C++二叉搜索树学习

news2024/11/28 8:14:49

目录

一、二叉搜索树概念

二、二叉搜索树的性能分析

三、二叉搜索树的构建


一、二叉搜索树概念

二叉搜索树又叫做二叉排序树,它可以是一颗空树,或者是具有以下性质的二叉树:

  • 若该树的左子树不为空,那么左子树上的任一节点都小于等于根节点的值。
  • 若该树的右子树不为空,那么右子树上的任一节点都大于等于根节点的值。
  • 该树的左右子树也为二叉搜索树。
  • 二叉搜索树可以支持插入相等的值,也可以不支持插入相等的值。

如上图,为一个基本的二叉搜索树。本文将以不插入相等的值的二叉搜索树为例。

二、二叉搜索树的性能分析

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),其高度为(log2 N),例如上方的二叉搜索树。

最差情况下,二叉搜索树退化为单支树(或者类似单支),其高度为(N/2 ~ N),例如:

综上所述,二叉搜索树的增删查改的时间复杂度为:O(N)。

三、二叉搜索树的构建

1. 基本框架

template<class K>
struct BSNode
{
	BSNode(const K& key)
		:_key(key)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
	{}
	K _key;

	BSNode<K>* _left;
	BSNode<K>* _right;
};

template<class K>
class BSTree
{
public:
	using Node = BSNode<K>;
private:
	Node* _root = nullptr;
	int _num = 0;
};

我们以BSNode类,来构建二叉搜索树的每一个节点,这个节点有指向左右子树的指针_left和_right,并且每个节点都有一个值被_key所存储。

然后在BSTree类,是我们二叉搜索树的大框架,里面有着根节点_root,并且有着节点的数量_num。

2. 二叉搜索树的插入

bool _Insert(const K& key)
{
	Node* newnode = new Node(key);
	if (_root == nullptr)
	{
		_root = newnode;
		_num++;
		return true;
	}
	else
	{
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (key < cur->_key)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (key > cur->_key)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else
				return false;
		}
		if (key < parent->_key)
		{
			_num++;
			parent->_left = newnode;
		}
		if (key > parent->_key)
		{
			_num++;
			parent->_right = newnode;
		}
		return true;
	}
	return false;
}

二叉搜索树的插入还是比较简单的,首先,我们要以传入的key值创建一个newnode的节点,如果根节点为空,那么直接把newnode给根节点,然后返回即可。

因为二叉搜索树的特殊性,所有左子树节点的值小于根节点,所有右子树节点的值大于根节点。因此当我们插入一个值(cur)时,首先要对到达的节点的值比较,如果跟该节点的值相等,因为我们讨论的是不支持有重复的值,返回false即可。

如果key小于该节点的值,那么我们就向该节点的左子树走,反之向该节点的右子树走,cur走到空,说明此处就是我们要插入的地方。因为我们提前已经创建parent指针来记录cur的父亲,所以此时我们只需要比较key的值和parent的值,然后决定插入在parent的左子树还是右子树即可。

3. 二叉树的查找

bool Find(const K& key)
{
	assert(_root != nullptr);

	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			cur = cur->_right;
		}
		else if (cur->_key > key)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		else
		{
			return true;
		}
	}
	return false;
}

查找还是比较简单的,首先根节点不能为空,否则查找无意义。然后我们就和插入一样,从根节点开始,将我们要查找的key值与此时节点的值比较,key小就向节点的左子树走,key大就向节点的右子树走,若相等就返回true即找到了。如果cur都走到空了,那么就返回false即树中没有key值。

4. 二叉树的删除

二叉树的删除还是比较麻烦的,要分为以下四种情况:

  1. 该节点的左右子树均为空。
  2. 该节点的左子树为空,右子树不为空。
  3. 该节点的右子树为空,左子树不为空。
  4. 该节点的左右子树军不为空。
Node* cur = _root;
Node* parent = cur;
while (cur != nullptr && cur->_key != key)
{
	if (cur->_key < key)
	{
		parent = cur;
		cur = cur->_right;
	}
	else if (cur->_key > key)
	{
		parent = cur;
		cur = cur->_left;
	}	
}
//先找到要删除的cur节点,并记录该节点的父节点。

