Swift实现搜索二叉树(BST)
二叉搜索树（BST）
关于索索二叉树这里有详细的教程,下面我们主要针对二叉树的一些特点,来一步一步使用Swift来编写一个具有搜索二叉树功能的类,以及后面优化之后的枚举.
二叉搜索树是一种特殊的二叉树（每个节点最多有两个子节点的树），它执行插入和删除，以便始终对树进行排序。
有关树的更多信息，请首先阅读。
Demo地址
“总是有序的”
以下是有效二叉搜索树的示例：
==注意每个左子节点小于其父节点，每个右子节点大于其父节点。这是二叉搜索树的关键特性。==
例如，2小于7，所以它在左边; 5大于2，所以它在右边。
插入新节点
执行插入时，我们首先将新值与根节点进行比较。如果新值较小，我们采用左分支; 如果更大，我们采取右分支。我们沿着这条路向下走，直到找到一个空位，我们可以插入新值。
假设我们要插入新值9：
- 我们从树的根（具有值的节点7）开始，并将其与新值进行比较9。
- 9 > 7，所以我们沿着右边的分支向下重复相同的过程，但这次是在节点上10。
- 因为9 < 10，我们走左边的分支。
- 我们现在到了一个没有值可以比较的点。9在该位置插入新节点。
这是插入新值后的树9：
只有一个可能的位置可以在树中插入新元素。找到这个地方通常很快。它需要O（h）时间，其中h是树的高度。
注意：==节点的高度是从该节点到最低叶子所需的步骤数。整棵树的高度是从根到最低叶子的距离。二叉搜索树上的许多操作都以树的高度表示==。
通过遵循这个简单的规则 - 左边较小的值，右边较大的值 - 我们保持树的排序，所以每当我们查询它时，我们可以检查一个值是否在树中。
搜索树
要在树中查找值，我们执行与插入相同的步骤：
- 如果该值小于当前节点，则采用左分支。
- 如果该值大于当前节点，请采用右分支。
- 如果该值等于当前节点，我们就找到了它！
像大多数树操作一样，这是递归执行的，直到我们找到我们正在查找的内容或用完要查看的节点。
以下是搜索值5的示例：
使用树的结构搜索很快。它在O（h）时间内运行。如果你有一个拥有一百万个节点的均衡树，那么在这棵树中找到任何东西只需要大约20步。（这个想法非常类似于数组中的二进制搜索。）
遍历树
有时您需要查看所有节点而不是仅查看一个节点。
遍历二叉树有三种方法：
- 有序（或深度优先）：首先查看节点的左子节点，然后查看节点本身，最后查看其右子节点。
- 预购：首先看一个节点然后看它的左右儿童。
- 后序：首先查看左右子节点并最后处理节点本身。
遍历树也是递归发生的。
如果按顺序遍历二叉搜索树，它会查看所有节点，就好像它们从低到高排序一样。对于示例树，它将打印1, 2, 5, 7, 9, 10：
删除节点
删除节点很容易。删除节点后，我们将节点替换为==左侧最大子节点或右侧最小子节==点。这样，树在移除后仍然会被排序。在以下示例中，将删除10并替换为9（图2）或11（图3）。
请注意，==当节点至少有一个子节点时，需要进行替换。如果它没有子节点，您只需将其与其父节点断开连接==：
代码（解决方案1）
这个理论太多了。让我们看看如何在Swift中实现二叉搜索树。您可以采取不同的方法。首先，我将向您展示如何制作基于类的版本，但我们还将介绍如何使用枚举来实现同样的功能。
这是一个HLLBinarySearchTree类的示例：
public class HLLHLLBinarySearchTree {
/// 树的根节点的值
private(set) public var value: T
/// 父节点
private(set) public var parent: HLLHLLBinarySearchTree?
/// 左子树
private(set) public var left: HLLHLLBinarySearchTree?
