数据结构_树与二叉树总结

 1、树

注:二叉树的所有问题,就是让你在前中后序位置注入巧妙的代码逻辑,去达到自己的目的!!

 

定义

具有n(n≥)个节点的有穷集合D与D上的关系集合R构成的结构T。即T:=(D,R)。

树的逻辑表示法:树形表示、文氏图表示、凹入表示、嵌套括号表示。

有序树、无序树。

基本概念

双亲节点、祖先节点、兄弟节点、孩子节点、子孙节点

节点的度、树的度、节点的层次、树的深度或称高度。(层次、深度从1起)

根节点、叶子节点(度为0的节点)、分支节点(度非0的节点)、内部节点(非根分支节点)

性质

对于度为k的树:

1、节点数=度数+1

2、第i层最多节点数:k(i-1),i≥1

3、高为i的k叉树节点数最多:(ki-1)/(k-1),i≥1

4、n个节点的k叉树深度最小为:ceil( logk( n(k-1)+1 ) )

存储结构

多重链表:定长链节点个数(二叉树等)、不定长链节点个数

三重链表:每个节点三个指针域(第一个孩子节点、双亲节点、第一个兄弟节点)

对树的操作

构建、遍历、销毁;插入某节点、查找某节点、删除某节点

2、二叉树

二叉树是有序树,有5中基本形态。(度不超过2的树不一定是二叉树,因为二叉树还要求左右子树有序不能颠倒)

n个节点可以构建卡特兰数 f(n)= (k=1~n)Σ(f(k-1)f(n-k)) = (C2n n)/(n+1) ,f(0)=f(1)=1种形态的二叉树。对于有n个节点的有序序列,其BST树也是卡特兰数种。

性质

1、节点数=度数+1

2、第i层节点数:2(i-1),i≥1

3、高为i的二叉树节点数最多:2i-1,i≥1

4、n个节点的二叉树深度最小为:ceil( log2(n+1) ),为理想平衡二叉树时取最小值

5、度为0的节点数=度为2的节点数+1。(因为 节点数n=n0+n1+n2 且 分支数 n-1=n1+2n2,联立可得之)

6、n个节点的完全二叉树从1起对节点从上到下从左到右的编号,编号为i的节点:父节点编号为 floor(i/2),除非该节点已为父节点;左孩子节点编号为2i,除非2i>n即该节点已为叶子节点;右孩子编号为2i+1,除非2i+1>n即右孩子不存在。

推而广之,对于完全m叉树编号为i的节点,其父节点编号为 floor((i+m-2)/m ) ,第j个孩子编号为 mi+j-m+1

存储

1、顺序存储:数组。(适用于完全二叉树的存储,一般二叉树可以通过填充虚拟节点当成完全二叉树来存储。缺点是浪费空间)

2、链式存储:

二叉链表(左孩子、右孩子):n个节点的二叉树有n+1个空指针域(空指针域即2n0+n1=n2+1+n0+n1=n+1)。线索二叉树通过利用空指针域指向直接前驱、后继节点来避免遍历时使用堆栈,如中序线索二叉树。

三叉链表(父节点、左孩子、右孩子)

建立

建立:根据输入的序列构建用二叉链表存储的二叉树。这里假定序列为字符串,每个字符对应树中一个节点

遍历:根据输入序列构建二叉树时需要遍历输入序列,遍历方式有:前序遍历、中序遍历、后序遍历、层次遍历,具体下节介绍。

输入:

首先说下补空,由输入序列(前缀、中缀、后缀皆可)构建二叉树时,如果序列里没有标记一些节点结束信息,则由于无法识别结束或哪些是叶节点从而不能由序列构建出树。所谓补空就是在序列中加入一些特殊字符如'#',加在哪?方式1:通常是序列对应的树的节点的空指针域中,也即度为1和0的节点的空孩子,此时对于n个节点的序列其补空数为n+1;方式2:也可以只对度为1的节点补空。有趣的是如果输入序列是表达式,则用前种补空方式时只有叶节点即操作数补空、用后种补空时没有节点被补空。通常用前种方式补空,某些特殊情况下才用后者。

加括号:把根节点和其左右子树看成一体,在其外围加上括号。左右子树都不存在的节点(叶节点)不用加括号。

百言不如一图,树T按方式1、2分别被补空为T1、T2:

对输入序列:由单一序列就想构建二叉树则需要 序列包含补空信息 或 序列本身包含额外信息(如前缀表达式序列操作符为内部节点操作数为叶节点),要想不补空就能构建二叉树则需多个序列。

总结:(带括号补空:前、中、后序递归;   不带括号补空:前序递归、后序非递归、层次非递归;   不带括号不补空:前后缀表达式、前中序、中后序、中序层次 等),其中,由 不带括号内补空层次序列 构建二叉树最直观最适用,如LeetCode中与树有关的题目的输入。

1、通常而言,输入序列里需要包含补空信息,此时可采用 前序、中序、后序 遍历输入序列来建立二叉树,只要构建过程遍历采用的序与输入序列采用的序一样。分为两种情况:

1)带括号的补空序列(方式1或2)(可按方式1或2补空,不管是T1、T2,有几个内部节点就有几个括号,即为T的节点数或内部节点数)

a、带括号、补空,前序序列(递归构建):

 1 void createPreOrder_withBrackets(char prefix[],BTREE &T)
 2 {
 3 //要求输入的前缀序列带括号 ,并含有对度为0和1的节点的补空特殊字符。此时非特殊字符都成了“内部节点”,有几个非特殊字符就有几个括号。 
 4 //当然也可以只对度为1的补空,此时有几个非叶节点的非特殊字符就有几个括号。若输入的是前缀表达式,则此情况的内部节点其实就是操作符,叶节点是操作数。 
 5 //例子:度为0和1的补空:( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) ),只对度为1的补空:( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) ) 
 6 //特殊例子(前缀表达式):度为0和1的补空:( *( +( A##) ( /( -( B##) ( C##) ) ( D##) ) ) ( E##) ) ,只对度为1的补空:(*(+A(/(-BC)D))E)
 7     char x=nextToken(prefix);
 8     
 9     if(x=='#')
10     {
11         T=NULL;
12     }
13     else
14     {
15         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
16         T->lchild=NULL;
17         T->rchild=NULL;
18         
19         if(x=='(')
20         {//处理括号里的表达式 
21             x=nextToken(prefix);//表达式的操作符 
22             T->data=x;
23             
24             createPreOrder_withBrackets(prefix,T->lchild);//表达式的左操作数 
25             
26             createPreOrder_withBrackets(prefix,T->rchild);//表达式的右操作数 
27             
28             nextToken(prefix);//右括号 
29         }
30         else
31         {
32             T->data=x;
33         }        
34     }
35 }
createPreOrder_withBrackets

若输入按方式1补空,则括号数为T1的内部节点数即T的节点数,如 ( *( +( A##) ( /( -( B##) ( C##) ) ( D##) ) ) ( E##) ) 、 ( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) ) ;

若输入按方式2补空,则括号数为T2的内部节点数即T的内部节点数。如 (*(+A(/(-BC)D))E) 、 ( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) ) ,可以发现前者就是前缀表达式,只不过多了括号。

可以发现,不论哪种补空方式,括号数都是补空后的树的内部节点数。想想,表达式树的内部节点都是操作符叶节点都是操作数,其中缀表达式的括号数就是操作符(内部节点)数,与这里的括号数有何联系?(answer:表达式树没有度为1的节点,故相当于内补空树)

b、带括号、补空,中序序列(递归构建):与上类似,改变一行代码顺序即可。

c、带括号、补空,后序序列(递归构建):同样,改变一行代码顺序即可。

输入示例:

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|                        方式1:度为1、0的节点补空             |  方式2:度为1的节点补空         |

|     前缀:( *( +( A##) ( /( -( B##) ( C##) ) ( D##) ) ) ( E##) )      |  (*(+A(/(-BC)D))E)                     |

| 示例1  中缀:( ( ( #A#) +( ( ( #B#) -( #C#) ) /( #D#) ) ) *( #E#) )       |  ((A+((B-C)/D))*E)                     |

|     后缀:(((##A)(((##B)(##C)-)(##D)/)+)(##E)*)          |  ((A((BC-)D/)+)E*)                     |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|     前缀:( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) )     |  ( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) )  |

| 示例2  中缀:( ( ( #D#) B( ( #G( #H#) ) E#) ) A( ( #F#) C#) )      |  ( ( DB( ( #GH )E# ) )A( FC# ) )  |

|     后缀:(((##D)((#(##H)G)#E)B)((##F)#C)A)          |  ( ( D( ( #HG )#E )B )( F#C )A )  |

|_____________________________________________________________________________________|

可以发现,此种方法能对带括号的中缀表达式构建表达式树。

2)不带括号的补空序列(只能方式1)。实际上本方式使用得最多,加括号是为了程序解析但不利于人阅读,括号数一多不信你不会被搞蒙。。。

a、不带括号、全补空、前序序列(递归构建):

 1 void createPreOrder(char prefixStr[],BTREE &T)
 2 {
 3     char x=nextToken(prefixStr);
 4     if(x=='#')
 5     {
 6         T=NULL;
 7     }
 8     else
 9     {
10         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
11         T->data=x;
12         createPreOrder(prefixStr,T->lchild);
13         createPreOrder(prefixStr,T->rchild);
14     }
15 }
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输入示例(上表第一列前序者去掉括号即可): +A##/-B##C##D##E## 、 AB D## E G# H### C F## # 

b、不带括号,全补空、中序序列,可以发现参数不管什么中序序列补空后每个字符左右均为#,所以其对应的树不唯一,故不带括号的中序补空序列没法构建树。

c、不带括号、全补空、后序序列(非递归构建):每遇到一个非补空字符时为之创建一个新节点并从栈中取两个节点作为其孩子

 1 void createPostOrder(char infix[],BTREE &T)
 2 {// 
 3     int stackSize=100;
 4     BTREE stack[stackSize],p;
 5     int top=-1;
 6     char x;
 7     while(1)
 8     {
 9         x=nextToken(infix);
10         if(x=='\0')
11         {
12             break;
13         }
14         else if(x=='#')
15         {
16             stack[++top]=NULL;
17         }
18         else
19         {
20             p=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
21             p->data=x;
22             p->lchild=stack[top-1];;
23             p->rchild=stack[top];
24             stack[top-1]=p;
25             top--;
26         }
27     }
28     T=stack[0];
29 }
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输入示例(上表第一列后序者去掉括号即可)

d、不带括号、按完全二叉树形式补空、层次遍历序列(非递归构建)

 1 void createLayerOrder(char layerSeq[],int n,BTREE &T)
 2 {//输入序列是广度优先序列,且按完全二叉树形式补空,因为要利用父子节点间编号的关系。如 "12#34#####5"
 3     if(n<0) return;
 4 
 5     BTREE node[n];
 6     int i,j;
 7     for(i=0;i<n;i++)
 8     {
 9         if(layerSeq[i]!='#')
10         {
11             node[i]=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
12             node[i]->data=layerSeq[i];
13             node[i]->lchild=NULL;
14             node[i]->rchild=NULL;
15             if(i==0)
16             {
17                 T=node[i];
18             }
19             else
20             {
21                 j=(i-1)/2;//父节点下标
22                 if(2*j+1==i)node[j]->lchild=node[i];//当前节点是父节点的左孩子
23                 else node[j]->rchild=node[i] ;//当前节点是父节点的右孩子 
24             }
25         }
26     }
27 }
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e、不带括号、内补空、层次序列最直接最常用

将内补空序列转为完全二叉树形式补空序列,然后按d处理或直接在转换的过程中建立:

 1 //输入层次遍历序列(内补空),构建二叉树 
 2 void createLayerOrder2(char layerSeq[],int n,BTREE &T)
 3 {    
 4     //先将序列转为完全二叉树形式补空的序列 
 5     const int M=100;
 6     
 7     if(n<=0) return;
 8     
 9     char input[M];//node[]用于以完全二叉树形式存储节点
10     BTREE node[M];
11     
12     int i=0,nonBlank=0;
13     while(i<n)
14     {//统计非空字符数,作为下面循环结束的条件 
15         input[i]=layerSeq[i];
16         if(input[i]!='#')
17         {
18             nonBlank++;
19         }
20         i++;
21     }
22     
23     i=0;
24     int j;
25     while(nonBlank>0)
26     {
27         if(input[i]!='#')
28         {
29             nonBlank--;
30             {//法1,转换为完全二叉树补空形式过程中构建 
31                 node[i]=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
32                 node[i]->data=input[i];
33                 node[i]->lchild=NULL;
34                 node[i]->rchild=NULL;
35                 if(i==0)
36                 {
37                     T=node[i];
38                 }
39                 else
40                 {
41                     j=(i-1)/2;
42                     if(2*j+1==i)node[j]->lchild=node[i];
43                     else if(2*j+2==i) node[j]->rchild=node[i];                
44                 }                
45             }
46         }
47         else
48         {
49             //后移两位 
50             for(j=n-1;j>=2*i+1;j--)
51             {
52                 input[j+2]=input[j];
53             }
54             n+=2;
55             input[2*i+1]='#';
56             input[2*i+2]='#';
57         }
58         i++;
59     }
60         
61 
62     {//法2,调用,根据完全二叉树形式补空序列构建二叉树 
63 //        input[n]='\0';
64 //        printf("%s\n",input);
65 //        createLayerOrder(input,n,T) ;//输入二叉树形式补空的序列,构建二叉树 
66     }
67 }
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2、要想输入时不需补空:

