (leftMax == leftMaxParent->_left) // { // leftMaxParent->_left = leftMax->_left; // } // else // { // leftMaxParent->_right = leftMax->_left; // } // delete leftMax; //} return true; } } return false; } bool Find(const K& key) { if (_root == nullptr) { return false; } Node* cur = _root; while (cur) { if (key < cur->_left) { cur = cur->_left; } else if (key > cur->_right) { cur = cur->_right; } else { return true; } } return false; } private: Node* _root = nullptr; }; void TestBSTree() { BSTree<int> t; int a[] = { 5, 3, 4, 1, 7, 8, 2, 6, 0, 9 }; for (auto e : a) { t.Insert(e); } for (auto e : a) { t.Erase(e); t.InOrder(); } }
Test.cpp:
#include"BSTree.hpp" int main() { TestBSTree(); return 0; }
运行结果:
3. 二叉搜索树的应用
3.1 K模型:
K模型只有key作为关键码,结构中只需要存储key即可,关键码就是要搜索的值。
比如:给一个单词,判断该单词是否正确:
- 以词库中所有单词集合中的每个单词作为key,构建一颗二叉搜索树
- 在二叉搜索树中检索该单词是否存在,存在则拼写正确,不存在则拼写错误。
其实就是上面我们实现的二叉搜索树的查找。这里不在重复实现了。
3.2 KV模型:
每一个关键码Key,都有与子对应的Value,即<Key,Value>的键值对。
- 比如:英汉词典就是英文与中文的对应关系,通过英文可以快速找到对应中文,英文单词与其中文构成<world,chinese>就构成一种键值对;
- 比如:统计单词次数,统计成功后,给定单词可以快速找到其出现次数,单词与其出现次数<world,count>就构成一种键值对。
也很简单,其实就是让二叉搜索树中的节点多存一个值Value,查找、插入、删除等操作依旧是按照key去实现的。
改造二叉搜索树为KV结构模型:
template<class K,class V> struct BSTreeNode { BSTreeNode<K,V>* _left; BSTreeNode<K,V>* _right; K _key; V _value;//多存一个值value BSTreeNode(const K& key,const V& value) :_left(nullptr) , _right(nullptr) , _key(key) ,_value(value) {} }; template<class K,class V> class BSTree { typedef BSTreeNode<K,V> Node; public: bool Insert(const K& key,const V& value) { } void _InOrder(Node* root) { } void InOrder() { } bool Erase(const K& key) { } Node* Find(const K& key)//返回节点的指针,这里不再实现 { } private: Node* _root = nullptr; };
应用测试1:输入英文查找对应的中文
void TestBSTree() { BSTree<string, string> dict; dict.Insert("string", "字符串"); dict.Insert("tree", "树"); dict.Insert("int", "整型"); dict.Insert("search", "查找"); dict.Insert("insert", "插入"); string str; while (cin >> str) { BSTreeNode<string, string>* ret = dict.Find(str); if (ret == nullptr) { cout << "词库中无此单词" << endl; } cout << ret->_value << endl; } }
结果:
应用测试2:查找水果出现的次数
void TestBSTree() { string arr[] = { "苹果","香蕉","西瓜","西瓜","香梨","西瓜" ,"苹果" ,"西瓜" ,"西瓜" ,"香蕉" ,"苹果" }; BSTree<string, int> t; int i = 0; for (auto e : arr) { BSTreeNode<string, int>* ret = t.Find(e); //ret为空说明要查找的是第一次出现 if (ret == nullptr) { t.Insert(e, 1); } else { ret->_value++; } } t.InOrder(); }
结果:
4. 二叉搜索树的性能分析
插入、删除操作都必须先查找,所有查找效率代表了二叉搜索树中各个操作的性能。
- 最优情况下,二叉搜索树为完全二叉树(或者接近完全二叉树),其平均比较次数为:log2N(以2为底N的对数)。
- 最差情况下,二叉搜索树退化为单支树(或者类似单支),其平均比较次数为:N。