/// 右子树
private(set) public var right: HLLHLLBinarySearchTree?
public init(value: T) {
self.value = value
}
public var isRoot: Bool{
return parent == nil
}
public var isLeaf: Bool {
return left == nil && right == nil
}
public var isLeftChild: Bool {
return parent?.left === self
}
public var isRightChild: Bool {
return parent?.right === self
}
public var hasLeftChild: Bool {
return left != nil
}
public var hasRightChild: Bool {
return right != nil
}
public var hasBothChildren: Bool {
return left != nil && right != nil
}
/// 树所包含元素的个数
public var count: Int {
return (left?.count ?? 0) + 1 + (right?.count ?? 0)
}
==此类仅描述单个节点而不是整个树==。它是泛型类型，因此节点可以存储任何类型的数据。它也有它的引用left和right子节点和parent节点。
以下是如何使用它：
let tree = HLLHLLBinarySearchTree < Int >（value：7）
该count属性确定此节点描述的子树中有多少个节点。这不仅仅计算节点的直接孩子，还计算他们的孩子和孩子的孩子，等等。如果此特定对象是根节点，则它计算整个树中有多少个节点。最初，count = 0。
注意：==因为left，right和parent是可选的，我们可以很好地利用Swift的可选链接（?）和零合并运算符（??）。你也可以写这种东西if let，但这不那么简洁。==
插入节点
树节点本身是无用的，所以这里是如何向树添加新节点：
/// 插入节点
/// 必须从根节点开始插入, 如果试图从子节点插入,则会破坏树的有序性,错误代码如下:
/*
** 1 不是树的根节点
if let node1 = tree.search(1) {
node1.insert(100)
}
*/
/// - Parameter value: 插入的新值
public func insert(value:T) {
if value < self.value {
if let left = left {
left.insert(value: value)
}else{
left = HLLHLLBinarySearchTree(value: value)
left?.parent = self
}
}else{
if let right = right {
right.insert(value: value)
}else{
right = HLLHLLBinarySearchTree(value: value)
right?.parent = self
}
}
}
像许多其他树操作一样，插入最容易实现递归。我们将新值与现有节点的值进行比较，并决定是将其添加到左侧分支还是右侧分支。
如果没有更多的左或右子进行查看，我们HLLBinarySearchTree为新节点创建一个对象，并通过设置其parent属性将其连接到树。
注意：==因为二叉搜索树的整个点是左边有较小的节点而右边有较大的节点，所以你应该总是在根处插入元素，以确保它仍然是一个有效的二叉树！==
要从示例构建完整的树，您可以执行以下操作：
let tree = HLLBinarySearchTree(value: 10)
tree.insert(value: 11)
tree.insert(value: 5)
tree.insert(value: 7)
注意：由于稍后会明确的原因，您应该以随机顺序插入数字。如果按排序顺序插入它们，则树的形状将不正确。
为方便起见，我们添加一个init方法来调用insert()数组中的所有元素：
public convenience init(array:[T]) {
precondition(array.count > 0)
self.init(value: array.first!)
for v in array.dropFirst() {
insert(value: v)
}
}
现在你可以简单地这样做：
let tree = HLLBinarySearchTree(array: [7,2,5,10,9,1])
数组中的第一个值成为树的根。
调试模式的输出
使用复杂的数据结构时，拥有人类可读的调试输出很有用。
extension HLLBinarySearchTree: CustomStringConvertible{
public var description: String {
var s = ""
if let left = left{
s += "(\(left.description)) <-"
}
s += "\(value)"
if let right = right {
s += "-> (\(right.description))"
}
return s
}
}
当你这样做时print(tree)，你应该得到这样的东西：
((1) <- 2 -> (5)) <- 7 -> ((9) <- 10)
根节点位于中间。有了一些想象力，您应该看到这确实对应于以下树：
您可能想知道插入重复项时会发生什么？我们总是在正确的分支中插入它们。试试看！
树的搜索
现在我们在树上有一些价值，我们该怎么办？当然，搜索它们！快速查找项目是二叉搜索树的主要目的。:-)
这是执行search()：
public func search(_ value: T) -> HLLBinarySearchTree? {
if value < self.value {
return left?.search(value)
}else if value > self.value{
return right?.search(value)
}else{
