【数据结构-陪读笔记】第六章:查找

一、线性查找

1.顺序查找

原理: 注意第一个位置上有值;从后面往前面找。
哨兵问题: 避免每次查找位置是否越界。
ASL: n - i + 1求和。

int Search(int a[] , int n , int key){	//	n代表数据长度// 
	int i = n;
	a[0] = key;
	while(a[i] != key){
		i --;
	}
	return i;
} 

 

2.折半查找

原理: 注意判定树问题。
ASL:
成功:所有圆的就是成功的,所以计算每层圆的个数 * 层数 / 圆的个数
失败:所有方的就是失败的,方的层数 * 层的方的个数 / 方的个数

int Binary_Search(SqList L, ElemType key , int n){
	int low = 0 , high = n - 1 , mid;	//	从0开始 
	while(low <= high){
		mid = (low + high) / 2;	//	向下取整 
		if(L.elem[mid] == key){	//	正好查到 
			return mid;
		}
		else if(L.elem[mid] > key){	//	比它大,右缩小范围 
			high = mid - 1;
		}
		else{
			low = mid + 1;	//	比它小, 左缩小范围 
		}
	}
	return -1;
} 

3.平衡二叉树

Q:什么是平衡二叉树?
平衡二叉树的左子树-右子树的深度不超过1。

struct node{
	int data , height;
	node* lchild , rchild;
}

//求出结点的高度
int get_Height(node* root){
	if(root == NULL)	return 0;
	else root->height;	
}

//计算平衡因子
int get_BalanceFactor(node* root){
	return get_Height(root->lchild) - get_Height(root->rchild);
}

Q:为什么平衡二叉树的ASL与logn为同样的数量级?
根据前面树的四个公式已知(公式链接),n个结点的二叉树的深度为logn向下取整+1,在树中查找一个数据,最多不会超过树的深度吧,所以平均查找长度也就和logn为同样的一个数量级。

Q:如何构建平衡二叉树?
【数据结构-陪读笔记】第六章:查找_第1张图片
如果是那种RL的那种,记得从下往上依次更新即可。

//Right Rotation
void Right_Rotation(node* &root){
	node * temp = root->lchild; // temp当前指向的是B,root是A
	root->lchild = temp->rchild; // 让B结点的右孩子成为A结点的左孩子
	temp->rchild = root; //	让A结点成为B结点的右孩子
	update_Height(root);	//分别更新AB结点的高度
	update_Height(temp);
	root = temp;	//根节点变化
}

//更新高度函数,其左右孩子的高度的最大值+1
void update_Height(node* root){
	root->height = max(get_Height(root->lchild) , get_Height(root->rchild) + 1);
}

4.B 树

文件系统搜索常用的一种数据结构。

特性
  1. 每个结点最多有m棵子树。
  2. 根节点如果是非叶子结点,则至少有2棵子树。(一分为二嘛)
  3. 除了根节点之外的任何的结点至少有向上取整【m/2】棵子树。
查找分析

B树的查找方式类似二叉排序树,关键字可以理解为就是一种分割点。

  1. 查找结点。
  2. 查找结点上的关键字。

对于第二种查找方式,关键问题还是结点的深度。第一层有1个结点,第二层按照定义有2个结点;再往下,由于非叶子结点的子树的个数是 ⌈m/2⌉ ,所以下一层的结点的个数是 2 ∗ ( ⌈ m / 2 ⌉ ) 2*( ⌈m/2⌉) 2(m/2);再往下,结点数需要再乘 ⌈m/2⌉,得到 2 ∗ ( ⌈ m / 2 ⌉ ) 2 2*( ⌈m/2⌉)^{2} 2(m/2)2次,所以按照这个规律往下递推,第l层有 2 ∗ ( ⌈ m / 2 ⌉ ) l − 2 2*( ⌈m/2⌉)^{l-2} 2(m/2)l2次,第l+1层为叶子结点,有 2 ∗ ( ⌈ m / 2 ⌉ ) l − 1 2*( ⌈m/2⌉)^{l-1} 2(m/2)l1次。
当前B树有 N N N个关键字,如果查找不成功,则结点个数为 N + 1 N+1 N+1个,(我的理解是,当前的关键字的个数和结点个数的值是一致的。)这个数值肯定比当前结点数值要小嘛,所以可以得到
N + 1 ≤ 2 ∗ ⌈ m / 2 ⌉ l − 1 N+1\leq{2*\lceil m/2 \rceil}^{l-1} N+12m/2l1
推导可以得到一个关于 l l l的公式,即
l ≤ l o g ⌈ m / 2 ⌉ ( N + 1 2 ) + 1 l\leq log_{\lceil m/2 \rceil}(\frac{N+1}{2})+1 llogm/2(2N+1)+1

插入分析

Q1:何时产生分裂?为什么说该结点关键字个数不超过 m − 1 m-1 m1时不需要分裂?
根据树的定义,树的每个结点不能有超过m棵子树,m棵子树对应的根会有 m − 1 m-1 m1个关键字。(可以想想5个手指算上左右的空隙会有6个空隙。)
Q2:怎么插?