1)要么同时提供中序、前序序列 或 同时提供中序、后序序列 或 同时提供中序、层次序列。

法一(三种均可用此法):根据中序序列下标采用逐点插入法构建“二叉搜索树”——前序、层次序列从头到尾各元素依次插入;后序序列从后到前各元素依次插入。

 1 //根据 中序序列 和 后序|前序|层次序列 构建二叉树。采用逐点插入法构建“二叉搜索树”。 
 2 int cbiGetIndex(char inorder[],int n,char val)
 3 {//获取给定值在中序序列的下标 
 4     int i=0;
 5     while(i<n && inorder[i]!=val)
 6     {
 7         i++;
 8     }
 9     return i;
10 }
11 void cbiBuildBST(BTREE &T,char inorder[],int n,char val)
12 {//插入一个值到二叉搜索树 
13     if(T==NULL)
14     {
15         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
16         T->data=val;
17         T->lchild=NULL;
18         T->rchild=NULL;
19     }
20     else if(cbiGetIndex(inorder,n,val) < cbiGetIndex(inorder,n,T->data))
21     {
22         cbiBuildBST(T->lchild,inorder,n,val);
23     }
24     else
25     {
26         cbiBuildBST(T->rchild,inorder,n,val);
27     }
28 }
29 void createByInAndOtherOrder(BTREE &T,char input[],int isInputPostOrder,char inorder[],int n)
30 {//根据 中序序列 和 后序|前序|层次序列 构建二叉树。采用逐点插入法构建“二叉搜索树”。 
31 printf("%s %d\n",input,n);
32     int i;
33     if(isInputPostOrder)
34     {//若input是后序序列,从后往前依次插入各元素 
35         for(i=n-1;i>=0;i--)
36         {
37             cbiBuildBST(T,inorder,n,input[i]);
38         }
39     }
40     else{//否则input是前序或后序序列,从前往后依次插入各元素 
41         for(i=0;i<n;i++)
42         {
43             cbiBuildBST(T,inorder,n,input[i]);
44         }
45     }
46 }
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法二(前两种可用此法):取前序序列首元素,找到在中序序列的位置,此位置分割成的左右两部分就是左子树和右子树,两部分的长度分别对应前序序列接下来两部分的长度,递归进行。

a、由前序、中序序列构建二叉树:(不带括号、不补空、递归构建)。

 1 //由前序、中序序列(不补空不带括号)构建二叉树。有重复元素的话树不唯一,所以不能有重 
 2 void createByPreInOrder(BTREE &T,char preorder[],int preStart,int preEnd,char inorder[],int inStart,int inEnd) 
 3 {//求前序序列首元素在中序序列的位置,此位置左边为左子树序列、右边为右子树序列,两者的长度分别对应前序序列接下来的两段长度,接下来递归进行。 
 4     if(preStart>preEnd || inStart>inEnd || preEnd-preStart!=inEnd-inStart)
 5     {
 6         return;
 7     }
 8     
 9     //求前序序列首元素在中序序列的位置 及 中序序列被该元素分成的左右子序列的长度 
10     int pivot;
11     for(pivot=inStart; pivot<=inEnd && preorder[preStart]!=inorder[pivot];pivot++);
12     int leftLen=pivot-inStart;//位置左边的元素个数 
13     int rightLen=inEnd-pivot;//位置右边的元素个数 
14     
15     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
16     T->data=preorder[preStart];
17     T->lchild=NULL;
18     T->rchild=NULL;
19     if(leftLen>0)
20     {
21         createByPreInOrder(T->lchild,preorder,  preStart+1,  preStart+1+leftLen-1,  inorder,  inStart,  pivot-1);
22     }
23     if(rightLen>0)
24     {
25         createByPreInOrder(T->rchild,preorder,  preStart+1+leftLen,  preEnd,  inorder,  pivot+1,  inEnd);
26     }
27 }
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b、由后序、中序序列构建二叉树:(不带括号、不补空、递归构建)。与上述类似,只不过每次取的是后序序列的末尾值来构建新节点

 1 //由后序、中序序列(不补空不带括号)构建二叉树。有重复元素的话树不唯一,所以不能有重 
 2 void createByPostInOrder(BTREE &T,char postorder[],int postStart,int postEnd,char inorder[],int inStart,int inEnd) 
 3 {//求后序序列末元素在中序序列的位置,此位置左边为左子树序列、右边为右子树序列,两者的长度分别对应后序序列从首元素开始的两段长度,接下来递归进行。 
 4     if(postStart>postEnd || inStart>inEnd || postEnd-postStart!=inEnd-inStart)
 5     {
 6         return;
 7     }
 8     
 9     //求前序序列首元素在中序序列的位置 及 中序序列被该元素分成的左右子序列的长度 
10     int pivot;
11     for(pivot=inStart; pivot<=inEnd && postorder[postEnd]!=inorder[pivot];pivot++);
12     int leftLen=pivot-inStart;
13     int rightLen=inEnd-pivot;
14     
15     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
16     T->data=postorder[postEnd];
17     T->lchild=NULL;
18     T->rchild=NULL;
19     if(leftLen>0)
20     {
21         createByPostInOrder(T->lchild,postorder,  postStart,  postStart+leftLen-1,  inorder,  inStart,  pivot-1);
22     }
23     if(rightLen>0)
24     {
25         createByPostInOrder(T->rchild,postorder,  postStart+leftLen,  postEnd-1,  inorder,  pivot+1,  inEnd);
26     }
27 }
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注意:

若提供了二叉查找树的后序遍历序列则即可构建出该树,因为二叉查找树的中序序列是递增的,我们可以从后序序列得到中序序列;实际上,不获取也可,从后往前依次将每个元素插入即可。(给定BST的前序序列时与此类似)。此时实际上是上述法一的特殊情况。此外,如果定义了元素大小关系,则实际上给定任意序列都可以构建出二叉查找树,树的形状(与输入序列、与从序列后往前或从前往后插入到BST顺序)有关,构建算法可以是递归、非递归的(有关BST的建立、查找、删除见后文‘特殊二叉树’一节)。

2)要么序列本身包含额外信息:如前缀表达式或后缀表达式因操作符为内部节点操作数为叶节点,可直接根据序列构建表达式树;带括号的中缀表达式(每个运算符都有对应的括号)括号能提供额外信息,因此也能直接根据之建立树。表达式树由非叶节点(即操作符)都有左右孩子,故相当于进行了内补空

由表达式序列构建表达式树示例:由表达式序列构建表达式树-MarchOn (前缀、中缀递归,后缀非递归)

a、前缀表达式序列构建表达式树(不带括号、递归构建):

 1 void createPrefix_recursive(char prefix[],BTREE &T)
 2 {//递归方式_由前缀表达式构建表达式树,输入示例:*+A/-BCDE
 3     char x=nextToken(prefix);
 4     
 5     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
 6     T->data=x;
 7     T->lchild=NULL;
 8     T->rchild=NULL;
 9     
10     if(!isOpNum(x))//是操作符。前缀表达式的最后一个字符一定是操作数,所以下面的递归会停止。 
11     { 
12         createPrefix_recursive(prefix,T->lchild);
13         createPrefix_recursive(prefix,T->rchild);
14     }
15 }
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输入示例: *+A/-BCDE 

b、中缀表达式序列构建表达式树(带括号、递归构建):直接用带括号补空的方法(1、1、b)中的方法。不过由于表达式树内部节点为操作符叶子节点为操作数不存在为度为1的节点,所以构建方法可以稍微简化:

 1 void createInfix_recursive(char infix[],BTREE &T)
 2 {//递归方式_由中缀表达式构建表达式树,要求输入的中缀表达式加括号,有几个操作数就几个括号 
 3     char x=nextToken(infix);
 4     
 5     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
 6     T->lchild=NULL;
 7     T->rchild=NULL;
 8     
 9     if(x=='(')
10     {//处理括号里的表达式 
11         createInfix_recursive(infix,T->lchild);//表达式的左操作数 
12         
13         x=nextToken(infix);//表达式的操作符 
14         T->data=x;
15         
16         createInfix_recursive(infix,T->rchild);//表达式的右操作数 
17         nextToken(infix);//右括号 
18     }
19     else
20     {
21         T->data=x;
22     }
23 }
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输入示例: ((A+((B-C)/D))*E) 

c、后缀表达式序列构建表达式树(不带括号、非递归构建):

 1 #define M 100
 2 void createPostfix_nonrecursive(char postfix[],BTREE &T)
 3 {//非递归方式_由后缀表达式构建表达式树 
 4     BTREE stack[M],p;
 5     int top=-1;
 6     char x;
 7     while(1)
 8     {
 9         x=nextToken(postfix);
10         if(x=='\0') 
11         {
12             break;
13         }
14         
15         p=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode)) ;
16         p->data=x;
17         p->lchild=NULL;
18         p->rchild=NULL;
19         
20         if(isOpNum(x))
21         {//操作数 
22             stack[++top]=p;
23         }
24         else
25         {//操作符 
26             p->lchild=stack[top-1];
27             p->rchild=stack[top];
28             stack[top-1]=p;
29             top--;
30         }
31     }
32     T=stack[0];
33 }
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输入示例: ABC-D/+E* 

这里总结了根据不同输入形式构建二叉树的方法,当遇到不是这些形式的时,可以向这些形式靠。如A( (B  ( D,E(G)), C(F(,H) )  ) )

但是,也不要那么死板局限于这里的方法,条条大路通罗马,肯定还会有其他方法的。

附:上述关于树创建的完整代码:

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<malloc.h>
  3 typedef struct node
  4 {
  5     int data;
  6     struct node* lchild;
  7     struct node* rchild;
  8 }BTNode,*BTREE;
  9 
 10 
 11 //遍历 
 12 
 13 void searchPrefix(BTREE T)
 14 {
 15     if(T!=NULL)
 16     { 
 17         printf("%c",T->data);
 18         
 19         searchPrefix(T->lchild);
 20         
 21         searchPrefix(T->rchild);
 22     }
 23 }
 24 void searchInfix(BTREE T)
 25 {
 26     if(T!=NULL)
 27     {//访问到内部节点时左右加括号 ,因此几个内部节点就有几个括号,如果树是表达式树 ,则得到了带括号的中缀表达式 
 28 //        if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){   printf("( ");   }
 29         searchInfix(T->lchild);
 30 //        if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->lchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
 31         
 32         printf("%c",T->data);
 33         
 34         searchInfix(T->rchild);
 35 //        if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->rchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
 36 //        if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){  printf(" )");  }
 37     }
 38 }
 39 void searchPostfix(BTREE T)
 40 {
 41     if(T!=NULL)
 42     {//访问到内部节点时左右加括号 ,因此几个内部节点就有几个括号,如果树是表达式树 ,则得到了带括号的后缀表达式
 43 //        if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){   printf("( ");   }
 44         searchPostfix(T->lchild);
 45 //        if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->lchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
 46         
 47         searchPostfix(T->rchild);
 48 //        if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->rchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
 49         
 50         printf("%c",T->data);
 51 //        if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){  printf(" )");  }
 52     }
 53 }
 54 
 55 
 56 //构建 
 57 char nextToken(char str[]) //读取下一字符,略过空格 
 58 {
 59     static int pos=0;
 60     while(str[pos]!='\0' && str[pos]==' '){ pos++; }
 61     return str[pos++];
 62 }
 63 
 64 
 65 void createPreOrder_withBrackets_c(char prefix[],BTREE *T)
 66 {//为了能更改T,这里采用了指针,为了更清晰简洁,可以用C++里的引用 
 67     char x=nextToken(prefix);
 68     
 69     if(x=='#')
 70     {
 71         *T=NULL;
 72     }
 73     else
 74     {
 75         *T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
 76         (*T)->lchild=NULL;
 77         (*T)->rchild=NULL;
 78         
 79         if(x=='(')
 80         {//处理括号里的表达式 
 81             x=nextToken(prefix);//表达式的操作符 
 82             (*T)->data=x;
 83             
 84             createPreOrder_withBrackets_c(prefix,&((*T)->lchild));//表达式的左操作数 
 85             
 86             createPreOrder_withBrackets_c(prefix,&((*T)->rchild));//表达式的右操作数 
 87             
 88             nextToken(prefix);//右括号 
 89         }
 90         else
 91         {
 92             (*T)->data=x;
 93         }        
 94     }
 95 }
 96 
 97 void createPreOrder_withBrackets(char prefix[],BTREE &T)
 98 {
 99 //要求输入的前缀序列带括号 ,并含有对度为0和1的节点的补空特殊字符。此时非特殊字符都成了“内部节点”,有几个非特殊字符就有几个括号。 
100 //当然也可以只对度为1的补空,此时有几个非叶节点的非特殊字符就有几个括号。若输入的是前缀表达式,则此情况的内部节点其实就是操作符,叶节点是操作数。 
101 //例子:度为0和1的补空:( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) ),只对度为1的补空:( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) ) 
102 //特殊例子(前缀表达式):度为0和1的补空:( *( +( A##) ( /( -( B##) ( C##) ) ( D##) ) ) ( E##) ) ,只对度为1的补空:(*(+A(/(-BC)D))E)
103     char x=nextToken(prefix);
104     
105     if(x=='#')
106     {
107         T=NULL;
108     }
109     else
110     {
111         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
112         T->lchild=NULL;
113         T->rchild=NULL;
114         
115         if(x=='(')
116         {//处理括号里的表达式 
117             x=nextToken(prefix);//表达式的操作符 
118             T->data=x;
119             
120             createPreOrder_withBrackets(prefix,T->lchild);//表达式的左操作数 
121             
122             createPreOrder_withBrackets(prefix,T->rchild);//表达式的右操作数 
123             
124             nextToken(prefix);//右括号 
125         }
126         else
127         {
128             T->data=x;
129         }        
130     }
131 }
132 
133 void createInOrder_withBrackets(char infix[],BTREE &T)
134 {//要求输入的序列带括号 ,内部节点才带括号;度为1的节点缺失的孩子补特殊字符(度为0的可补可不补) 
135     char x=nextToken(infix);
136     
137     if(x=='#')
138     {
139         T=NULL;
140     }
141     else
142     {
143         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
144         T->lchild=NULL;
145         T->rchild=NULL;
146         
147         if(x=='(')
148         {//处理括号里的表达式 
149             createInOrder_withBrackets(infix,T->lchild);//表达式的左操作数 
150             
151             x=nextToken(infix);//表达式的操作符 
152             T->data=x;
153             
154             createInOrder_withBrackets(infix,T->rchild);//表达式的右操作数 
155             
156             nextToken(infix);//右括号 
157         }
158         else
159         {
160             T->data=x;
161         }
162     }
163 }
164 
165 void createPostOrder_withBrackets(char infix[],BTREE &T)
166 {//要求输入的序列带括号 ,内部节点才带括号;度为1的节点缺失的孩子补特殊字符(度为0的可补可不补) 
167     char x=nextToken(infix);
168 
169     if(x=='#')
170     {
171         T=NULL;
172     }
173     else
174     {
175         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
176         T->lchild=NULL;
177         T->rchild=NULL;
178         
179         if(x=='(')
180         {//处理括号里的表达式 
181             createPostOrder_withBrackets(infix,T->lchild);//表达式的左操作数 
182     
183             createPostOrder_withBrackets(infix,T->rchild);//表达式的右操作数 
184             
185             x=nextToken(infix);//表达式的操作符 
186             T->data=x;
187     
188             nextToken(infix);//右括号         
189         }
190         else
191         {
192             T->data=x;
193         }
194     }
195 }
196 
197 void createPreOrder(char prefixStr[],BTREE &T)
198 {//输入序列为 全补空、不带括号 的序列 
199     char x=nextToken(prefixStr);
200     if(x=='#')
201     {
202         T=NULL;
203     }
204     else
205     {
206         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
207         T->data=x;
208         createPreOrder(prefixStr,T->lchild);
209         createPreOrder(prefixStr,T->rchild);
210     }
211 }
212 
213 
214 void createPostOrder(char infix[],BTREE &T)
215 {// 输入序列为 全补空、不带括号 的序列 
216     int stackSize=100;
217     BTREE stack[stackSize],p;
218     int top=-1;
219     char x;
220     while(1)
221     {
222         x=nextToken(infix);
223         if(x=='\0')
224         {
225             break;
226         }
227         else if(x=='#')
228         {
229             stack[++top]=NULL;
230         }
231         else
232         {
233             p=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
234             p->data=x;
235             p->lchild=stack[top-1];;
236             p->rchild=stack[top];
237             stack[top-1]=p;
238             top--;
239         }
240     }
241     T=stack[0];
242 }
243 
244 //输入层次遍历序列(全补空),构建二叉树 
245 void createLayerOrder(char layerSeq[],int n,BTREE &T)
246 {//输入序列是广度优先序列,且按完全二叉树形式补空,因为要利用父子节点间编号的关系。如 "12#34#####5"
247 //构建后的实际节点数≤n 
248     if(n<=0) return;
249 
250     BTREE node[n];
251     int i,j;
252     for(i=0;i<n;i++)
253     {
254         if(layerSeq[i]!='#')
255         {
256             node[i]=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
257             node[i]->data=layerSeq[i];
258             node[i]->lchild=NULL;
259             node[i]->rchild=NULL;
260             if(i==0)
261             {
262                 T=node[i];
263             }
264             else
265             {
266                 j=(i-1)/2;//父节点下标
267                 if(2*j+1==i)node[j]->lchild=node[i];//当前节点是父节点的左孩子
268                 else node[j]->rchild=node[i] ;//当前节点是父节点的右孩子 
269             }
270         }
271     }
272 }
273 
274 //输入层次遍历序列(内补空),构建二叉树 
275 void createLayerOrder2(char layerSeq[],int n,BTREE &T)
276 {    
277     //先将序列转为完全二叉树形式补空的序列 
278     const int M=100;
279     
280     if(n<=0) return;
281     
282     char input[M];//node[]用于以完全二叉树形式存储节点
283     BTREE node[M];
284     
285     int i=0,nonBlank=0;
286     while(i<n)
287     {//统计非空字符数,作为下面循环结束的条件 
288         input[i]=layerSeq[i];
289         if(input[i]!='#')
290         {
291             nonBlank++;
292         }
293         i++;
294     }
295     
296     i=0;
297     int j;
298     while(nonBlank>0)
299     {
300         if(input[i]!='#')
301         {
302             nonBlank--;
303             {//法1,转换为完全二叉树补空形式过程中构建 
304                 node[i]=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
305                 node[i]->data=input[i];
306                 node[i]->lchild=NULL;
307                 node[i]->rchild=NULL;
308                 if(i==0)
309                 {
310                     T=node[i];
311                 }
312                 else
313                 {
314                     j=(i-1)/2;
315                     if(2*j+1==i)node[j]->lchild=node[i];
316                     else if(2*j+2==i) node[j]->rchild=node[i];                
317                 }                
318             }
319         }
320         else
321         {
322             //后移两位 
323             for(j=n-1;j>=2*i+1;j--)
324             {
325                 input[j+2]=input[j];
326             }
327             n+=2;
328             input[2*i+1]='#';
329             input[2*i+2]='#';
330         }
331         i++;
332     }
333         
334 
335     {//法2,调用,根据完全二叉树形式补空序列构建二叉树 
336 //        input[n]='\0';
337 //        printf("%s\n",input);
338 //        createLayerOrder(input,n,T) ;//输入二叉树形式补空的序列,构建二叉树 
339     }
340 }
341 
342 //由前序、中序序列(不补空不带括号)构建二叉树。有重复元素的话树不唯一,所以不能有重 
343 void createByPreInOrder(BTREE &T,char preorder[],int preStart,int preEnd,char inorder[],int inStart,int inEnd) 
344 {//求前序序列首元素在中序序列的位置,此位置左边为左子树序列、右边为右子树序列,两者的长度分别对应前序序列接下来的两段长度,接下来递归进行。 
345     if(preStart>preEnd || inStart>inEnd || preEnd-preStart!=inEnd-inStart)
346     {
347         return;
348     }
349     
350     //求前序序列首元素在中序序列的位置 及 中序序列被该元素分成的左右子序列的长度 
351     int pivot;
352     for(pivot=inStart; pivot<=inEnd && preorder[preStart]!=inorder[pivot];pivot++);
353     int leftLen=pivot-inStart;//位置左边的元素个数 
354     int rightLen=inEnd-pivot;//位置右边的元素个数 
355     
356     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
357     T->data=preorder[preStart];
358     T->lchild=NULL;
359     T->rchild=NULL;
360     if(leftLen>0)
361     {
362         createByPreInOrder(T->lchild,preorder,  preStart+1,  preStart+1+leftLen-1,  inorder,  inStart,  pivot-1);
363     }
364     if(rightLen>0)
365     {
366         createByPreInOrder(T->rchild,preorder,  preStart+1+leftLen,  preEnd,  inorder,  pivot+1,  inEnd);
367     }
368 }
369 
370 //由后序、中序序列(不补空不带括号)构建二叉树。有重复元素的话树不唯一,所以不能有重 
371 void createByPostInOrder(BTREE &T,char postorder[],int postStart,int postEnd,char inorder[],int inStart,int inEnd) 
372 {//求后序序列末元素在中序序列的位置,此位置左边为左子树序列、右边为右子树序列,两者的长度分别对应后序序列从首元素开始的两段长度,接下来递归进行。 
373     if(postStart>postEnd || inStart>inEnd || postEnd-postStart!=inEnd-inStart)
374     {
375         return;
376     }
377     
378     //求前序序列首元素在中序序列的位置 及 中序序列被该元素分成的左右子序列的长度 
379     int pivot;
380     for(pivot=inStart; pivot<=inEnd && postorder[postEnd]!=inorder[pivot];pivot++);
381     int leftLen=pivot-inStart;
382     int rightLen=inEnd-pivot;
383     
384     T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
385     T->data=postorder[postEnd];
386     T->lchild=NULL;
387     T->rchild=NULL;
388     if(leftLen>0)
389     {
390         createByPostInOrder(T->lchild,postorder,  postStart,  postStart+leftLen-1,  inorder,  inStart,  pivot-1);
391     }
392     if(rightLen>0)
393     {
394         createByPostInOrder(T->rchild,postorder,  postStart+leftLen,  postEnd-1,  inorder,  pivot+1,  inEnd);
395     }
396 }
397 
398 //根据 中序序列 和 后序|前序|层次序列 构建二叉树。采用逐点插入法构建“二叉搜索树”。 
399 int cbiGetIndex(char inorder[],int n,char val)
400 {//获取给定值在中序序列的下标 
401     int i=0;
402     while(i<n && inorder[i]!=val)
403     {
404         i++;
405     }
406     return i;
407 }
408 void cbiBuildBST(BTREE &T,char inorder[],int n,char val)
409 {//插入一个值到二叉搜索树 
410     if(T==NULL)
411     {
412         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
413         T->data=val;
414         T->lchild=NULL;
415         T->rchild=NULL;
416     }
417     else if(cbiGetIndex(inorder,n,val) < cbiGetIndex(inorder,n,T->data))
418     {
419         cbiBuildBST(T->lchild,inorder,n,val);
420     }
421     else
422     {
423         cbiBuildBST(T->rchild,inorder,n,val);
424     }
425 }
426 void createByInAndOtherOrder(BTREE &T,char input[],int isInputPostOrder,char inorder[],int n)
427 {//根据 中序序列 和 后序|前序|层次序列 构建二叉树。采用逐点插入法构建“二叉搜索树”。 
428 printf("%s %d\n",input,n);
429     int i;
430     if(isInputPostOrder)
431     {//若input是后序序列,从后往前依次插入各元素 
432         for(i=n-1;i>=0;i--)
433         {
434             cbiBuildBST(T,inorder,n,input[i]);
435         }
436     }
437     else{//否则input是前序或后序序列,从前往后依次插入各元素 
438         for(i=0;i<n;i++)
439         {
440             cbiBuildBST(T,inorder,n,input[i]);
441         }
442     }
443 }
444 
445 //二叉查找树创建、查找、删除(递归、非递归) 
446 void insertBinarySearchTree_nonrecursive(BTREE &T,char item)
447 {
448     BTREE p,q;
449     p=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
450     p->data=item;
451     p->lchild=NULL;
452     p->rchild=NULL;
453     if(T==NULL) T=p;
454     else
455     {
456         q=T;
457         while(1)
458         {
459             if(item < q->data)
460             {
461                 if(q->lchild!=NULL) q=q->lchild;
462                 else
463                 {
464                     q->lchild=p;
465                     break;
466                 }
467             }
468             else
469             {
470                 if(q->rchild!=NULL) q=q->rchild;
471                 else
472                 {
473                     q->rchild=p;
474                     break;
475                 }
476             }
477         }
478     }
479 }
480 void insertBinarySearchTree_recursive(BTREE &T,char item)
481 {
482     if(T==NULL)
483     {
484         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
485         T->data=item;
486         T->lchild=NULL;
487         T->rchild=NULL;    
488     }
489     else if(item< T->data)
490     {
491         insertBinarySearchTree_recursive(T->lchild,item);
492     }
493     else
494     {
495         insertBinarySearchTree_recursive(T->rchild,item);
496     }
497 }
498 
499 BTREE searchBinarySearchTree_nonrecursive(BTREE T,char item)
500 {
501     if(T==NULL)
502         return NULL;
503     BTREE p=T;
504     while(p!=NULL)
505     {
506         if(p->data==item)
507             return p;
508         else if(p->data<item)
509             p=p->lchild;
510         else
511             p=p->rchild;
512     }
513 }
514 
515 BTREE searchBinarySearchTree_recursive(BTREE T,char item)
516 {
517     if(T==NULL || T->data==item)
518         return T;
519     else if(T->data < item)
520         searchBinarySearchTree_recursive(T->lchild,item);
521     else
522         searchBinarySearchTree_recursive(T->rchild,item);
523 }
524 
525 void deleteBSTNode(BTREE &T,char key)
526 {//删除二叉查找树中的一个节点。也可以借助后序非递归遍历来实现 ,此时栈顶元素存在的话为当前节点的父节点 
527     if(T==NULL)return;
528     else if(key<T->data)deleteBSTNode(T->lchild,key);
529     else if(key>T->data)deleteBSTNode(T->rchild,key);
530     else
531     {
532         if(T->lchild==NULL)
533         {
534             BTREE tmp=T;
535             T=T->rchild;
536             free(tmp); 
537         } 
538         else if(T->rchild==NULL)
539         {
540             BTREE tmp=T;
541             T=T->lchild;
542             free(tmp) ;
543         } 
544         else
545         {
546             //找右子树的最小节点(最左边)的值替换被删节点的值
547             BTREE p=T->rchild;
548             while(p->lchild!=NULL)
549             {
550                 p=p->lchild;
551             }
552             T->data=p->data;
553             deleteBSTNode(T->rchild,p->data);
554             
555             //也可以找左子树最右的值
556 //            BTREE p=T->lchild;
557 //            while(p->lchild!=NULL)
558 //            {
559 //                p=p->lchild;
560 //            }
561 //            T->data=p->data;
562 //            deleteBSTNode(T->lchild,p->data);
563         }
564     }
565 }
566 
567 void createBinarySearchTree(BTREE &T,char input[],int n)
568 {
569     int i;
570     for(i=0;i<n;i++)
571     {
572         insertBinarySearchTree_nonrecursive(T,input[i]);
573 //        insertBinarySearchTree_recursive(T,input[i]);
574     }
575     
576     for(i=0;i<n;i++)
577     {//验证递归查找和非递归查找的正确性 
578         if(searchBinarySearchTree_nonrecursive(T,input[i])!=searchBinarySearchTree_recursive(T,input[i]))
579         {
580             printf("error in searchBinarySearchTree\n");
581         }
582     }
583 }
584 
585 
586 
587 int main()
588 {
589 
590     //测试1,特殊序列(表达式 )。度为1的节点空孩子一定要补空,度为0的可以不补;由于表达式内部节点为操作符度都为故不需要补空 
591     
592     //度为1的节点补空 
593     //(*(+A(/(-BC)D))E)
594     //((A+((B-C)/D))*E)
595     //((A((BC-)D/)+)E*)
596     
597     //度为1、0的节点补空 
598     //( *( +( A##) ( /( -( B##) ( C##) ) ( D##) ) ) ( E##) )
599     //( ( ( #A#) +( ( ( #B#) -( #C#) ) /( #D#) ) ) *( #E#) )
600     //(((##A)(((##B)(##C)-)(##D)/)+)(##E)*)
601     
602     //测试2,普通序列 
603     
604     //度为1的节点补空
605     //( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) )
606     //( ( DB( ( #GH )E# ) )A( FC# ) )
607     //( ( D( ( #HG )#E )B )( F#C )A )
608     
609     //度为1、0的节点补空
610     //( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) )
611     //( ( ( #D#) B( ( #G( #H#) ) E#) ) A( ( #F#) C#) )
612     //(((##D)((#(##H)G)#E)B)((##F)#C)A)
613     
614 
615     
616     //测试1,特殊序列(表达式 ) ,度为1、0的节点都得补空 
617     //*+A##/-B##C##D##E##
618     //#A#+#B#-#C#/#D#*#E#
619     //##A##B##C-##D/+##E*
620     
621     //测试2,普通序列 ,度为1、0的节点都得补空 
622     //ABD##EG#H###CF###
623     //#D#B#G#H#E#A#F#C#
624     //##D###HG#EB##F#CA
625 
626     BTREE T=NULL;
627     
628     //加括号:全补空或内补空,前缀、中缀、后缀 
629 //    char str[]="(*(+A(/(-BC)D))E)";    
630 //char str[]="(  *(+(A##)(/(-(B##)(C##))(D##)))(E##)  )";
631 //    char str[]="( A( BD( E( G#H )# ) )( CF# ) )";
632 //char str[]="( A( B( D##) ( E( G#( H##) ) #) ) ( C( F##) #) )"; 
633 //    createPreOrder_withBrackets(str,T);
634 
635 //    char str[]="((A+((B-C)/D))*E)";    
636 //    char str[]="( ( DB( ( #GH )E# ) )A( FC# ) )";
637 //char str[]="( ( ( #A#) +( ( ( #B#) -( #C#) ) /( #D#) ) ) *( #E#) )";
638 //    createInOrder_withBrackets(str,T);
639 
640 //    char str[]="(  ( A((BC-)D/)+ )E* )";
641 //char str[]="(((##A)(((##B)(##C)-)(##D)/)+)(##E)*)";
642 //    char str[]="( ( D( ( #HG )#E )B )( F#C )A )";
643 //    createPostOrder_withBrackets(str,T);
644 
645 
646     //不加括号:全补空 ,前缀、后缀、广度优先 
647 //    char str[]="*+A##/-B##C##D##E##";
648 //    char str[]="AB D## E G# H### C F## #";
649 //    createPreOrder(str,T);
650     
651 //    char str[]="#A#+#B#-#C#/#D#*#E#";//不带括号的中序序列的树是不唯一的,所以没法构建 
652 //    char str[]="#D#B#G#H#E#A#F#C#";
653 //    createInOrder(str,T);    
654 
655 //    char str[]="##A##B##C-##D/+##E*";
656 //    char str[]="##D # ##H G#EB##F#CA";
657 //    createPostOrder(str,T);
658 
659 //    char layerSeq[]="12#34#####5";
660 //    createLayerOrder(layerSeq,sizeof(layerSeq)/sizeof(char)-1,T);//广度优先、二叉树形式补空 
661     char layerSeq2[]="12#34###5";
662     createLayerOrder2(layerSeq2,sizeof(layerSeq2)/sizeof(char)-1,T);//广度优先、内补空 。可以将序列转换为完全二叉树形式补空再用上述方法构建,也可以在转换过程中构建。 
663 
664     //由前序、中序序列 或 后序、中序序列 或 中序、层次序列 构建二叉树。不补空、不加括号。 
665     char inorder[]="254163";
666     char preorder[]="124536";
667     char postorder[]="542631";
668     char layerorder[]="123465";
669 //    createByInAndOtherOrder(T,postorder,1,inorder,sizeof(inorder)-1);//法1,三种输入方式都可用此法构建二叉树 
670 //    createByInAndOtherOrder(T,preorder,0,inorder,sizeof(inorder)-1);
671 //    createByInAndOtherOrder(T,layerorder,0,inorder,sizeof(inorder)-1);
672 //    createByPreInOrder(T,preorder,0,sizeof(preorder)-1-1,inorder,0,sizeof(inorder)-1-1) ;//法2,知道前序、中序 
673 //    createByPostInOrder(T,postorder,0,sizeof(postorder)-1-1,inorder,0,sizeof(inorder)-1-1);//法2,知道后序、中序 
674     
675     //二叉查找树创建、查找(递归、非递归)、删除 
676 //    char data[]="43265178";
677 //    createBinarySearchTree(T,data,sizeof(data)/sizeof(char)-1);
678 //    deleteBSTNode(T,'4');
679     
680     
681     
682     searchPrefix(T);      
683     printf("\n");
684     searchInfix(T);
685     printf("\n");
686     searchPostfix(T);
687     printf("\n");
688     
689     return 0;
690 }
tree_build.cpp