return self
}
}
我希望逻辑清楚：这从当前节点（通常是根节点）开始并比较值。如果搜索值小于节点的值，我们继续在左侧分支中搜索; 如果搜索值更大，我们会进入右分支。
如果没有更多的节点可以查看 - 当left或者right为nil时 - 那么我们返回nil以指示搜索值不在树中。
注意：==在Swift中，可以通过可选链接方便地完成; 当你left?.search(value)自动写它时，如果left是零，则返回nil。没有必要使用if语句明确检查这一点。==
搜索是一个递归过程，但您也可以使用简单的循环来实现它：
public func search(_ value: T) -> HLLBinarySearchTree? {
var node: HLLBinarySearchTree? = self
while let n = node {
if value < n.value {
node = n.left
} else if value > n.value {
node = n.right
} else {
return node
}
}
return nil
}
验证您是否理解这两个实现是等效的。就个人而言，我更喜欢使用迭代代码而不是递归代码，但您的意见可能会有所不同。;-)
以下是如何测试搜索：
tree.search(5)
tree.search(2)
tree.search(7)
tree.search(6) // nil
前三行返回相应的BinaryTreeNode对象。最后一行返回，nil因为没有带有值的节点6。
注意：如果树中存在重复项，则search()返回“最高”节点。这是有道理的，因为我们开始从根向下搜索。
树的遍历
还记得有三种不同的方法可以查看树中的所有节点吗？他们来了：
/// 中序遍历
///
/// - Parameter process: 遍历行为
public func traverseInOrder(process: (T) -> Void) {
left?.traverseInOrder(process: process)
process(value)
right?.traverseInOrder(process: process)
}
/// 前序遍历
///
/// - Parameter process: 遍历行为
public func traversePreOrder(process: (T) -> Void) {
process(value)
left?.traversePreOrder(process: process)
right?.traversePreOrder(process: process)
}
/// 后序遍历
///
/// - Parameter process: 遍历行为
public func traversePostOrder(process: (T) -> Void) {
left?.traversePostOrder(process: process)
right?.traversePostOrder(process: process)
process(value)
}
它们都以不同的顺序工作。请注意，所有工作都是递归完成的。
要打印出从低到高排序的树的所有值，您可以编写：
traverseInOrder { value in print（value）}
这打印出以下内容：
1
2
5
7
9
10
您还可以向树中添加map()和filter()之类似的内容。例如，这是map的实现：
public func map(formula: (T) -> T) -> [T] {
var res = [T]()
if let left = left {
res += left.map(formula: formula)
}
res.append(formula(value))
if let right = right {
res += right.map(formula: formula)
}
return res
}
这将调用formula树中每个节点上的闭包，并在数组中收集结果。map()通过按顺序遍历树来工作。
一个非常简单的如何使用的例子map()：
public func toArray（）- > [T] {
return map { $ 0 }
}
注意: ==使用return调用尾随闭包时,系统不会自动识别为随闭包,如果想使用尾随闭包,先不使用return, 写完闭包之后再把return加上==
这会将树的内容转换为已排序的数组。在操场上试一试：
tree.toArray（） // [ 1,2,5,7,9,10 ]
作为练习，看看你是否可以实现过滤和减少。
删除节点
我们可以通过定义一些辅助函数来使代码更具可读性。
private func reconnectParentTo(node: HLLBinarySearchTree?) {
if let parent = parent {
if isLeftChild {
parent.left = node
}else{
parent.right = node
}
}
node?.parent = parent
}
在更改树涉及到更改一堆parent和left和right指针。此功能有助于实现此功能。它接受当前节点的父节点 - 即self- 并将其连接到另一个节点，该节点将是其中一个子节点self。
我们还需要一个返回节点最小值和最大值的函数：
/// 树中的最小值
func minimum() -> HLLBinarySearchTree {
var node = self
while let next = node.left {
node = next
}
return node
}
/// 树中的最大值
func maximum() -> HLLBinarySearchTree {
var node = self
while let next = node.right {
node = next
}
return node
}
其余的代码是不言自明的：
/// 从根节点开始删除
///
/// - Returns: 删除根节点之后的树
@discardableResult public func remove() -> HLLBinarySearchTree? {
let replacement: HLLBinarySearchTree?