对于情况1,比较好处理,因为我们完全可以找到该节点,并记录该节点的父节点,然后直接删除该节点并且让父节点的对应指针指向空即可。

if (cur->_left == nullptr && cur->_right == nullptr)
{
	if (cur->_key < parent->_key)
		parent->_left = nullptr;
	else
		parent->_right = nullptr;
	delete cur;
	_num--;
	return true;
}

对于情况2,3我们可以同样地处理,以2为例。如果该节点的左子树为空,那么我们找到该节点后,并且记录了父节点,直接将父节点指向该节点的指针,指向该节点的右子树,然后直接删除该节点即可。情况3相同,只是注意左右子树不同。

else if(cur->_left == nullptr)
{
	Node* r_parent = cur;
	Node* r_root = cur->_right;
	while (r_root->_left)
	{
		r_parent = r_root;
		r_root = r_root->_left;
	}
	if (r_parent->_key > r_root->_key)
		r_parent->_left = r_root->_right;
	else if (r_parent->_key < r_root->_key)
		r_parent->_right = r_root->_right;
	cur->_key = r_root->_key;
	delete r_root;
	_num--;
	return true;
}
else if (cur->_right == nullptr)
{
	Node* l_parent = cur;
	Node* l_root = cur->_left;
	while (l_root->_right)
	{
		l_parent = l_root;
		l_root = l_root->_right;
	}
	if (l_parent->_key > l_root->_key)
		l_parent->_left = l_root->_left;
	else if (l_parent->_key < l_root->_key)
		l_parent->_right = l_root->_left;
	cur->_key = l_root->_key;
	delete l_root;
	_num--;
	return true;
}

对于情况4,我们不能直接删除该节点,因为该节点左右子树均不为空。我们此时就可以使用替换法。找到该节点(N)左子树的最大节点(L)或者右子树的最小节点(R)来替换该节点的值,因为这两个节点中的任意一个,放到N的位置,都不会破坏整个二叉搜索树的性质,然后我们删除交换后废弃的节点即可。例如:

我们要删除3这个节点,3的左子树根节点为1,右子树根节点为6,那么左子树最大的值为2,右子树最小的值为4,所以我们将2/4与3交换后不会改变整个二叉搜索树的性质。我们以交换4为例:

这样就实现了二叉搜索树的删除,也没有破坏本来的性质,注意如果4的右子树还有节点,那么交换后3的右子树就会有节点,那么我们只需要将6的左指针指向3的右子树即可。

else
{
	/*Node* parent = cur;
	Node* root = cur->_right;*/

	Node* r_parent = cur;
	Node* r_root = cur->_right;
	while (r_root->_left)
	{
		r_parent = r_root;
		r_root = r_root->_left;
	}
	if (r_parent->_key > r_root->_key)
		r_parent->_left = r_root->_right;
	else if (r_parent->_key < r_root->_key)
		r_parent->_right = r_root->_right;
	cur->_key = r_root->_key;
	delete r_root;
	_num--;
	return true;
}

注意,如果一开始根节点本来就为空,那么我们不需要删除,直接返回false即可,如果树只有一个节点,也就是_num为1,我们直接将_root给为nullptr即可:

if (cur == nullptr)
{
	return false;
}
if (_num == 1)
{
	_root = nullptr;
	_num = 0;
	return true;
}

整个删除的框架如下,最终只需将上述所以删除代码加入即可:

bool _Erase(const K& key)
{
    Node* cur = _root;
    Node* parent = cur;
    while (cur != nullptr && cur->_key != key)
    {
	    //查找要删除的节点位置,并且记录父节点
    }
    if (cur == nullptr)
    {
	    return false;//如果树为空或者没找到,直接返回false
    }
    if (_num == 1)
    {
	    //只有一个节点情况
    }
    if (cur->_left == nullptr && cur->_right == nullptr)
    {
	    //该节点左右子树均为空
    }
    else if(cur->_left == nullptr)
    {
	    //该节点左子树为空
    }
    else if (cur->_right == nullptr)
    {
	    //该节点右子树为空
    }
    else
    {
	    该节点左右子树均不为空
    }
	    return false;
}

以上内容如有错误,欢迎批评指正!!!

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