⼆叉搜索树详解

news2025/5/21 5:41:32

在这里插入图片描述1. ⼆叉搜索树的概念
⼆叉搜索树⼜称⼆叉排序树,它或者是⼀棵空树,或者是具有以下性质的⼆叉树:
• 若它的左⼦树不为空,则左⼦树上所有结点的值都⼩于等于根结点的值
• 若它的右⼦树不为空,则右⼦树上所有结点的值都⼤于等于根结点的值
• 它的左右⼦树也分别为⼆叉搜索树
• ⼆叉搜索树中可以⽀持插⼊相等的值,也可以不⽀持插⼊相等的值,具体看使⽤场景定义,后续我们学习map/set/multimap/multiset系列容器底层就是⼆叉搜索树,其中map/set不⽀持插⼊相等值,multimap/multiset⽀持插⼊相等值
称为二叉排序树的原因:这颗树是严格遵守左边小右边大的方式.当我们去按中序遍历去走一边,它就会排好升序,所以叫二叉排序树。
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2. 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
所以综合⽽⾔⼆叉搜索树增删查改时间复杂度为: O(N)
那么这样的效率显然是⽆法满⾜我们需求的,我们后续课程需要继续讲解⼆叉搜索树的变形,平衡⼆叉搜索树AVL树和红⿊树,才能适⽤于我们在内存中存储和搜索数据。
另外需要说明的是,⼆分查找也可以实现 O(log2 N) 级别的查找效率,但是⼆分查找有两⼤缺陷:
3. 需要存储在⽀持下标随机访问的结构中,并且有序。
4. 插⼊和删除数据效率很低,因为存储在下标随机访问的结构中,插⼊和删除数据⼀般需要挪动数据。
这⾥也就体现出了平衡⼆叉搜索树的价值。
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3.二叉搜索树相关功能实现
初始化,insert(插入),Find(查找),Erase(删除),析构,打印(中序遍历),构造(深拷贝)

初始化

template<class K>
struct BSTreeNode
{
	//二叉搜索树节点
	BSTreeNode * left;
	BSTreeNode* right;
	K _key;

	//构造函数
	BSTreeNode(const K& key)
		:left(nullptr)
		, right(nullptr)
		, _key(key)
	{}
};

template<class K>
class BSTree
{
	typedef BSTreeNode<K> Node;

public:

private:
Node* _root=nullptr;

insert(插入)
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//不带重复的搜索二叉树
//插入
bool Insert(const K& key)
{
	//如果为第一个节点,直接创建新节点赋予_root
	if (_root == nullptr)
	{
		_root = new Node(key);
		return true;
	}
	//记录父亲节点便于插入新节点链接
	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	//采用二叉搜索树特性找到插入位置
	while (cur)
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->right;
		}
		else if(cur->_key > key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->left;
		}
		else
		{
			//已存在这种值到达此处
			return false;
		}
	}
	//到达这一层cur所在位置即为插入点
	//创建出节点+真确链接(判断出为parent左边还是右边)
	cur = new Node(key);
	if (parent->_key < key)
	{
		parent->right = cur;
	}
	else
	{
		parent->left = cur;
	}

	return true;

}

其中while那部分代码为核心,利用二叉搜索树左边小·右边大特性找到插入节点位置。

Find(查找)
关键代码(while利用二叉搜索树特性寻找)

bool Find(const K& key)
{
	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->right;
		}
		else if (cur->_key > key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->left;
		}
		else
		{
			//已存在这种值到达此处
			return true;
		}
	}
	return false;
}

Erase(删除)
⾸先查找元素是否在⼆叉搜索树中,如果不存在,则返回false。
如果查找元素存在则分以下四种情况分别处理:(假设要删除的结点为N)

  1. 要删除结点N左右孩⼦均为空
  2. 要删除的结点N左孩⼦位空,右孩⼦结点不为空
  3. 要删除的结点N右孩⼦位空,左孩⼦结点不为空
  4. 要删除的结点N左右孩⼦结点均不为空

对应以上四种情况的解决⽅案:

  1. 把N结点的⽗亲对应孩⼦指针指向空,直接删除N结点(情况1可以当成2或者3处理,效果是⼀样的
  2. 把N结点的⽗亲对应孩⼦指针指向N的右孩⼦(左孩子为空),直接删除N结点
  3. 把N结点的⽗亲对应孩⼦指针指向N的左孩⼦(右孩子为空),直接删除N结点
  4. ⽆法直接删除N结点,因为N的两个孩⼦⽆处安放,只能⽤替换法删除。找N左⼦树的值最⼤结点R(最右结点)或者N右⼦树的值最⼩结点R(最左结点)替代N,因为这两个结点中任意⼀个,放到N的位置,都满⾜⼆叉搜索树的规则。替代N的意思就是N和R的两个结点的值交换,转⽽变成删除R结点,R结点符合情况2或情况3,可以直接删除。
    采用替换法,然后删除情况会变成1,2,3进行操作
    细节:删除节点要判断为,parent的左,还是parent的右。经过分析为parent左为一般情况,parent的右删除节点为根节点。
bool Erase(const K& key)
{
	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->right;
		}
		else if (cur->_key > key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->left;
		}
		else
		{
			//已存在这种值到达此处,准备删除
			//孩子左为空
			if (cur->left == nullptr)
			{
				if (cur == _root)
				{
					_root = cur->right;
				}
				else
				{
					if (cur == parent->left)
					{
						parent->left = cur->right;
					}
					else
					{
						parent->right = cur->right;
					}
				}

				delete cur;
				
			}
			//孩子右为空
			else if(cur->right==nullptr)
			{
				if (cur == _root)
				{
					_root = cur->left;
				}
				else
				{
					if (cur == parent->left)
					{
						parent->left = cur->left;
					}
					else
					{
						parent->right = cur->left;
					}
				}

				delete cur;
			}
			else//到达这里为左右孩子都存在
			{
				//替换法
				Node* pMinright = cur;
				Node* minRight = cur->right;
				while (minRight->left)
				{
					pMinright = minRight;
					minRight = minRight->left;
				}
				swap(cur->_key, minRight->_key);
				//删除节点要判断为,parent的左,还是parent的右
				if (pMinright->left == minRight)
				{
					pMinright->left = minRight->right;
				}
				else
				{
					pMinright->right = minRight->right;
				}
				delete minRight;
			}
			return true;
		}
	}
	return false;
}

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打印(中序遍历),构造(深拷贝),析构
1.分析知道,递归遍历需要传入根节点参数,如果由使用者传入根节点是不方便的,因为_root为private不便于访问,解决方案1.成员函数GetRoot()将遍历包裹一层,具体实现看代码
2.深拷贝利用前序遍历一个个取值构造
3.析构利用后序遍历

public:
	//默认构造函数
	//方法一
	/*BSTree()
	{

	}*/
	//方法二 强制生成
	BSTree() = default;

	//拷贝构造
	BSTree(const BSTree<K>& t)
	{
		//这种写法肯定存在问题这是一种浅拷贝,通过析构来观察
		//_root = t._root;

		//完成深拷贝就要利用t给*this构造
		_root = Copy(t._root);

	}
	//赋值运算符重载
	BSTree<K>& operator=(const BSTree<K> t)
	{
		swap(_root, t._root);
		return *this;
	}
void InOrder()
{
	_InOrder(_root);
	cout << endl;
}

~BSTree()
{
	Destory(_root);
}
private:
	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}
		_InOrder(root->left);
		cout << root->_key << " ";
		_InOrder(root->right);
	}

	Node* Copy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return nullptr;

		Node* copy = new Node(root->_key);
		copy->left = Copy(root->left);
		copy->right = Copy(root->right);

		return copy;
	}

	void Destory(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}

		Destory(root->left);
		Destory(root->right);
		delete root;
	}

二叉搜索树的key/key-value的实现场景
1 key搜索场景:
只有key作为关键码,结构中只需要存储key即可,关键码即为需要搜索到的值,搜索场景只需要判断key在不在。key的搜索场景实现的⼆叉树搜索树⽀持增删查,但是不⽀持修改,修改key破坏搜索树结构了。
场景1:⼩区⽆⼈值守⻋库,⼩区⻋库买了⻋位的业主⻋才能进⼩区,那么物业会把买了⻋位的业主的⻋牌号录⼊后台系统,⻋辆进⼊时扫描⻋牌在不在系统中,在则抬杆,不在则提⽰⾮本⼩区⻋辆,⽆法进⼊。
场景2:检查⼀篇英⽂⽂章单词拼写是否正确,将词库中所有单词放⼊⼆叉搜索树,读取⽂章中的单词,查找是否在⼆叉搜索树中,不在则波浪线标红提⽰。