遍历

关于树的遍历的一些框架总结可参阅labuldong刷题总结-二叉树系列算法

"二叉树题目的递归解法可以分两类思路,第一类是遍历一遍二叉树得出答案,第二类是通过分解问题计算出答案,这两类思路分别对应着 回溯算法核心框架 和 动态规划核心框架"。

采用链式存储:深度优先(前序、中序、后序)、广度优先(层次)遍历。(递归、非递归)

采用顺序存储:深度优先(前序、中序、后序)、广度优先(层次)遍历。(递归、非递归),输入为以完全二叉树补空的层次遍历序列,因此遍历方法与采用链式存储的相同,只是改为借助节点编号来反映节点间的父子关系。

总结:

前序遍历的特点:自顶向下、自左向右

后序遍历的特点:自左向右、自底向上

复杂度:

深度优先(DFS):时间复杂度O(n)、空间复杂度O(h)

广度优先(BFS):时间复杂度O(n)、空间复杂度O(n)。

0、二叉树、多叉树、图的BFS算法框架伪代码

见本节尾。

1、链式存储的遍历:(输入的是树的头结点指针)

1)、递归遍历:

前序、中序、后序遍历(大同小异):

 1 void searchPrefix(BTREE T)
 2 {
 3     if(T!=NULL)
 4     {
 5         printf("%c",T->data);
 6         
 7         searchPrefix(T->lchild);
 8 
 9         searchPrefix(T->rchild);
10     }
11 }
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可以加以改进,以打印括号信息或补空信息。

 1 void searchPrefix(BTREE T)
 2 {//方式1补空:所有的空指针域用特殊字符替代
 3     if(T!=NULL)
 4     {
 5         printf("%c",T->data);
 6         
 7         searchPrefix(T->lchild);
 8         
 9         searchPrefix(T->rchild);
10     }    else
11     {
12          printf("#");
13     }
14 }
15 
16 void searchPrefix(BTREE T)
17 {//方式2补空:内部节点的空指针域用特殊字符替代
18     if(T!=NULL)
19     { 
20         printf("%c",T->data);
21         
22         searchPrefix(T->lchild);
23         if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->lchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
24         
25         searchPrefix(T->rchild);
26         if((T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL) && (T->rchild==NULL)){   printf("#");   }//内部节点的空孩子用特殊符号代替 
27     }
28 }
29 
30 void searchPrefix(BTREE T)
31 {//打印括号
32     if(T!=NULL)
33     { 
34         if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){   printf("( ");   }
35         printf("%c",T->data);
36         
37         searchPrefix(T->lchild);
38         
39         searchPrefix(T->rchild);
40         if(T->lchild!=NULL || T->rchild!=NULL){  printf(" )");  }
41     }
42 }
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层次遍历:

 1 #define M 100
 2 void searchLayer(BTREE T)
 3 {//广度优先递归遍历,与非递归遍历几乎一样,非递归遍历甚至更方便
 4     static BTREE queue[M],p;
 5     static int front=-1,rear=-1,isInitial=1;
 6     if(T!=NULL)
 7     {
 8         if(isInitial)
 9         {
10             queue[++rear]=T;
11             isInitial=0;
12         }
13         if(front<rear)
14         {
15             p=queue[++front];
16             printf("%c",p->data);
17             if(p->lchild!=NULL)queue[++rear]=p->lchild;
18             if(p->rchild!=NULL)queue[++rear]=p->rchild;
19             searchLayer(T);
20         }
21     }
22 }
23 
24 //也可借助深度遍历来完成,以下是Java版,功能是输出同层的节点
25 /**
26  * Definition for a binary tree node.
27  * public class TreeNode {
28  *     int val;
29  *     TreeNode left;
30  *     TreeNode right;
31  *     TreeNode(int x) { val = x; }
32  * }
33  */
34 public class Solution {
35     public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
36         List<List<Integer>> res=new ArrayList<>();
37         if(root==null)
38         {
39             return res;
40         }
41         helper(0,root,res);
42         return res;
43     }
44     public void helper(int depth,TreeNode node,List<List<Integer>>res)
45     {//通过 前序深度优先遍历 来实现 递归版的广度优先遍历
46         if(node==null) return;
47         if(res.size()==depth)
48         {
49             res.add(new ArrayList<Integer>());
50         }
51         res.get(depth).add(node.val);
52         helper(depth+1,node.left,res);
53         helper(depth+1,node.right,res);
54     }
55 }
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2)、非递归遍历:

前序、中序遍历:

 1 #define M 100
 2 void preOrder(BTREE T) 
 3 {
 4     BTREE stack[M],p=T;
 5     int top=-1;
 6     if(T!=NULL)
 7     {
 8         do
 9         {
10             while(p!=NULL)
11             {
12                 //visit(p);
13                 printf("%c",p->data);
14                 
15                 stack[++top]=p;
16                 p=p->lchild;
17             }
18             p=stack[top--];
19             p=p->rchild;
20         }while(!(p==NULL && top==-1));
21     }
22 }
23 void inOrder(BTREE T) 
24 {
25     BTREE stack[M],p=T;
26     int top=-1;
27     if(T!=NULL)
28     {
29         do
30         {
31             while(p!=NULL)
32             {
33                 stack[++top]=p;
34                 p=p->lchild;
35             }
36             p=stack[top--];
37             
38             //visit(p);
39             printf("%c",p->data);
40             
41             
42             p=p->rchild;
43         }while(!(p==NULL && top==-1));
44     }
45 }
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后序遍历:(此遍历在访问节点时,栈中保存了根节点到当前节点的父节点的所有节点

 1 void postOrder(BTREE T)
 2 {//后序非递归遍历,在访问节点时,栈里保存了根到当前节点的所有节点 
 3     BTREE stack1[M],p=T;
 4     int top=-1,flag,stack2[M];//flag用于标记节点是否能访问 
 5     if(T!=NULL)
 6     {
 7         do
 8         {
 9             while(p!=NULL)//
10             {
11                 stack1[++top]=p;
12                 stack2[top]=0;
13                 p=p->lchild;
14             }
15             p=stack1[top];
16             flag=stack2[top--];
17             if(flag==0)
18             {//不能访问 
19                 stack1[++top]=p;
20                 stack2[top]=1;
21                 p=p->rchild;
22             }
23             else
24             {//能访问 
25                 //visit(p);
26                 printf("%c",p->data);
27                 
28                 p=NULL;//为了跳过① 
29             }
30         }while(!(p==NULL && top==-1));
31     }
32 }
View Code

层次遍历:

 1 void layerOrder(BTREE T)
 2 {
 3     BTREE queue[M],p;
 4     int front=-1,rear=-1;
 5     if(T!=NULL)
 6     {
 7         queue[++rear]=T;
 8         
 9         while(front<rear)
10         {
11             p=queue[++front];
12             
13             //visit(p);
14             printf("%c",p->data);
15             
16             if(p->lchild!=NULL)
17             {
18                 queue[++rear]=p->lchild;
19             }
20             if(p->rchild!=NULL)
21             {
22                 queue[++rear]=p->rchild;
23             }
24         }
25     }
26 }
View Code

层次遍历的应用示例:(1)返回一个数组,各元素依次表示各层的节点列表;(2)各元素依次表示各层的节点平均值(LeetCode-637)。两题解法一样只不过处理返回数据的逻辑有异,可借助深度优先或广度优先的层次遍历完成:

public class Solution {//借助深度优先遍历获取每层的节点列表
    public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
        List<List<Integer>> res=new ArrayList<>();
        if(root==null)
        {
            return res;
        }
        helper(0,root,res);
        return res;
    }
    public void helper(int depth,TreeNode node,List<List<Integer>>res)
    {//通过 前序深度优先遍历 来实现 递归版的广度优先遍历
        if(node==null) return;
        if(res.size()==depth)
        {
            res.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        res.get(depth).add(node.val);
        helper(depth+1,node.left,res);
        helper(depth+1,node.right,res);
    }
}


class Solution {//借助广度优先来获取每层的节点平均值
    public List<Double> averageOfLevels(TreeNode root) {
        List<Double> res=new ArrayList<>();
        Queue<TreeNode> queue=new LinkedList<>();
        if(null!=root){
            queue.add(root);

            long len,sum;
            TreeNode curNode;
            while(queue.size()>0){
                len=queue.size();
                sum=0;
                for(int i=0;i<len;i++){
                    curNode=queue.poll();
                    sum+=curNode.val;
                    if(curNode.left!=null){queue.add(curNode.left);}
                    if(curNode.right!=null){queue.add(curNode.right);}
                }
                res.add(sum*1.0/len);
            }
        }
        return res;
    }
}
借助层次遍历(深度优先、广度优先)实现

2、顺序存储遍历:(输入的是完全二叉树形式的 层次遍历 序列,即除末层外,各层上的空节点都要用特殊字符填充;遍历方式与链式存储的非递归遍历几乎一样,只是这里用数组下标表示父子节点关系,而链式存储中用到是指针)

1)递归遍历:

前序、中序、后序、层次遍历:

 1 //bt为输入序列,补空为完全二叉树形式
 2 void searchPrefixOfArray(char bt[],int n,int i)
 3 {
 4     if(i<n && bt[i]!='#')
 5     {
 6         printf("%c",bt[i]);
 7         searchPrefixOfArray(bt,n,2*i+1);
 8         searchPrefixOfArray(bt,n,2*i+2);
 9     }
10 }
11 void searchInfixOfArray(char bt[],int n,int i)
12 {
13     if(i<n && bt[i]!='#')
14     {
15         searchInfixOfArray(bt,n,2*i+1);
16         printf("%c",bt[i]);
17         searchInfixOfArray(bt,n,2*i+2);
18     }
19 }
20 void searchPostfixOfArray(char bt[],int n,int i)
21 {
22     if(i<n && bt[i]!='#')
23     {
24         searchPostfixOfArray(bt,n,2*i+1);
25         searchPostfixOfArray(bt,n,2*i+2);
26         printf("%c",bt[i]);
27     }
28 }
29 void searchLayerOfArray(char bt[],int n,int i)
30 {
31     while(i<n)
32     {
33         if(bt[i]!='#')
34         {
35             printf("%c",bt[i]);
36         }
37         i++;
38     }    
39 }
View Code

2)非递归遍历:

前序、中序遍历:

 1 void preOrderOfArray(char bt[],int n)
 2 {//输入序列按完全二叉树形式补空 
 3     int stack[M],top=-1,i=0;
 4     if(n>0)
 5     {
 6         do
 7         {
 8             while(i<n && bt[i]!='#')
 9             {
10                 //visio(bt[i]);
11                 printf("%c",bt[i]);
12                 
13                 stack[++top]=i;
14                 i=2*i+1;
15             }
16             i=stack[top--];
17             i=2*i+2;
18         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
19     }
20 }
21 
22 void inOrderOfArray(char bt[],int n)
23 {//输入序列按完全二叉树形式补空
24     int stack[M],top=-1,i=0;
25     if(n>0)
26     {
27         do
28         {
29             while(i<n && bt[i]!='#')
30             {
31                 stack[++top]=i;
32                 i=2*i+1;
33             }
34             i=stack[top--];
35             
36             //visio(bt[i]);
37             printf("%c",bt[i]);
38             
39             i=2*i+2;
40         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
41     }
42 }
View Code

