二叉查找樹的解讀和實現

時間  2019-11-09
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二叉查找樹是將一組無序的數據構建成一顆有序數據的樹，其設計思想與二分法相似。很好的提升了海量數據查找效率，使得由從頭遍歷到尾的方式轉爲二分查找的方式，時間複雜度從O(n)下降爲O(log(n))。java

概念

  1. 結點：樹上的每一個元素。
  2. 根結點：沒有父結點的結點。
  3. 父結點：結點的上一級結點。
  4. 子結點：結點的下一級結點。
  5. 葉子結點：沒有子結點的結點。
  6. 兄弟結點：擁有同一父結點的相鄰結點。
  7. 結點的度：一個結點中擁有子結點的個數。
  8. 樹的度：樹上最大結點的度。
  9. 結點的層次：以根結點爲1，每深刻一個子結點層次加1。
  10. 樹的高度：樹中最大的結點的層次。

特性

  1. 左子樹全部的結點值均小於，等於根結點值或爲空。
  2. 左子樹全部的結點值均大於，等於根結點值或爲空。
  3. 左、右子樹也分別爲二叉排序樹。
  4. 沒有鍵值相等的結點。

構建

構建二叉查找樹，主要把握幾條原則，小於當前結點的在左邊，大於的在右邊，相等的不予處理。可是狀況下結合實際業務需求，也可在相等時放在左結點或右結點，可是必須統一規則，不能左右都存在相等的。 建立結點對象：node

package com.ytao.bst;

/** * Created by YANGTAO on 2019/11/3 0003. */
public class Node {

    private Integer value;

    private Node leftChildren;

    private Node rightChildren;

    public Integer getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(Integer value) {
        this.value = value;
    }

    public Node getLeftChildren() {
        return leftChildren;
    }

    public void setLeftChildren(Node leftChildren) {
        this.leftChildren = leftChildren;
    }

    public Node getRightChildren() {
        return rightChildren;
    }

    public void setRightChildren(Node rightChildren) {
        this.rightChildren = rightChildren;
    }

    public Node(Integer value) {
        this.value = value;
    }
}

複製代碼

建立樹的實現：bash

package com.ytao.bst;

/** * Created by YANGTAO on 2019/11/3 0003. */
public class BuildBST {

    private Node rootNode = null;

    public Node build(int[] vals){
        // 遍歷全部數據，每次都需從根結點開始尋找左或右子節點爲空的位置添加
        for (int val : vals) {
            this.assemble(rootNode, val);
        }

        return rootNode;
    }

    private void assemble(Node node, int val){
        // 建立根結點
        if (node == null){
            rootNode = new Node(val);
        }else{
            // 根據左小右大特性判斷
            if (val < node.getValue()){
                Node leftNode = node.getLeftChildren();
                // 若是左子結點爲空，就添加爲當前結點的左結點，不然繼續遞歸下去
                if (leftNode == null){
                    node.setLeftChildren(new Node(val));
                }else{
                    this.assemble(node.getLeftChildren(), val);
                }
            }else{
                Node rightNode = node.getRightChildren();
                // 若是右子結點爲空，就添加爲當前結點的右結點，不然繼續遞歸下去
                if (rightNode == null){
                    node.setRightChildren(new Node(val));
                }else{
                    this.assemble(rightNode, val);
                }
            }

        }

    }

}
複製代碼

使用[7,5,9,2,11,6]測試是否知足咱們建立樹的要求：測試

public static void main(String[] args) {
    int[] vals = {7,5,9,2,11,6};
    Node node = new BuildBST().build(vals);
    System.out.println(new Gson().toJson(node));
}
複製代碼

測試結果知足咱們要求優化

{
    "value": 7,
    "leftChildren": {
        "value": 5,
        "leftChildren": {
            "value": 2
        },
        "rightChildren": {
            "value": 6
        }
    },
    "rightChildren": {
        "value": 9,
        "rightChildren": {
            "value": 11
        }
    }
}
複製代碼

查找

假設從一百萬個數字中獲取值爲88的數據，若是咱們使用遍歷的方式，最糟的狀況就是排在第一百萬個位置的時候，須要咱們遍歷一百萬次才能獲取到數據，這就是咱們最不想遇到的狀況。這時將一百萬個數據構建成二叉查找樹，咱們就可經過樹快速找到咱們想要的數據。 因爲設定一百萬個數據比較多，這裏咱們舉例當前擁有數據[7,5,9,2,11,6],咱們要找出其中的6。 使用循環遍歷全部數據的方法，咱們須要6次遍歷 7->5->9->2->11->6。 使用二叉查找樹查找時，首先構建好的二叉查找樹的結構如圖：ui

構建二叉查找樹

從根結點開始查找；this

查找根結點

獲取根結點7，不等於6，且6<7，因此繼續找左子結點；spa

查找子結點

獲取到結點5，不等於6，且6>5，因此繼續找右子節點；設計

查找子結點

最終獲取到結點6，知足咱們須要的條件。所遍歷的數據爲 7->5->6。 代碼實現查找：code

package com.ytao.bst;