2.key/value搜索场景:
每⼀个关键码key,都有与之对应的值value,value可以任意类型对象。树的结构中(结点)除了需要存储key还要存储对应的value,增/删/查还是以key为关键字⾛⼆叉搜索树的规则进⾏⽐较,可以快速查找到key对应的value。key/value的搜索场景实现的⼆叉树搜索树⽀持修改,但是不⽀持修改key,修改key破坏搜索树性质了,可以修改value。
场景1:简单中英互译字典,树的结构中(结点)存储key(英⽂)和vlaue(中⽂),搜索时输⼊英⽂,则同时查找到了英⽂对应的中⽂。
场景2:商场⽆⼈值守⻋库,⼊⼝进场时扫描⻋牌,记录⻋牌和⼊场时间,出⼝离场时,扫描⻋牌,查找⼊场时间,⽤当前时间-⼊场时间计算出停⻋时⻓,计算出停⻋费⽤,缴费后抬杆,⻋辆离场。
场景3:统计⼀篇⽂章中单词出现的次数,读取⼀个单词,查找单词是否存在,不存在这个说明第⼀次出现,(单词,1),单词存在,则++单词对应的次数。

代码实现

namespace key_value
{
	template<class K, class V>
	struct BSTreeNode
	{
		BSTreeNode<K, V>* _left;
		BSTreeNode<K, V>* _right;

		K _key;   // 中文
		V _value; // 英文

		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:
		// 强制生成
		BSTree() = default;

		// BSTree(const BSTree& t)
		BSTree(const BSTree<K, V>& t)
		{
			_root = Copy(t._root);
		}

		// t1 = t3
		// BSTree& operator=(BSTree t)
		BSTree<K, V>& operator=(BSTree<K, V> t)
		{
			swap(_root, t._root);

			return *this;
		}

		~BSTree()
		{
			Destory(_root);
			_root = nullptr;
		}

		bool Insert(const K& key, const V& value)
		{
			if (_root == nullptr)
			{
				_root = new Node(key, value);
				return true;
			}

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

			cur = new Node(key, value);

			if (parent->_key < key)
			{
				parent->_right = cur;
			}
			else
			{
				parent->_left = cur;
			}

			return true;
		}

		Node* Find(const K& key)
		{
			Node* cur = _root;
			while (cur)
			{
				if (cur->_key < key)
				{

					cur = cur->_right;
				}
				else if (cur->_key > key)
				{
					cur = cur->_left;
				}
				else
				{
					return cur;
				}
			}

			return nullptr;
		}

		bool Erase(const K& key)
		{
			Node* parent = nullptr;
			Node* cur = _root;
			while (cur)
			{
				if (cur->_key < key)
				{
					parent = cur;
					cur = cur->_right;
				}
				else if (cur->_key > key)
				{
					parent = cur;
					cur = cur->_left;
				}
				else
				{
					// 准备删除
					if (cur->_left == nullptr)
					{
						//if (parent == nullptr)
						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)
					{
						if (cur == _root)
						{
							_root = cur->_left;
						}
						else
						{
							if (cur == parent->_left)
							{
								parent->_left = cur->_left;
							}
							else
							{
								parent->_right = cur->_left;
							}
						}

						delete cur;
					}
					else // 两个孩子
					{
						Node* pMinRight = cur;
						Node* minRight = cur->_right;
						while (minRight->_left)
						{
							pMinRight = minRight;
							minRight = minRight->_left;
						}

						swap(cur->_key, minRight->_key);
						if (pMinRight->_left == minRight)
						{
							pMinRight->_left = minRight->_right;
						}
						else
						{
							pMinRight->_right = minRight->_right;
						}

						delete minRight;
					}

					return true;
				}
			}

			return false;
		}

		void InOrder()
		{
			_InOrder(_root);
			cout << endl;
		}
	private:
		void _InOrder(Node* root)
		{
			if (root == nullptr)
			{
				return;
			}

			_InOrder(root->_left);
			cout << root->_key << ":" << root->_value << endl;
			_InOrder(root->_right);
		}

		void Destory(Node* root)
		{
			if (root == nullptr)
			{
				return;
			}

			Destory(root->_left);
			Destory(root->_right);
			delete root;
		}

		Node* Copy(Node* root)
		{
			if (root == nullptr)
				return nullptr;

			Node* copy = new Node(root->_key, root->_value);
			copy->_left = Copy(root->_left);
			copy->_right = Copy(root->_right);

			return copy;
		}

	private:
		Node* _root = nullptr;
	};
}

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