后序遍历:

 1 void postOrderOfArray(char bt[],int n)
 2 {//输入序列按完全二叉树形式补空
 3     int stack1[M],stack2[M],top=-1,i=0,flag;
 4     if(n>0)
 5     {
 6         do
 7         {
 8             while(i<n && bt[i]!='#')
 9             {
10                 stack1[++top]=i;
11                 stack2[top]=0;
12                 i=2*i+1;
13             }
14             i=stack1[top];
15             flag=stack2[top--];
16             
17             if(flag==0)
18             {
19                 stack1[++top]=i;
20                 stack2[top]=1;
21                 i=2*i+2;
22             }
23             else
24             {
25                 //visit(bt[i]);
26                 printf("%c",bt[i]);
27                 
28                 i=n;
29             }
30         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
31     }
32 }
View Code

层次遍历:

 1 void layerOrderOfArray(char bt[],int n)
 2 {//输入序列按完全二叉树形式补空
 3     int queue[M],front=-1,rear=-1,i;
 4     if(n>0)
 5     {
 6         queue[++rear]=0;
 7         while(front<rear)
 8         {
 9             i=queue[++front];
10             
11             //visit(bt[i]);
12             printf("%c",bt[i]);
13             
14             if(2*i+1<n && bt[2*i+1]!='#') queue[++rear]=2*i+1;
15             if(2*i+2<n && bt[2*i+2]!='#') queue[++rear]=2*i+2;
16         }
17     }
18 }
View Code

附:上述遍历的完整代码:

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<malloc.h>
  3 typedef struct node
  4 {
  5     int data;
  6     struct node* lchild;
  7     struct node* rchild;
  8 }BTNode,*BTREE;
  9 
 10 //链式存储递归遍历(深度优先、广度优先) 
 11 void searchPrefix(BTREE T)
 12 {
 13     if(T!=NULL)
 14     { 
 15         printf("%c",T->data);
 16         
 17         searchPrefix(T->lchild);
 18         
 19         searchPrefix(T->rchild);
 20     }
 21 }
 22 void searchInfix(BTREE T)
 23 {
 24     if(T!=NULL)
 25     {
 26         searchInfix(T->lchild);
 27         
 28         printf("%c",T->data);
 29         
 30         searchInfix(T->rchild);
 31     }
 32 }
 33 void searchPostfix(BTREE T)
 34 {
 35     if(T!=NULL)
 36     {
 37         searchPostfix(T->lchild);
 38         
 39         searchPostfix(T->rchild);
 40         
 41         printf("%c",T->data);
 42     }
 43 }
 44 
 45 #define M 100
 46 void searchLayer(BTREE T)
 47 {//广度优先递归遍历,也可借助深度遍历来完成
 48     static BTREE queue[M],p;
 49     static int front=-1,rear=-1,isInitial=1;
 50     if(T!=NULL)
 51     {
 52         if(isInitial)
 53         {
 54             queue[++rear]=T;
 55             isInitial=0;
 56         }
 57         if(front<rear)
 58         {
 59             p=queue[++front];
 60             printf("%c",p->data);
 61             if(p->lchild!=NULL)queue[++rear]=p->lchild;
 62             if(p->rchild!=NULL)queue[++rear]=p->rchild;
 63             searchLayer(T);
 64         }
 65     }
 66 }
 67 
 68 //链式存储非递归遍历(深度优先、广度优先) 
 69 void preOrder(BTREE T) 
 70 {
 71     BTREE stack[M],p=T;
 72     int top=-1;
 73     if(T!=NULL)
 74     {
 75         do
 76         {
 77             while(p!=NULL)
 78             {
 79                 //visit(p);
 80                 printf("%c",p->data);
 81                 
 82                 stack[++top]=p;
 83                 p=p->lchild;
 84             }
 85             p=stack[top--];
 86             p=p->rchild;
 87         }while(!(p==NULL && top==-1));
 88     }
 89 }
 90 void inOrder(BTREE T) 
 91 {
 92     BTREE stack[M],p=T;
 93     int top=-1;
 94     if(T!=NULL)
 95     {
 96         do
 97         {
 98             while(p!=NULL)
 99             {
100                 stack[++top]=p;
101                 p=p->lchild;
102             }
103             p=stack[top--];
104             
105             //visit(p);
106             printf("%c",p->data);
107             
108             
109             p=p->rchild;
110         }while(!(p==NULL && top==-1));
111     }
112 }
113 void postOrder(BTREE T)
114 {//后序非递归遍历,在访问节点时,栈里保存了根到当前节点父节点的所有节点 
115     BTREE stack1[M],p=T;
116     int top=-1,flag,stack2[M];//flag用于标记节点是否能访问 
117     if(T!=NULL)
118     {
119         do
120         {
121             while(p!=NULL)//
122             {
123                 stack1[++top]=p;
124                 stack2[top]=0;
125                 p=p->lchild;
126             }
127             p=stack1[top];
128             flag=stack2[top--];
129             if(flag==0)
130             {//不能访问 
131                 stack1[++top]=p;
132                 stack2[top]=1;
133                 p=p->rchild;
134             }
135             else
136             {//能访问 
137                 //visit(p);
138                 printf("%c",p->data);
139                 
140                 p=NULL;//为了跳过① 
141             }
142         }while(!(p==NULL && top==-1));
143     }
144 }
145 
146 void layerOrder(BTREE T)
147 {
148     BTREE queue[M],p;
149     int front=-1,rear=-1;
150     if(T!=NULL)
151     {
152         queue[++rear]=T;
153         
154         while(front<rear)
155         {
156             p=queue[++front];
157             
158             //visit(p);
159             printf("%c",p->data);
160             
161             if(p->lchild!=NULL)
162             {
163                 queue[++rear]=p->lchild;
164             }
165             if(p->rchild!=NULL)
166             {
167                 queue[++rear]=p->rchild;
168             }
169         }
170     }
171 }
172 
173 //顺序存储递归遍历(深度优先、广度优先) 
174 void searchPrefixOfArray(char bt[],int n,int i)
175 {
176     if(i<n && bt[i]!='#')
177     {
178         printf("%c",bt[i]);
179         searchPrefixOfArray(bt,n,2*i+1);
180         searchPrefixOfArray(bt,n,2*i+2);
181     }
182 }
183 void searchInfixOfArray(char bt[],int n,int i)
184 {
185     if(i<n && bt[i]!='#')
186     {
187         searchInfixOfArray(bt,n,2*i+1);
188         printf("%c",bt[i]);
189         searchInfixOfArray(bt,n,2*i+2);
190     }
191 }
192 void searchPostfixOfArray(char bt[],int n,int i)
193 {
194     if(i<n && bt[i]!='#')
195     {
196         searchPostfixOfArray(bt,n,2*i+1);
197         searchPostfixOfArray(bt,n,2*i+2);
198         printf("%c",bt[i]);
199     }
200 }
201 void searchLayerOfArray(char bt[],int n,int i)
202 {
203     while(i<n)
204     {
205         if(bt[i]!='#')
206         {
207             printf("%c",bt[i]);
208         }
209         i++;
210     }    
211 }
212 
213 //顺序存储非递归遍历(深度优先、广度优先) 
214 void preOrderOfArray(char bt[],int n)
215 {//输入序列按完全二叉树形式补空 
216     int stack[M],top=-1,i=0;
217     if(n>0)
218     {
219         do
220         {
221             while(i<n && bt[i]!='#')
222             {
223                 //visio(bt[i]);
224                 printf("%c",bt[i]);
225                 
226                 stack[++top]=i;
227                 i=2*i+1;
228             }
229             i=stack[top--];
230             i=2*i+2;
231         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
232     }
233 }
234 
235 void inOrderOfArray(char bt[],int n)
236 {//输入序列按完全二叉树形式补空
237     int stack[M],top=-1,i=0;
238     if(n>0)
239     {
240         do
241         {
242             while(i<n && bt[i]!='#')
243             {
244                 stack[++top]=i;
245                 i=2*i+1;
246             }
247             i=stack[top--];
248             
249             //visio(bt[i]);
250             printf("%c",bt[i]);
251             
252             i=2*i+2;
253         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
254     }
255 }
256 
257 void postOrderOfArray(char bt[],int n)
258 {//输入序列按完全二叉树形式补空
259     int stack1[M],stack2[M],top=-1,i=0,flag;
260     if(n>0)
261     {
262         do
263         {
264             while(i<n && bt[i]!='#')
265             {
266                 stack1[++top]=i;
267                 stack2[top]=0;
268                 i=2*i+1;
269             }
270             i=stack1[top];
271             flag=stack2[top--];
272             
273             if(flag==0)
274             {
275                 stack1[++top]=i;
276                 stack2[top]=1;
277                 i=2*i+2;
278             }
279             else
280             {
281                 //visit(bt[i]);
282                 printf("%c",bt[i]);
283                 
284                 i=n;
285             }
286         }while(!((i>=n || bt[i]=='#') && top==-1));
287     }
288 }
289 
290 void layerOrderOfArray(char bt[],int n)
291 {//输入序列按完全二叉树形式补空
292     int queue[M],front=-1,rear=-1,i;
293     if(n>0)
294     {
295         queue[++rear]=0;
296         while(front<rear)
297         {
298             i=queue[++front];
299             
300             //visit(bt[i]);
301             printf("%c",bt[i]);
302             
303             if(2*i+1<n && bt[2*i+1]!='#') queue[++rear]=2*i+1;
304             if(2*i+2<n && bt[2*i+2]!='#') queue[++rear]=2*i+2;
305         }
306     }
307 }
308 
309 
310 //构建 
311 char nextToken(char str[]) //读取下一字符,略过空格 
312 {
313     static int pos=0;
314     while(str[pos]!='\0' && str[pos]==' '){ pos++; }
315     return str[pos++];
316 }
317 
318 
319 void createPreOrder(char prefixStr[],BTREE *T)
320 {//输入序列为 全补空、不带括号 的序列 
321     char x=nextToken(prefixStr);
322     if(x=='#')
323     {
324         *T=NULL;
325     }
326     else
327     {
328         *T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
329         (*T)->data=x;
330         createPreOrder(prefixStr,&((*T)->lchild));
331         createPreOrder(prefixStr,&((*T)->rchild));
332     }
333 }
334 
335 int main()
336 {
337     
338     //1、链式存储遍历 
339     BTREE T=NULL;
340     //char str[]="*+A##/-B##C##D##E##";
341     char str[]="AB D## E G# H### C F## #";
342     createPreOrder(str,&T);
343     
344     //1.1、链式存储递归遍历
345     printf("链式存储递归遍历:\n"); 
346     searchPrefix(T);
347     printf("\n");
348 
349     searchInfix(T);
350     printf("\n");
351     
352     searchPostfix(T);
353     printf("\n");
354     
355     searchLayer(T);
356     printf("\n");
357     
358     //1.2、链式存储非递归遍历
359     printf("\n链式存储非递归遍历:\n");
360     preOrder(T);
361     printf("\n");
362 
363     inOrder(T);
364     printf("\n");
365     
366     postOrder(T);
367     printf("\n"); 
368     
369     layerOrder(T);
370     printf("\n"); 
371     
372     //2、顺序存储遍历 
373     char input[]="abcd#f#####e";
374     int n=sizeof(input)-1;
375     
376     //2.1、顺序存储递归遍历
377     printf("\n顺序存储递归遍历:%d\n",n);
378     searchPrefixOfArray(input,n,0);
379     printf("\n");
380     
381     searchInfixOfArray(input,n,0);
382     printf("\n");
383     
384     searchPostfixOfArray(input,n,0);
385     printf("\n");
386     
387     searchLayerOfArray(input,n,0);
388     printf("\n");
389     
390     //2.2、顺序存储非递归遍历
391     printf("\n顺序存储非递归遍历:%d\n",n);
392     preOrderOfArray(input,n);
393     printf("\n");
394 
395     inOrderOfArray(input,n);
396     printf("\n");
397     
398     postOrderOfArray(input,n);
399     printf("\n"); 
400     
401     layerOrderOfArray(input,n);
402     printf("\n"); 
403     
404     return 0;
405 }
tree traverse.c

注:上面的BFS不够通用,实际上二叉树的BFS -> 一般树的BFS -> 图的BFS 本质上是一样的,其算法框架及类比强烈推荐可参阅labuladong-BFS算法框架。通用的算法框架伪代码摘录如下:

//BFS算法框架
// 计算从起点 start 到终点 target 的最近距离
int BFS(Node start, Node target) {
    Queue<Node> q; // 核心数据结构
    Set<Node> visited; // 避免走回头路
    
    q.offer(start); // 将起点加入队列
    visited.add(start);
    int step = 0; // 记录扩散的步数

    while (q not empty) {
        int sz = q.size();
        /* 将当前队列中的所有节点向四周扩散 */
        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            Node cur = q.poll();
            //visited.add(cur);//也可将visit操作放这,另两处就不用了,这样更简洁

            /* 划重点:这里判断是否到达终点 */
            if (cur is target)
                return step;

            /* 将 cur 的相邻节点加入队列 */
            for (Node x : cur.adj()) {
                if (x not in visited) {
                    q.offer(x);
                    visited.add(x);
                }
            }
        }
        /* 划重点:更新步数在这里 */
        step++;
    }
}
BFS算法框架
//BFS 通过while加深深度、通过for访问同层元素。可借之求解最大深度,最小深度呀,层序遍历结果等问题。


//二叉树、多叉树、图的BFS,原理本质上一样,基于上述BFS框架稍加修改即可


// 二叉树层次遍历:输入一棵二叉树的根节点,层序遍历这棵二叉树
void levelTraverse(TreeNode root) {
    if (root == null) return 0;
    Queue<TreeNode> q = new LinkedList<>();
    q.offer(root);

    int depth = 1;
    // 从上到下遍历二叉树的每一层
    while (!q.isEmpty()) {
        int sz = q.size();
        // 从左到右遍历每一层的每个节点
        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            TreeNode cur = q.poll();
            printf("节点 %s 在第 %s 层", cur, depth);

            // 将下一层节点放入队列
            if (cur.left != null) {
                q.offer(cur.left);
            }
            if (cur.right != null) {
                q.offer(cur.right);
            }
        }
        depth++;
    }
}