// Replacement for current node can be either biggest one on the left or
// smallest one on the right, whichever is not nil
if let right = right {
replacement = right.minimum()
} else if let left = left {
replacement = left.maximum()
} else {
replacement = nil
}
replacement?.remove()
// Place the replacement on current node's position
replacement?.right = right
replacement?.left = left
right?.parent = replacement
left?.parent = replacement
reconnectParentTo(node:replacement)
// The current node is no longer part of the tree, so clean it up.
parent = nil
left = nil
right = nil
return replacement
}
深度和高度
概念
- 对于整棵树来说，最深的叶结点的深度就是树的深度；树根的高度就是树的高度。这样树的高度和深度是相等的。
- 对于树中相同深度的每个结点来说，它们的高度不一定相同，这取决于每个结点下面的叶结点的深度。
回想一下节点的高度是到最低叶子的距离。我们可以用以下函数来计算：
/// 高度
///
/// - 从子节点(高度为1)到某个节点所经过的路径
public func height() -> Int {
if isLeaf {
return 0
}else {
return 1 + max(left?.height() ?? 0, right?.height() ?? 0)
}
}
我们看一下左右分支的高度并取最高分。同样，这是一个递归过程。由于这会查看此节点的所有子节点，因此性能为O（n）。
试试看：
tree.height（） // 2
您还可以计算节点的深度，即到根的距离。这是代码：
/// 深度
///
/// - 从根节点(深度为1)到某个给定的子节点的所经过的路径
public func depth() -> Int {
var node = self
var edges = 0
while let parent = node.parent {
node = parent
edges += 1
}
return edges
}
它按照parent指针向上逐步穿过树，直到我们到达根节点（其parent为零）。这需要O（h）时间。这是一个例子：
if let node9 = tree.search(9) {
node9.depth()
}
前驱和后继
二叉搜索树总是“排序”，但这并不意味着连续的数字实际上在树中彼此相邻。
请注意，7只需查看其左子节点，就无法找到之前的数字。左边的孩子2不是5。同样对于之后的数字7。
该predecessor()函数以排序顺序返回其值在当前值之前的节点：
public func predecessor() -> HLLBinarySearchTree? {
if let left = left {
return left.maximum()
}else{
var node = self
while let parent = node.parent {
if parent.value < value {
return parent
}
node = parent
}
return nil
}
}
如果我们有一个左子树很容易。在这种情况下，前一个前一个是该子树中的最大值。您可以在上面的图片中验证5确实7是左分支中的最大值。
如果没有左子树，那么我们必须查看父节点，直到找到一个较小的值。如果我们想知道前一个节点是什么9，我们会一直向上，直到找到第一个具有较小值的父节点，即7。
代码以successor()相同的方式工作但镜像：
public func successor() -> HLLBinarySearchTree? {
if let right = right {
return right.minimum()
}else{
var node = self
while let parent = node.parent {
if parent.value > value {
return parent
}
node = parent
}
return nil
}
}
这两种方法都在O（h）时间内运行。
注意：==有一种称为“线程”二叉树的变体，其中“未使用的”左右指针被重新用于在前任节点和后继节点之间建立直接链接。非常聪明！==
搜索树有效性判断
如果您打算进行破坏，可以通过调用insert()非根节点将二叉搜索树变为无效树。这是一个例子：
if let node1 = tree.search(1) {
node1.insert(100)
}
根节点的值是7，因此具有值的节点100必须位于树的右侧分支中。但是，您不是插入根，而是插入树左侧分支中的叶节点。所以新100节点在树中的错误位置！
结果，做tree.search(100)返回nil。
您可以使用以下方法检查树是否是有效的二叉搜索树：
public func isBinarySearchTree(minValue: T, maxValue: T) -> Bool {
if value < minValue || value > maxValue { return false }
let leftBST = left?.isBinarySearchTree(minValue: minValue, maxValue: value) ?? true
let rightBST = right?.isBinarySearchTree(minValue: value, maxValue: maxValue) ?? true
return leftBST && rightBST
}
这将验证左侧分支包含的值是否小于当前节点的值，右侧分支仅包含更大的值。
称其如下：
if let node1 = tree.search(1) {
tree.isBinarySearchTree(minValue: Int.min, maxValue: Int.max) // true
node1.insert(100) // EVIL!!!