/** * Created by YANGTAO on 2019/11/3 0003. */
public class SearchBST {

    public Node search(Node node, int val){
        // 若是結點爲空，說明是沒有了符合的結點
        if (node == null)
            return null;

        int nodeVal = node.getValue();

        // 若是結點上的鍵值相等，就是咱們須要找的結點
        if (val == nodeVal){
            return node;
        }else if (val < nodeVal){ // 若是小於結點的值，那麼必定在結點的左子樹中
            return this.search(node.getLeftChildren(), val);
        }else{
            return this.search(node.getRightChildren(), val);
        }

    }


}

複製代碼

插入

二叉查找樹的插入規則，必須是要插入後的結點是做爲葉子結點。如今向上面的樹中插入10，根據上面所分析到的規則，爲確保二叉查找樹的完整性，最終的插入流程爲7->9->11->10：

插入10的結點

代碼實現：

package com.ytao.bst;

/** * Created by YANGTAO on 2019/11/3 0003. */
public class InsertBST {

    public void inesrt(Node node, int newVal){
        // 當結點爲空是，說明是做爲根結點
        if (node == null){
            node = new Node(newVal);
        }

        int nodeVal = node.getValue();

        // 若是小於結點的值，插入到左子樹中，大於就插入右子樹中
        if (newVal < nodeVal){
            Node leftNode = node.getLeftChildren();
            // 爲空時，說明爲葉子結點，可插入
            if (leftNode == null){
                node.setLeftChildren(new Node(newVal));
            }else {
                this.inesrt(leftNode, newVal);
            }
        }else if (newVal > nodeVal){
            Node  rightNode = node.getRightChildren();
            if (rightNode == null){
                node.setRightChildren(new Node(newVal));
            }else {
                this.inesrt(rightNode, newVal);
            }
        }else {
            // todo 相等時，可根據具體業務處理，放棄，或在左右樹中選擇一個
        }

    }

}

複製代碼

刪除

刪除結點分爲多種狀況，其中主要分析的：

葉子結點

刪除葉子結點，將所要刪除的葉子結點直接刪除即可，好比刪除結點6。

刪除葉子結點

單子結點的結點

被刪除結點，若是隻有一個子結點，那麼被刪除結點刪除後，該結點的子結點補上其位置，好比刪除結點9。

刪除單子結點的結點

存在左右子結點的結點

爲了更加清楚表達刪除存在左右結點的結點，先向樹中多添加3個結點8，10，15。而後刪除結點9。 這裏的解決方法就是，刪除9後，能夠用前驅結點或後繼結點補上。前驅結點爲左子樹中最大的結點，後繼結點爲右子樹中最小的結點。 如今之後繼結點補上的方案爲：

二叉查找樹

後繼結點補上刪除後的結點：

後繼結點補上示意圖

完成刪除，後繼結點補充上後：

完成刪除後的樹

代碼實現：

package com.ytao.bst;

/** * Created by YANGTAO on 2019/11/3 0003. */
public class DeleteBST {


    public Node delete(Node node, int delVal) {
        // 爲空時，表明葉子結點
        if (node == null){
            return node;
        }

        int nodeVal = node.getValue();
        Node leftNode = node.getLeftChildren();
        Node rightNode = node.getRightChildren();

        // 刪除的結點，與遍歷到的當前結點作比較，小於，大於或等於
        if (delVal < nodeVal){
            Node tempLeftNode = delete(leftNode, delVal);
            node.setLeftChildren(tempLeftNode);
        } else if(delVal > nodeVal){
            Node tempRightNode = delete(rightNode, delVal);
            node.setRightChildren(tempRightNode);
        } else {
            // 刪除的結點與當前遍歷到的結點相等時
            // 而且左結點爲空時，返回右結點去補上刪除的位置，反則返回左結點補上
            // 說明刪除結點爲單子結點的狀況
            if (leftNode == null){
                return rightNode;
            } else if (rightNode == null){
                return leftNode;
            }

            // 經過查詢最小右結點，獲取後繼結點
            Node minNode = minNode(rightNode);
            int minNodeValue = minNode.getValue();
            node.setValue(minNodeValue);
            // 刪除後繼結點
            Node tempRightNode = delete(rightNode, minNodeValue);
            node.setRightChildren(tempRightNode);
        }
        return node;
    }

    private Node minNode(Node node) {
        // 一直尋找最小值，知道左子節點爲空爲止
        Node leftNode = node.getLeftChildren();
        if (leftNode != null)
            return minNode(leftNode);
        return node;
    }

}

複製代碼

至此上面三中狀況都予知足。

總結

上面對二叉查找樹的操做都已介紹，可是正真使用中，是要結合實際業務進行相關調整來知足本身的需求，否則，一切的優化手段都是假把式。二叉查找樹雖然好用，可是它也是有必定要求，在數據量不大的狀況下，使用遍歷的方式，更加符合咱們的要求，因此它使用場景通常是在海量數據的查詢，用來提查詢效率。


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