// 多叉树的层次遍历:输入一棵多叉树的根节点,层序遍历这棵多叉树
void levelTraverse(TreeNode root) {
    if (root == null) return;
    Queue<TreeNode> q = new LinkedList<>();
    q.offer(root);

    int depth = 1;
    // 从上到下遍历多叉树的每一层
    while (!q.isEmpty()) {
        int sz = q.size();
        // 从左到右遍历每一层的每个节点
        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            TreeNode cur = q.poll();
            printf("节点 %s 在第 %s 层", cur, depth);

            // 将下一层节点放入队列
            for (TreeNode child : cur.children) {
                q.offer(child);
            }
        }
        depth++;
    }
}

// 图的层次遍历:输入起点,进行 BFS 搜索
int BFS(Node start) {
    Queue<Node> q; // 核心数据结构
    Set<Node> visited; // 避免走回头路
    
    q.offer(start); // 将起点加入队列
    visited.add(start);

    int step = 0; // 记录搜索的步数
    while (q not empty) {
        int sz = q.size();
        /* 将当前队列中的所有节点向四周扩散一步 */
        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            Node cur = q.poll();
            //visited.add(cur) //也可以将visit操作放这,另两处就不用了,这样更简洁
            printf("从 %s 到 %s 的最短距离是 %s", start, cur, step);

            /* 将 cur 的相邻节点加入队列 */
            for (Node x : cur.adj()) {
                if (x not in visited) {
                    q.offer(x);
                    visited.add(x);
                }
            }
        }
        step++;
    }
}
二叉树、多叉树、图的BFS算法框架

二叉树、多叉树、图的BFS,原理本质上一样,通过while加深深度、通过for访问同层元素。可借之求解最大深度,最小深度,层序遍历结果等问题。算法中的for循环用于知道元素在第几层,若题目无该需求则也可不要该循环从而更简洁。

前序位置的代码只能从函数参数中获取父节点传递来的数据,而后序位置的代码不仅可以获取参数数据、还可以获取到子树通过函数返回值传递回来的数据。故一旦你发现题目和子树有关,那大概率要给函数设置合理的定义和返回值,在后序位置写代码了

写树相关的算法,简单说就是,先搞清楚对当前 root 节点「该做什么」(涉及到函数返回值的含义定义)以及「什么时候做」(在前中后序三者的哪个位置做),然后根据函数定义递归调用子节点,递归调用会让孩子节点做相同的事情。

递归算法的关键要明确函数的定义,相信这个定义,而不要跳进递归细节。

 

销毁

  通过遍历来销毁:后序递归遍历;后序非递归遍历(此时栈中保存了当前节点的双亲节点到根节点的所有节点)

特殊二叉树

1、理想平衡二叉树(只有最后一层可能不满)

满二叉树(是理想平衡二叉树,且各层都满)

完全二叉树(是理想平衡二叉树,且最后一层节点依次从左填到右)

2、正则(正规)二叉树:只有度为0或2的节点的二叉树 

3、线索二叉树:将二叉树的空指针域用来存储直接前驱、直接后继节点(称为线索)的二叉树,这样遍历就不需要用栈了

通过遍历二叉树进行二叉树的线索化,根据遍历方法的不同分为前序线索二叉树、中序线索二叉树、后序线索二叉树。

前序线索二叉树中不能找到某些节点的直接前驱节点、后序线索二叉树不能找到某些节点的直接后继节点,因此通常用中序线索二叉树。

4、哈夫曼树(最优二叉树):带权路径长度WPL最小的二叉树。

WPL=Σ(叶节点权值×路径长度)= 非根节点的权值和 = 非叶节点的权值和

根节点权值 与 叶节点权值和 相等

没有度为1的节点(即哈夫曼树是正则二叉树)、给定权值序列构造的哈夫曼树不唯一但WPL相同。

5、二叉查找树(亦称二叉排序树、二叉搜索树)BST:每个节点的左子树的所有节点的值小于该节点值,右子树的所有节点值小于该节点值的二叉树。

查找长度:

内部节点、外部节点、平均查找长度ASL(成功时ASL1、失败时ASL2、综合)、内路径长度IPL、外路径长度EPL。EPL=IPL+2n,

某个节点查找成功时比较次数=所在层数=路径+1,故所有节点查找成功的比较次数=IPL+n;某个值查找失败的比较次数=最后一次比较的叶节点的层=外部节点的外路径长度,故所有节点查找失败的比较次数为EPL

ASL1=(IPL+n)/n,ASL2=EPL/(n+1)

ASL=(IPL+n+EPL)/(n+n+1)=(3n+IPL)/(2n+1),当IPL最小时平均查找长度最小。

种数:对包含n个数的有序序列,其BST树有卡特兰数种。

二叉查找树的中序遍历得到升序序列,判断二叉树是否是二叉查找树可以看中序遍历序列是否升序来判定(递归、非递归均可),当然,还有其他更好的方法。

1)二叉查找树创建(递归、非递归):(只给定BST的前序序列即可构建出BST,依次从前往后插入每个元素即可;只给定后序序列时类似,只不过是从后完全插入

 1 void insertBinarySearchTree_nonrecursive(BTREE &T,char item)
 2 {
 3     BTREE p,q;
 4     p=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
 5     p->data=item;
 6     p->lchild=NULL;
 7     p->rchild=NULL;
 8     if(T==NULL) T=p;
 9     else
10     {
11         q=T;
12         while(1)
13         {
14             if(item < q->data)
15             {
16                 if(q->lchild!=NULL) q=q->lchild;
17                 else
18                 {
19                     q->lchild=p;
20                     break;
21                 }
22             }
23             else
24             {
25                 if(q->rchild!=NULL) q=q->rchild;
26                 else
27                 {
28                     q->rchild=p;
29                     break;
30                 }
31             }
32         }
33     }
34 }
35 void insertBinarySearchTree_recursive(BTREE &T,char item)
36 {
37     if(T==NULL)
38     {
39         T=(BTREE)malloc(sizeof(BTNode));
40         T->data=item;
41         T->lchild=NULL;
42         T->rchild=NULL;    
43     }
44     else if(item< T->data)
45     {
46         insertBinarySearchTree_recursive(T->lchild,item);
47     }
48     else
49     {
50         insertBinarySearchTree_recursive(T->rchild,item);
51     }
52 }
53 void createBinarySearchTree(BTREE &T,char input[],int n)
54 {
55     int i;
56     for(i=0;i<n;i++)
57     {
58 //        insertBinarySearchTree_nonrecursive(T,input[i]);
59         insertBinarySearchTree_recursive(T,input[i]);
60     }
61 }
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2)二叉查找树查找节点(递归、非递归):

 1 BTREE searchBinarySearchTree_nonrecursive(BTREE T,char item)
 2 {
 3     BTREE p=T;
 4     while(p!=NULL)
 5     {
 6         if(p->data==item)
 7             return p;
 8         else if(p->data<item)
 9             p=p->lchild;
10         else
11             p=p->rchild;
12     }
13     return p;
14 }
15 
16 BTREE searchBinarySearchTree_recursive(BTREE T,char item)
17 {
18     if(T==NULL || T->data==item)
19         return T;
20     else if(T->data < item)
21         searchBinarySearchTree_recursive(T->lchild,item);
22     else
23         searchBinarySearchTree_recursive(T->rchild,item);
24 }
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3)二叉查找树删除节点(删除后维护BST的性质,BST形状可能不唯一):相关:LeetCode450

先找到节点,若找到,则进行删除操作:

a、若是叶子节点则直接删除;

b、否则,若左孩子空、右孩子非空,则删掉后用右孩子代替之;

c、否则,若左孩子非空、右孩子空,则删掉后用左孩子替代之;

d、否则,值用右子树的最小节点(即右子树的最左节点)的值代替之,并维护右子树即:对该最左节点进行a或b操作。当然,也可以用左子树的最大节点(即左子树的最右节点)的值代替之并对该最右节点进行a或c操作。

递归法:

 1 void deleteBSTNode(BTREE &T,char key)
 2 {//删除二叉查找树中的一个节点。也可以借助后序非递归遍历来实现 ,此时栈顶元素存在的话为当前节点的父节点 
 3     if(T==NULL)return;
 4     else if(key<T->data)deleteBSTNode(T->lchild,key);
 5     else if(key>T->data)deleteBSTNode(T->rchild,key);
 6     else
 7     {
 8         if(T->lchild==NULL)
 9         {
10             BTREE tmp=T;
11             T=T->rchild;
12             free(tmp); 
13         } 
14         else if(T->rchild==NULL)
15         {
16             BTREE tmp=T;
17             T=T->lchild;
18             free(tmp) ;
19         } 
20         else
21         {
22             //找右子树的最小节点(最左边)的值替换被删节点的值
23             BTREE p=T->rchild;
24             while(p->lchild!=NULL)
25             {
26                 p=p->lchild;
27             }
28             T->data=p->data;
29             deleteBSTNode(T->rchild,p->data);
30             
31             //也可以找左子树最右的值
32 //            BTREE p=T->lchild;
33 //            while(p->rchild!=NULL)
34 //            {
35 //                p=p->rchild;
36 //            }
37 //            T->data=p->data;
38 //            deleteBSTNode(T->lchild,p->data);
39         }
40     }
41 }
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非递归法:(用后序非递归遍历,比较麻烦)

4)验证是否是二叉查找树:二叉查找树的中序遍历得到升序序列,判断二叉树是否是二叉查找树可以看中序遍历序列是否升序来判定(递归、非递归均可),当然,还有其他更好的方法,查看相关--LeetCode98

 1 /**
 2  * Definition for a binary tree node.
 3  * public class TreeNode {
 4  *     int val;
 5  *     TreeNode left;
 6  *     TreeNode right;
 7  *     TreeNode(int x) { val = x; }
 8  * }
 9  */
10 public class Solution {//通过中序遍历。是BST 等价于 中序遍历序列是升序
11     public boolean isValidBST(TreeNode root) {
12         inOrder(root);
13         return isValid;
14     }
15     private TreeNode lastVisited=null;
16     private boolean isValid=true;
17     private void inOrder(TreeNode root)
18     {//中序遍历,如果遇到上次访问节点值比当前根节点大,则invalid并结束
19         if(root!=null)
20         {
21             inOrder(root.left);
22             
23             if(lastVisited!=null)
24             {
25                 if(lastVisited.val>=root.val)
26                 {
27                     isValid=false;
28                 }
29             }
30             lastVisited=root;
31             
32             inOrder(root.right);
33         }
34     }
35 }
36 
37 public class Solution {
38     public boolean isValidBST(TreeNode root) {
39         return isBST(root, Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE); 
40     }
41     
42     private boolean isBST(TreeNode root, long min, long max) {//通过前序遍历
43         
44         if(root == null) {
45             return true;
46         }
47         
48         // check the node's restriction
49         if(!(root.val > min && root.val < max)) {
50             return false;
51         }
52         
53         // check left
54         boolean l = isBST(root.left, min, root.val);
55         boolean r = isBST(root.right, root.val, max);
56         
57         return (l == true && r == true);
58     }
59 }
View Code

最优二叉查找树:给定一个有序序列{xi},i∈[1,n],再给定查找每个序列值的概率bi以及查找值不存在时落入区间(xi, xi+1),i∈[0,n]的概率ai,所有的ai、bi总和为1。如何构建二叉搜索树使平均查找路径最短?——动态规划(与求矩阵连乘的最少乘法次数很像)

二叉查找树的平衡:普通的二叉查找树虽然平均时间复杂度为O(lgn),但最坏情况下退化为线性链表此时时间复杂度为O(n),因此实际应用中不实用。通常考虑平衡性,如:

5.1、平衡二叉树(亦称平衡二叉查找树AVL树):每个节点的左右子树深度最多差1的二叉查找树

注意,平衡二叉树最早是为了改进二叉排序树的性能而考虑平衡性进而提出来的——即AVL树(当然,其平衡性没有理想平衡二叉树要求那么严,否则维护成本太高),所以一般说到平衡二叉树指的是平衡的二叉排序树

最小平衡二叉树:节点数最少时的平衡二叉树,此时每个分支节点的左右子树深度都恰好相差1。设高为h的最小平衡二叉树的节点总数为F(h),则F(h)=左子树节点总数+右子树节点总数+1,即F(h)=F(h-1)+F(h-2)+1,F(1)=1、F(2)=2

5.2、红黑树:是另一种考虑了平衡性了的二叉查找树(平衡性比平衡二叉树弱以减少增删节点时所需的维护平衡性的开销)。(可参阅: 红黑树原理和算法红黑树讲解

性质:

1、每个节点为红色或黑色;

2、根节点为黑色;

3、叶节点为黑色(此叶节点指为空NULL的叶节点);

4、红色节点的子节点一定是黑色;

5、一个节点到它每个同层子孙节点的路径上黑色节点数相同(此条保证了没有一条路径会比其他路径长2倍,故红黑树是相对平衡的BST)。

含有n个节点的红黑树高度最多为 2*ceil( log2(n+1) ),即高为h的红黑树其节点数至少有2h/2-1个,因此最坏时间复杂度为O(lgn)。

复杂度:插入、删除、查找的平均和最坏时间复杂度为O(lgn),效率高。插入、删除节点可能会破坏上述性质,因此需要进行左旋或右旋转操作以维护性质。由于红黑树平衡性要求没有平衡二叉树那么高,因此插入或删除节点的维护代价比后者低。

应用:主要用来存储有序数据,如Java中的TreeMap、TreeSet,C++中STL中的map、set,Linux中的内存管理等就用了红黑树实现。

5.3、B、B+树:它们不是二叉树查找树,但由二叉查找树扩展而来,是多叉平衡查找树。详情可参阅:https://segmentfault.com/a/1190000020416577

二叉搜索树效率高,但数据很多时树高会很大从而导致IO太多(一层一次IO)。为了减少IO(即减少树高),可增加节点中关键字数量变成多叉树,就产生了B、B+树。

m阶B树特点:

数量关系:节点的子节点最多m个;非根内部节点中的关键字个数∈[m/2, m-1](根节点的则∈[1, m-1])。

关键字关系:节点内关键字按升序排列,各关键字的左子树的所有关键字都小于该关键字、右子树的所有关键字都大于该关键字。

存储内容:所有节点中都存索引、与索引对应的数据。

生成方式:所有叶子节点在同一层,树是自底向上构建的(这点与二叉搜索树不同),在插入(删除)关键字后若不满足数量关系则需进行节点分裂(合并)。

m阶B+树的特点:与B树很像,不同之处在于:

关键字关系:各关键字右子树的所有关键字大于等于该关键字,而不是B树的大于。故该关键字与右子树第一个关键字值一样。

存储内容:内部节点相当于路标只存索引不存数据,所有数据存储在叶子节点。故同样大小的节点,B+树比B树可存更多的关键字,从而存储效率更高;且查询时需要访问的节点数是固定的,而B树不是,故前者更稳定。

范围访问:叶子节点间从小到大有序排列且用双向链表连接,形成双向有序链表,故B+树除了B树的 random access 外还支持范围访问。

故B+树相比于B树优势有三:IO更少、访问更稳定、范围访问。

注:IO中节点大小通常固定为PageCace页大小4KB,这样访问一个节点仅需要一次IO。故索引列数据类型应该尽可能小,这样m就可以越大,进而树高就越小,从而IO次数更少。MySQL InnoDB存储引擎中通常树高不超过3。

笔者基于内存的B+树实现:

   1 package buaa.act.ucar.imtg.index.node.temporal;
   2 
   3 import java.util.ArrayList;
   4 import java.util.List;
   5 
   6 import buaa.act.ucar.util.config.ConfigFileParser;
   7 
   8 /**
   9  * The implementation of B+-Tree based on the implementation in reference <a>http://en.wikipedia.org/wiki/B%2B_tree</a><br>
  10  * <br>
  11  * 一个节点的某个key>左孩子节点内所有的key且≤右孩子节点内所有的key。等号只有对于叶节点的父节点成立,也即B+tree的内部节点的key都不同。 <br>
  12  * <br>
  13  * 若插入后节点的键的数量超出上阈值1时即进行分裂,一个节点分裂成两个后,对于叶节点来说后节点的第一个元素的键作为新键复制到父节点、对于内部节点来说后节点的第一个元素的键移到父节点。<br>
  14  * 删除时若有节点合并则合并过程与上述过程相反。<br>
  15  * <br>
  16  * <br>
  17  * note: 启用插入借位(或称旋转)能减少内存占用。然而:<br>
  18  * 对于随机写入来说,不采用插入借位会提高查询性能,因为每个节点的数据量少了,能减少比较;<br>
  19  * 对于升序插入来说,启用插入借位总是能提高插入、查询、删除性能,对于升序输入来说,采用size-1:1的分裂方法能进一步提高性能。
  20  * 
  21  * 
  22  * @author zsm
  23  *
  24  * @param <K>
  25  * @param <V>
  26  */
  27 public class BPlusTree<K extends Comparable<K>, V> {
  28 
  29     /**
  30      * 树的分支<br>
  31      * a) 非根内部节点的孩子数: [ Math.ceil(factor/2), factor ]<br/>
  32      * b) 叶子节点的孩子数: [ Math.ceil(factor/2)-1, factor-1 ]
  33      */
  34     private int factor;
  35 
  36     private static final int DEFAULT_FACTOR = 5;
  37 
  38     private int MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL;
  39     private int MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL;
  40     private int MIN_CHILDREN_FOR_LEAF;
  41     private int MAX_CHILDREN_FOR_LEAF;
  42 
  43     // 给插入时用
  44     private Object[] tmpNewKeys;
  45     private Node[] tmpNewPointers;
  46     private Object[] tmpNewValues;
  47 
  48     private Node<K, V> root;
  49 
  50     /** 叶节点数据记录总数 */
  51     private int dataCount;
  52 
  53     /**
  54      * 待存数据是否有序存入 ,决定了节点的分裂方案:<br>
  55      * ASCENDING:分裂后新节点存一个元素 <br>
  56      * DESCENDING:分裂后原节点存一个元素<br>
  57      * RANDOM:对半分
  58      */
  59     public enum InputDataOrder {
  60         ASCENDING, DESCENDING, RANDOM
  61     }
  62 
  63     private InputDataOrder inputDataOrder;
  64 
  65     public BPlusTree(InputDataOrder inputDataOrder) {
  66         this(DEFAULT_FACTOR, inputDataOrder);
  67     }
  68 
  69     public BPlusTree(int factor, InputDataOrder inputDataOrder) {
  70         if (factor < 3) {
  71             System.out.print("order must be greater than 2");
  72             System.exit(0);
  73         }
  74 
  75         // System.out.println("factor for tree:" + factor);
  76         this.inputDataOrder = inputDataOrder;
  77 
  78         this.factor = factor;
  79 
  80         this.MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL = (this.factor + 1) / 2;
  81         this.MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL = this.factor;
  82         this.MIN_CHILDREN_FOR_LEAF = this.MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1;
  83         this.MAX_CHILDREN_FOR_LEAF = this.MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1;
  84 
  85         // 比允许的最大值多1
  86         tmpNewKeys = new Object[MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL];
  87         tmpNewPointers = new Node[MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL + 1];
  88         tmpNewValues = new Object[MAX_CHILDREN_FOR_LEAF + 1];
  89 
  90         this.root = new LeafNode<K, V>();
  91         this.dataCount = 0;
  92     }
  93 
  94     /**
  95      * 根据给定的key获取对应的值
  96      */
  97     public V get(K key) {
  98         return this.root.get(key);
  99     }
 100 
 101     /**
 102      * 获取指定key范围内的值
 103      */
 104     public ArrayList<V> get(K keyStart, K keyEnd) {
 105         if (keyStart.compareTo(keyEnd) > 0) {
 106             return null;
 107         }
 108         LeafNode<K, V> leafNodeStart, leafNodeEnd;
 109         if (root instanceof LeafNode) {// 说明整个树只有一个节点
 110             leafNodeStart = leafNodeEnd = (LeafNode<K, V>) root;
 111         } else {
 112             leafNodeStart = ((InternalNode<K, V>) root).getLeafNodeByKey(keyStart);
 113             leafNodeEnd = ((InternalNode<K, V>) root).getLeafNodeByKey(keyEnd);
 114         }
 115 
 116         // 获取结果
 117         ArrayList<V> res = new ArrayList<>();
 118         int nodeSize;
 119         K tmpK;
 120         do {
 121             nodeSize = leafNodeStart.size;
 122             for (int i = 0; i < nodeSize; i++) {
 123                 tmpK = (K) leafNodeStart.keys[i];
 124                 if (keyStart.compareTo(tmpK) <= 0 && tmpK.compareTo(keyEnd) <= 0) {
 125                     res.add((V) leafNodeStart.values[i]);
 126                 }
 127             }
 128             leafNodeStart = (LeafNode<K, V>) leafNodeStart.next;
 129         } while (leafNodeStart != leafNodeEnd.next);
 130         return res;
 131     }
 132 
 133     /**
 134      * 获取指定oid在指定key范围内的值,此方法在B+tree key 为gpstime#oid组合的String类型时 才适用
 135      */
 136     public ArrayList<V> get(String oid, K keyStart, K keyEnd) {
 137         if (keyStart.compareTo(keyEnd) > 0) {
 138             return null;
 139         }
 140         LeafNode<K, V> leafNodeStart, leafNodeEnd;
 141         if (root instanceof LeafNode) {// 说明整个树只有一个节点
 142             leafNodeStart = leafNodeEnd = (LeafNode<K, V>) root;
 143         } else {
 144             leafNodeStart = ((InternalNode<K, V>) root).getLeafNodeByKey(keyStart);
 145             leafNodeEnd = ((InternalNode<K, V>) root).getLeafNodeByKey(keyEnd);
 146         }
 147 
 148         // 获取结果
 149         ArrayList<V> res = new ArrayList<>();
 150         int nodeSize;
 151         K tmpK;
 152         String tmpOid;
 153         do {
 154             nodeSize = leafNodeStart.size;
 155             for (int i = 0; i < nodeSize; i++) {
 156                 tmpK = (K) leafNodeStart.keys[i];
 157                 tmpOid = tmpK.toString();
 158                 // System.out.println("_" + tmpOid);
 159                 tmpOid = tmpOid.substring(tmpOid.indexOf(ConfigFileParser.bplustree_TagForDivdingGpstimeDevsn) + 1);// 获取oid
 160                 if (tmpOid.equals(oid) && keyStart.compareTo(tmpK) <= 0 && tmpK.compareTo(keyEnd) <= 0) {
 161                     res.add((V) leafNodeStart.values[i]);
 162                 }
 163             }
 164             leafNodeStart = (LeafNode<K, V>) leafNodeStart.next;
 165         } while (leafNodeStart != leafNodeEnd.next);
 166         return res;
 167     }
 168 
 169     /**
 170      * 插入键值对,若键已存在,则更新值
 171      */
 172     public void set(K key, V value) {
 173         if (key == null)
 174             throw new NullPointerException("key must not be null.");
 175 
 176         Node<K, V> node = this.root.insert(key, value);
 177         if (node != null)
 178             this.root = node;
 179     }
 180 
 181     /**
 182      * 删除给定的key对应的值
 183      */
 184     public void remove(K key) {
 185         // TODO Auto-generated method stub
 186         Node node = this.root.remove(key);
 187         if (node != null) {
 188             this.root = node;
 189         }
 190     }
 191 
 192     /** 获取树的根节点 */
 193     public Node<K, V> getRoot() {
 194         return this.root;
 195     }
 196 
 197     /** 获取最左边的叶节点 */
 198     public LeafNode<K, V> getLeftestLeafNode() {
 199         Node<K, V> node = this.root;
 200         while (!(node instanceof LeafNode)) {
 201             node = ((InternalNode<K, V>) node).pointers[0];
 202         }
 203         return (LeafNode<K, V>) node;
 204     }
 205 
 206     /** 获取树中数据记录总数 */
 207     public int getDataCount() {
 208         return this.dataCount;
 209     }
 210 
 211     /**
 212      * 获取所有value
 213      */
 214     public List<V> getAllValues() {
 215         List<V> res = new ArrayList<>(this.dataCount);
 216         LeafNode<K, V> leafNode = getLeftestLeafNode();
 217         while (leafNode != null) {
 218             for (int i = 0; i < leafNode.size; i++) {
 219                 res.add((V) leafNode.values[i]);
 220             }
 221             leafNode = (LeafNode<K, V>) leafNode.next;
 222         }
 223         return res;
 224     }
 225 
 226     /** 获取树的高度,最少为1 */
 227     public int getHeight() {
 228         int height = 1;
 229         Node<K, V> node = this.root;
 230         while (!(node instanceof LeafNode)) {
 231             node = ((InternalNode<K, V>) node).pointers[0];
 232             height++;
 233         }
 234         return height;
 235     }
 236 
 237     /** 打印树结构 */
 238     public void printTree() {
 239         this.printTreeFrom(this.root);
 240     }
 241 
 242     private void printTreeFrom(Node<K, V> startRoot) {
 243         System.out.println("print tree:");
 244         Node<K, V> curNode = null;
 245         do {
 246             curNode = startRoot;
 247             while (curNode != null) {
 248                 // System.out.print("|");
 249                 // for (int i = 0; i < curNode.size; i++) {
 250                 // System.out.print(curNode.keys[i]);
 251                 // if (i != curNode.size - 1) {
 252                 // System.out.print(",");
 253                 // }
 254                 // }
 255                 // System.out.print("| ");
 256                 System.out.print(curNode);
 257                 curNode = curNode.next;
 258             }
 259             if (startRoot instanceof InternalNode) {
 260                 startRoot = ((InternalNode) startRoot).pointers[0];
 261             } else {
 262                 startRoot = null;
 263             }
 264             System.out.println();
 265         } while (startRoot != null);
 266     }
 267 
 268     /**
 269      * the abstract node definition, define the operation of leaf node and internal node.
 270      *
 271      * @param <K>
 272      * @param <V>
 273      */
 274     abstract class Node<K extends Comparable<K>, V> {
 275 
 276         protected Node<K, V> parent;
 277 
 278         protected Node<K, V> previous, next;
 279 
 280         protected Object[] keys;
 281 
 282         /**
 283          * 节点中key的个数
 284          */
 285         protected int size;
 286 
 287         protected abstract V get(K key);
 288 
 289         /**
 290          * if new parent node is created when insert the key-value, the created parent node is returned, otherwise, this method return null.<br>
 291          * 若已存在该key则更新值,结束。<br>
 292          * 否则找到应该插入的位置。若插入后不会使得当前节点空间上溢则结束;若会上溢则依次看左右相邻<b>兄弟节点</b>是否有空间,有则移一个元素到该兄弟节点并进行必要调整(此操作也称旋转或借位);否则当前节点分裂。内部节点的借位和分裂操作与叶子节点的操作不太一样。
 293          * 
 294          * @param key
 295          * @param value
 296          * @return
 297          */
 298         protected abstract Node<K, V> insert(K key, V value);
 299 
 300         /**
 301          * if root is removed, the new root is returned, otherwise, this method return null.<br>
 302          * 先删除,然后判断:<br>
 303          * 若当前节点是根节点则结束;否则若当前节点的空间未下溢则结束;否则依次看左右相邻<b>兄弟节点</b>是否元素个数大于最小值,若是则借一个元素到当前节点(称旋转或借位),否则依次看与左兄弟节点还是右兄弟节点合并。内部节点的借位和合并操作与叶子节点的操作不太一样。 <br>
 304          * 可以改进:节点合并时存起该丢弃的节点,在节点分裂时不用new新节点而是复用该节点,以节省空间。
 305          * 
 306          * @param key
 307          * @param value
 308          * @return
 309          */
 310         protected abstract Node<K, V> remove(K key);
 311 
 312         @Override
 313         public String toString() {
 314             StringBuilder nodeKeyInfo = new StringBuilder();
 315             nodeKeyInfo.append("|");
 316             for (int i = 0; i < this.size; i++) {
 317                 nodeKeyInfo.append(this.keys[i]);
 318                 if (i != this.size - 1) {
 319                     nodeKeyInfo.append(",");
 320                 }
 321             }
 322             nodeKeyInfo.append("| ");
 323             return nodeKeyInfo.toString();
 324         }
 325     }
 326 
 327     /**
 328      * the internal node which manages the pointers.
 329      * 
 330      * @param <K>
 331      * @param <V>
 332      */
 333     final class InternalNode<K extends Comparable<K>, V> extends Node<K, V> {
 334         private Node<K, V>[] pointers;
 335 
 336         public InternalNode() {
 337             this.size = 0;
 338             this.pointers = new Node[MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL];
 339             this.keys = new Object[MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1];
 340             this.parent = null;
 341 
 342             this.previous = null;
 343             this.next = null;
 344         }
 345 
 346         @Override
 347         protected V get(K key) {
 348             // int i = 0;
 349             // for (; i < this.size; i++) {
 350             // if (key.compareTo((K) this.keys[i]) < 0)
 351             // break;
 352             // }
 353             // return this.pointers[i].get(key);
 354             LeafNode<K, V> tmpNode = getLeafNodeByKey(key);
 355             if (tmpNode == null) {
 356                 return null;
 357             } else {
 358                 return tmpNode.get(key);
 359             }
 360         }
 361 
 362         @Override
 363         protected Node<K, V> insert(K key, V value) {
 364             // int i = 0;
 365             // for (; i < this.size; i++) {
 366             // if (key.compareTo((K) this.keys[i]) < 0)
 367             // break;
 368             // }
 369             // return this.pointers[i].insert(key, value);
 370             LeafNode<K, V> tmpNode = getLeafNodeByKey(key);
 371             if (tmpNode == null) {
 372                 return null;
 373             } else {
 374                 return tmpNode.insert(key, value);
 375             }
 376         }
 377 
 378         @Override
 379         protected Node<K, V> remove(K key) {
 380             // TODO Auto-generated method stub
 381             LeafNode<K, V> tmpNode = getLeafNodeByKey(key);
 382             if (tmpNode == null) {
 383                 return null;
 384             } else {
 385                 return tmpNode.remove(key);
 386             }
 387         }
 388 
 389         /**
 390          * 根据给定的key获取应在的LeafNode,即使该LeafNode没有该key
 391          */
 392         public LeafNode<K, V> getLeafNodeByKey(K key) {