tree.search(100) // nil
tree.isBinarySearchTree(minValue: Int.min, maxValue: Int.max) // false
}
使用枚举方式实现搜索二叉树
我们已将二叉树节点实现为类，但您也可以使用枚举。
区别在于引用语义与值语义。对基于类的树进行更改将更新内存中的相同实例，但基于枚举的树是不可变的 - 任何插入或删除都将为您提供树的全新副本。哪一个最好，完全取决于你想用它做什么。
以下是使用枚举创建二叉搜索树的方法：
public enum HLLBST {
case empty
case leaf(T)
indirect case node(HLLBST, T, HLLBST)
}
枚举有三种情况：
- Empty标记分支的结尾（基于类的版本使用nil了对此的引用）。
- Leaf 对于没有子节点的叶节点。
- Node对于具有一个或两个子节点的节点。这标记indirect为可以保存HLLBinarySearchTree值。没有indirect你不能做递归枚举。
注意：此二叉树中的节点没有对其父节点的引用。这不是一个主要障碍，但它会使某些操作实施起来更加麻烦。
这个实现是递归的，枚举的每个情况都将被区别对待。例如，这是您可以计算树中节点数和树高的方法：
/// 元素个数
public var count: Int {
switch self {
case .empty:
return 0
case .leaf:
return 1
case let .node(left, _, right):
return left.count + 1 + right.count
}
}
/// 树的高度
public var height: Int {
switch self {
case .empty:
return 0
case .leaf:
return 1
case let .node(left, _, right):
return 1 + max(left.height, right.height)
}
}
同样,和类一样我们可以自己实现树的最大值和最小值
/// 最大值
public var minimum: HLLBST? {
switch self {
case .empty:
return nil
case .leaf:
return self
case let .node(left, value, _):
//如果左子树为空,那么最大值就是当前根节点,如果左子树不为空,那么递归插糟
switch left {
case .empty:
return .leaf(value)
default:
return left.minimum
}
}
}
/// 最大值
public var maximum: HLLBST? {
switch self {
case .empty:
return nil
case .leaf:
return self
case let .node(_, value, right):
//如果右子树为空,那么最大值就是当前根节点,如果右子树不为空,那么递归插糟
switch right {
case .empty:
return .leaf(value)
default:
return right.maximum
}
}
}
插入新节点如下所示：
/// 插入
public func insert(newValue: T) -> HLLBST {
switch self {
case .empty:
return .leaf(newValue)
case .leaf(let value):
if newValue < value {
return .node(.leaf(newValue), value, .empty)
}else{
return .node(.empty, value, .leaf(newValue))
}
case let .node(left, value, right):
if newValue < value {
return .node(left.insert(newValue: newValue), value, right)
}else{
return .node(left, value, right.insert(newValue: newValue))
}
}
}
使用方式如下：
var tree = HLLBST.Leaf(7)
tree = tree.insert(2)
tree = tree.insert(5)
tree = tree.insert(10)
tree = tree.insert(9)
tree = tree.insert(1)
请注意，对于每次插入，都会返回一个新的树对象，因此需要将结果返回给tree变量。
这是最重要的搜索功能：
/// 查找
public func search(value:T) -> HLLBST? {
switch self {
case .empty:
return nil
case .leaf(let x):
return value == x ? self : nil
case let .node(left, x, right):
if value < x {
return left.search(value: value)
} else if value > x {
return right.search(value: value)
}else{
return self
}
}
}
大多数这些功能具有相同的结构。
示例代码如下：
tree.search(10)
tree.search(1)
tree.search(11) // nil
要打印树以进行调试，可以使用以下方法：
extension HLLBST: CustomDebugStringConvertible {
public var debugDescription: String {
switch self {
case .empty:
return "."
case .leaf(let value):
return "\(value)"
case let .node(left, value, right):
return "(\(left.debugDescription))" + "->" + "\(value)" + "<-" + "(\(right.debugDescription))"
}
}
}
当你这样做时print(tree)，它将如下所示：
((1 <- 2 -> 5) <- 7 -> (9 <- 10 -> .))
根节点位于中间，点表示该位置没有子节点。
当树变得不平衡时如何处理?
当二进制搜索树的左右子树包含相同数量的节点时，它是平衡的。在这种情况下，树的高度是log（n），其中n是节点数。这是理想的情况。
如果一个分支明显长于另一个分支，则搜索变得非常慢。我们最终检查的价值超出了我们的需要。在最坏的情况下，树的高度可以变为n。这样的树就像链接列表而不是二叉搜索树，性能降低到O（n）。不好！
使二进制搜索树平衡的一种方法是以完全随机的顺序插入节点。平均而言，应该很好地平衡树木，但不保证，也不总是实用。
另一种解决方案是使用自平衡二叉树。插入或删除节点后，此类型的数据结构会调整树以使其保持平衡。要查看示例，请检查AVL树和红黑树。
本文参考自 Swift算法与结构