二叉搜索树(Binary Search Tree)

二叉搜索树(Binary Search Tree)

二叉搜索树也叫二叉查找树。其有以下特点:

根节点大于左叶子节点,小于右叶子节点。这一特性使得其中序遍历是有序的。因为有序性其搜索效率较高。

先定义一个节点,后面树的查找构建等操作基于该节点定义

static class Node {
    int val;
    Node left;
    Node right;
    Node parent;
    public Node(int val){
        this.val = val;
    }
}

查找

对于树中的任意节点X,X的左子树中的所有节点都小于X,X的右子树中的所有节点都大于X。这个有序性质使得我们可以通过比较大小来快速定位和查找节点。对于给定值,多次使用二分递归查找很快能查找定位到该值。

Node find(Node root, int val){
    if(root == null) return null;

    if(root.val > val){
        return find(root.left,val);
    }else if(root.val < val){
        return find(root.right,val);
    }

    return root;
}

上面代码只需要从根节点开始比较,然后二分递归查找即可。

插入

插入也是需要先定位到新节点要插入的位置,然后设置下对应的指针引用。

  1. 如果二叉搜索树为空,则新节点成为根节点,插入完成。

  2. 如果二叉搜索树不为空,则从根节点开始比较新节点的值与当前节点的值的大小关系。

    case1-新节点的值小于当前节点的值,将其插入到当前节点的左子树中。

    case2-新节点的值大于当前节点的值,将其插入到当前节点的右子树中。

  3. 递归地重复上述步骤,直到找到一个合适的位置将新节点插入。

        void insert(Node node){
            if(null == root){//树为空
                root = node;return;
            }
            doInsert(root,node);
        }
    void doInsert(Node root,Node node){
        if(root.val > node.val){
            if(root.left == null){
                root.left = node;
                node.parent = root;
            }else{
                doInsert(root.left,node);
            }
        }
    
        if(root.val < node.val){
            if(root.right == null){
                root.right = node;
                node.parent = root;
            }else{
                doInsert(root.right,node);
            }
        }
    }
    

删除

删除操作可能稍微复杂一定,要考虑几种情况

1.要删除的结点是叶子结点 O(1)

直接删除

2.要删除的结点只有一个子树(左或者右)O(1)

子节点替换当前节点,然后删除子节点

3.要删除的结点有两颗子树:找后继结点,而且后继结点的左子树一定为空。这里的后继节点是中序遍历有序的第一个后继节点。

将后继节点放到当前节点,然后后继节点原来位置移除

具体实现

void delete(int val){
    delete(root,val);
}

void delete(Node root,int val){
    Node node = find(root,val);
    if(null == node) return;

    if(node.left == null &&  node.right == null){
        Node p = node.parent;
        //父节点为null,当前p为根节点
        if(p == null){
            this.root = null;return;
        }
        if(p.left == node) p.left = null;
        if(p.right == node) p.right = null;
    }else if(node.left == null || node.right == null){
        Node p = node.parent;
        //父节点为null,当前p为根节点
        Node child = node.left == null ?node.right:node.left;
        if(p == null){
            this.root = child;return;
        }
        child.parent = p;
        if(p.left == node) p.left = child;;
        if(p.right == node) p.right = child;
    }else{//两个子节点
        /**
         * 找到后继节点(中序遍历第一个节点),将后继节点的值赋给当前节点,删除后继节点
         */
        Node successor = findMinNode(node.right);
        node.val = successor.val;
        delete(node.right,node.val);
    }
}

遍历

对于二叉搜索树,其中序遍历是有序的,其它遍历不考虑

中序遍历实现:

    void inorderPrint(Node root){
        if(root != null ){
            printNode(root);
            inorderPrint(root.left);
            inorderPrint(root.right);
        }
    }
void printNode(Node node){
    int left = node.left==null?0:node.left.val;
    int right = node.right==null?0:node.right.val;
    System.out.println(node.val+",left:"+left+",right:"+right);
}

上面指定二叉搜索树有很高的查找和插入效率,但是,如果二叉搜索树的插入和删除操作不平衡或者有序性被破坏,树的高度可能会增长,导致性能下降,甚至退化为链式结构。为了避免这种情况,可以使用平衡二叉搜索树(如红黑树、AVL树)来保持树的平衡性。这样可以保证搜索、插入和删除等操作的时间复杂度始终是O(log n)。下篇红黑树见。

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