  1. 0 0 0 ⌈ m / 2 ⌉ − 1 \lceil m/2 \rceil-1 m/21这部分成为左子树; ⌈ m / 2 ⌉ \lceil m/2\rceil m/2往上回到根节点上,其余放到右节点上;如果是根节点就让中间的结点不动,其余的结点往下放即可。
  2. 先根据树找到结点先插进去,随后再对树进行调整。
删除分析

删除的本质其实在于:如何在维持B树的定义的情况下删除一个关键字。
如果删除的是非终端叶子结点,将该结点子树的最小的叶子结点进行交换即可。所以书上写着有三种情况。
根据树的定义:除根以外的所有的结点都是 ⌈ m / 2 ⌉ \lceil m/2 \rceil m/2当差了一个1,正好可以维持。所以当缺少了一个数值的时候,可以从左右借。

  1. 能删则删: 若删除结点关键字个数不小于 ⌈ m / 2 ⌉ \lceil m/2 \rceil m/2,则直接删除。
  2. 能借则借: 若删除结点A的关键字数目等于 ⌈ m / 2 ⌉ − 1 \lceil m/2 \rceil-1 m/21,且兄弟结点 B B B关键字数目大于 ⌈ m / 2 ⌉ − 1 \lceil m/2 \rceil-1 m/21,设其双亲结点为 C C C,则从 C C C中下放 A A A一个数据,从 B B B中上交一个数据补充给 C C C
  3. 不能合并: 若AB关键字数目都等于 ⌈ m / 2 ⌉ − 1 \lceil m/2 \rceil-1 m/21,则直接从C下放一个数据给A,然后AB合并。如果导致父结点数据不够了,则依次往上进行调整。

5.B+ 树

B+树的数据都存在在叶子结点上,然后用一个链表把所有的叶子结点都串了起来。当数据存储的离根节点很近的时候,B树效果比B+树效果要好,B+数据都存在叶子结点上。

二、计算查找–Hash表

查找分为两种,一种是上面介绍的通过比较的查找,而另一种则是根据计算直接得出。关键字 k e y key key 和其对应的hash函数的 h a s h ( k e y ) hash(key) hash(key)合成一个表,成为hash表或者散列表。
hash表非常容易算错,一定要仔细仔细再仔细,算的是余数不是商

构造方法
  1. 直接定值法:利用线性函数直接定义,但是发现其实本身并没有起到压缩的作用。
  2. 数字分析法:选取比较随机的几位进行叠加舍去进位作为hash地址。
  3. 平方取中法:关键字平方后利用中间的几位数字作为hash地址。
  4. 折叠法:关键字拆分成几个部分叠加和再合并。
  5. 随机数:random函数。
  6. 除留取余法:p选取质数(假设选取合数,余数必然都会是0,没什么意义了)或者不包含小于20的质因数的合数。 H a s h ( k e y ) = k e y % p , p < = M Hash(key)=key \%p, p<= M Hash(key)=key%p,p<=M
处理冲突
  1. 开放地址法:m代表hash表长,d有3种情况(1)线性探测再散列(线性。当发现起了冲突的时候+1,如果再起冲冲突再+1,相当于出了冲突之后不停的往后一个一个查找)(2)二次探测再散列: + 1 2 , − 1 2 , + 2 2 , − 2 2 . . . m / 2 2 +1^2,-1^2,+2^2,-2^2...{m/2}^2 +12,12,+22,22...m/22(3)伪随机数列。
  2. 再Hash:再给一个Hash函数再计算一次。
  3. 链地址:类似邻接表。
  4. 设置公共溢出区:但凡发生了冲突的,都写到公共溢出区。
性能分析

从上面可以看到hash函数的问题主要是出现在hash函数的设计,处理冲突的方法,以及当前hash函数已经存储的状态。所以同样hash查找也可以利用ASL进行分析。

  • 关于状态因子的问题: α = 表 中 填 入 的 记 录 数 h a s h 表 长 \alpha=\frac{表中填入的记录数}{hash表长} α=hash
    装填因子本身可以理解为当前hash表的存储的利用率。如果本身 α \alpha α小,代表表中本身没有什么东西,所以发生冲突的可能性就小;反之大。

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