 393             Node<K, V> tmpNode = this;
 394             int i;
 395             do {
 396                 for (i = 0; i < tmpNode.size; i++) {
 397                     if (key.compareTo((K) tmpNode.keys[i]) < 0)
 398                         break;
 399                 }
 400                 tmpNode = ((InternalNode<K, V>) tmpNode).pointers[i];
 401             } while (tmpNode instanceof InternalNode);
 402             return (LeafNode<K, V>) tmpNode;
 403         }
 404 
 405         /**
 406          * 在当前节点中插入指定的key及其相应左右孩子树。设key应当在当前节点的关键字a、b间,leftChild、rightChild中的任意一个关键字分别为x、y,则有a≤x<key≤y<b
 407          * 
 408          * @return 若树高度增加导致产生新根节点则返回该新根节点,否则返回null
 409          */
 410         private Node<K, V> insert(K key, Node<K, V> leftChild, Node<K, V> rightChild) {
 411             if (this.size == 0) {// 增加一层
 412                 // System.out.println("**internal insert " + key + " in 0 of " + this.toString());
 413                 this.size++;
 414                 this.pointers[0] = leftChild;
 415                 this.pointers[1] = rightChild;
 416                 this.keys[0] = key;
 417                 return this;
 418             }
 419 
 420             // key应该在的位置
 421             int i;
 422             for (i = 0; i < this.size; i++) {
 423                 if (key.compareTo((K) this.keys[i]) < 0) {
 424                     break;
 425                 }
 426             }
 427             // System.out.println("**internal insert " + key + " in " + i + " of " + this.toString());
 428 
 429             // 未满,直接插入
 430             if (this.size + 1 < MAX_CHILDREN_FOR_INTERNAL) {
 431                 for (int j = this.size; j > i; j--) {
 432                     this.keys[j] = this.keys[j - 1];
 433                     this.pointers[j + 1] = this.pointers[j];
 434                 }
 435                 this.keys[i] = key;
 436                 this.pointers[i + 1] = rightChild;
 437                 this.size++;
 438                 return null;
 439             }
 440             // 以下分支:插入后会满
 441             //
 442             else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
 443                     && this.previous.size < MAX_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 旋转操作:放一个到前一兄弟节点
 444                 // 找到父节点中分界key的位置
 445                 Node<K, V> parent = this.parent;
 446                 K tmpKey = (K) this.keys[0];
 447                 int j;
 448                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 449                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
 450                         break;
 451                     }
 452                 }
 453 
 454                 // 把当前节点的一个元素放到目标兄弟节点后在当前节点插入key-value,并更新父节点key
 455                 InternalNode<K, V> toNode = (InternalNode<K, V>) this.previous;
 456 
 457                 // 移动一个节点到前一节点
 458                 toNode.keys[toNode.size] = parent.keys[j];
 459                 toNode.pointers[toNode.size + 1] = this.pointers[0];
 460                 this.pointers[0].parent = toNode;
 461                 toNode.size++;
 462 
 463                 // 更新父节点key并在当前节点插入新元素
 464                 if (i == 0) {// 按理应插入到当前节点首位
 465                     // 更新父节点key
 466                     parent.keys[j] = key;
 467                     // 当前节点插入新元素
 468                     this.pointers[0] = rightChild;
 469                 } else {
 470                     // 更新父节点key
 471                     parent.keys[j] = this.keys[0];
 472                     // 当前节点插入新元素.移掉一个元素到目的节点后,待插元素应放在i-1的位置
 473                     this.pointers[0] = this.pointers[1];
 474                     int insertPos = i - 1;
 475                     for (int k = 0; k < insertPos; k++) {
 476                         this.keys[k] = this.keys[k + 1];
 477                         this.pointers[k + 1] = this.pointers[k + 2];
 478                     }
 479                     this.keys[insertPos] = key;
 480                     this.pointers[insertPos + 1] = rightChild;
 481                 }
 482 
 483                 return null;
 484 
 485             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
 486                     && this.next.size < MAX_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 旋转操作: 放一个到下一兄弟节点
 487 
 488                 InternalNode<K, V> toNode = (InternalNode<K, V>) this.next;
 489                 // 找到父节点中分界key的位置
 490                 Node<K, V> parent = this.parent;
 491                 K tmpKey = (K) toNode.keys[0];
 492                 int j;
 493                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 494                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
 495                         break;
 496                     }
 497                 }
 498 
 499                 // 腾出首位
 500                 for (int k = toNode.size; k > 0; k--) {
 501                     toNode.keys[k] = toNode.keys[k - 1];
 502                     toNode.pointers[k + 1] = toNode.pointers[k];
 503                 }
 504                 toNode.pointers[1] = toNode.pointers[0];
 505                 toNode.size++;
 506 
 507                 // 把当前节点的一个元素放到目标兄弟节点后在当前节点插入key-value,并更新父节点key
 508                 if (i == this.size) {
 509                     toNode.keys[0] = parent.keys[j];
 510                     toNode.pointers[0] = rightChild;
 511                     rightChild.parent = toNode;
 512 
 513                     parent.keys[j] = key;
 514                 } else {
 515                     toNode.keys[0] = parent.keys[j];
 516                     toNode.pointers[0] = this.pointers[this.size];
 517                     toNode.pointers[0].parent = toNode;
 518 
 519                     parent.keys[j] = this.keys[this.size - 1];
 520 
 521                     for (int k = this.size - 1; k > i; k--) {
 522                         this.keys[k] = this.keys[k - 1];
 523                         this.pointers[k + 1] = this.pointers[k];
 524                     }
 525                     this.keys[i] = key;
 526                     this.pointers[i + 1] = rightChild;
 527                 }
 528 
 529                 return null;
 530 
 531             } else {// 分裂
 532                     // 已满,需要分裂
 533                 {
 534                     // InternalNode<K, V> newNode = new InternalNode<K, V>();
 535                     //
 536                     // int tmpSizeIfInserted = this.size + 1;
 537                     // // 如果插入后需要被提到父节点的key及其下标,需要确保分裂开的两节点都至少有一个元素
 538                     // K parentKey = null;
 539                     // int m = (tmpSizeIfInserted / 2);
 540                     // switch (inputDataOrder) {
 541                     // case ASCENDING:
 542                     // m = tmpSizeIfInserted - 2;
 543                     // break;
 544                     // case DESCENDING:
 545                     // m = 1;
 546                     // break;
 547                     // case RANDOM:
 548                     // default:
 549                     // m = (tmpSizeIfInserted / 2);
 550                     // break;
 551                     // }
 552                     //
 553                     // if (i == m) {
 554                     // parentKey = key;
 555                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
 556                     // newNode.pointers[0] = rightChild;
 557                     // newNode.pointers[0].parent = newNode;
 558                     // for (int j = m; j < this.size; j++) {
 559                     // newNode.keys[j - m] = this.keys[j];
 560                     // newNode.pointers[j + 1 - m] = this.pointers[j + 1];
 561                     // newNode.pointers[j + 1 - m].parent = newNode;
 562                     // this.keys[j] = null;
 563                     // this.pointers[j + 1] = null;
 564                     // newNode.size++;
 565                     // }
 566                     // this.size = m;
 567                     //
 568                     // } else if (i < m) {
 569                     // parentKey = (K) this.keys[m - 1];
 570                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
 571                     // newNode.pointers[0] = this.pointers[m];
 572                     // newNode.pointers[0].parent = newNode;
 573                     // for (int j = m; j < this.size; j++) {
 574                     // newNode.keys[j - m] = this.keys[j];
 575                     // newNode.pointers[j + 1 - m] = this.pointers[j + 1];
 576                     // newNode.pointers[j + 1 - m].parent = newNode;
 577                     // this.keys[j] = null;
 578                     // this.pointers[j + 1] = null;
 579                     // newNode.size++;
 580                     // }
 581                     // this.size = m;
 582                     //
 583                     // // 插入新内容到原节点
 584                     // for (int j = m - 1; j > i; j--) {
 585                     // this.keys[j] = this.keys[j - 1];
 586                     // this.pointers[j + 1] = this.pointers[j];
 587                     // }
 588                     // this.keys[i] = key;
 589                     // this.pointers[i + 1] = rightChild;
 590                     // } else {
 591                     // parentKey = (K) this.keys[m];
 592                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
 593                     // newNode.pointers[0] = this.pointers[m + 1];
 594                     // newNode.pointers[0].parent = newNode;
 595                     // for (int j = m + 1; j < this.size; j++) {
 596                     // if (j == i) {// 复制插入的新内容
 597                     // newNode.keys[newNode.size] = key;
 598                     // newNode.pointers[newNode.size + 1] = rightChild;
 599                     // newNode.size++;
 600                     // }
 601                     // // 复制原节点的内容
 602                     // newNode.keys[newNode.size] = this.keys[j];
 603                     // newNode.pointers[newNode.size + 1] = this.pointers[j + 1];
 604                     // newNode.pointers[newNode.size + 1].parent = newNode;
 605                     // this.keys[j] = null;
 606                     // this.pointers[j + 1] = null;
 607                     // newNode.size++;
 608                     // }
 609                     // if (i == this.size) {// 复制插入的新内容
 610                     // newNode.keys[newNode.size] = key;
 611                     // newNode.pointers[newNode.size + 1] = rightChild;
 612                     // newNode.size++;
 613                     // }
 614                     // this.size = m;
 615                     // }
 616                     //
 617                     // if (this.parent == null) {
 618                     // this.parent = new InternalNode<K, V>();
 619                     // }
 620                     // newNode.parent = this.parent;
 621                     //
 622                     // // 更新节点间的相邻关系
 623                     // newNode.next = this.next;
 624                     // newNode.previous = this;
 625                     // if (this.next != null) {
 626                     // this.next.previous = newNode;
 627                     // }
 628                     // this.next = newNode;
 629                     //
 630                     // return ((InternalNode<K, V>) this.parent).insert(parentKey, this, newNode);
 631                 }
 632 
 633                 // 原实现
 634                 System.arraycopy(this.keys, 0, tmpNewKeys, 0, i);
 635                 tmpNewKeys[i] = key;
 636                 System.arraycopy(this.keys, i, tmpNewKeys, i + 1, this.size - i);
 637 
 638                 System.arraycopy(this.pointers, 0, tmpNewPointers, 0, i + 1);
 639                 tmpNewPointers[i + 1] = rightChild;
 640                 System.arraycopy(this.pointers, i + 1, tmpNewPointers, i + 2, this.size - i);
 641 
 642                 this.size++;
 643 
 644                 // 要被提到父节点的key的下标,需要确保分裂开的两节点都至少有一个元素
 645                 int m = (this.size / 2);
 646                 switch (inputDataOrder) {
 647                 case ASCENDING:
 648                     m = this.size - 2;
 649                     break;
 650                 case DESCENDING:
 651                     m = 1;
 652                     break;
 653                 case RANDOM:
 654                 default:
 655                     m = (this.size / 2);
 656                     break;
 657                 }
 658 
 659                 // split the internal node
 660                 InternalNode<K, V> newNode = new InternalNode<K, V>();
 661 
 662                 newNode.size = this.size - m - 1;
 663                 System.arraycopy(tmpNewKeys, m + 1, newNode.keys, 0, newNode.size);
 664                 System.arraycopy(tmpNewPointers, m + 1, newNode.pointers, 0, newNode.size + 1);
 665 
 666                 // reset the children's parent to the new node.
 667                 for (int j = 0; j <= newNode.size; j++) {
 668                     newNode.pointers[j].parent = newNode;
 669                 }
 670 
 671                 this.size = m;
 672 
 673                 System.arraycopy(tmpNewKeys, 0, this.keys, 0, m);
 674                 System.arraycopy(tmpNewPointers, 0, this.pointers, 0, m + 1);
 675 
 676                 if (this.parent == null) {
 677                     this.parent = new InternalNode<K, V>();
 678                 }
 679                 newNode.parent = this.parent;
 680 
 681                 // 更新节点间的相邻关系
 682                 newNode.next = this.next;
 683                 newNode.previous = this;
 684                 if (this.next != null) {
 685                     this.next.previous = newNode;
 686                 }
 687                 this.next = newNode;
 688 
 689                 // tmpNewKeys[m]作为新key插入父节点,此key在分裂后的两个节点中都不存在
 690                 return ((InternalNode<K, V>) this.parent).insert((K) tmpNewKeys[m], this, newNode);
 691             }
 692         }
 693 
 694         /**
 695          * 下层节点在触发合并操作时才会进入此方法。rightChild丢弃、key删掉
 696          * 
 697          * @return 若树高度降低导致产生新根节点则返回该新根节点,否则返回null
 698          */
 699         private Node<K, V> remove(K key, Node<K, V> leftChil3d, Node<K, V> rightCh6ild) {
 700             // TODO Auto-generated method stub
 701 
 702             // 找key的位置
 703             int i;
 704             for (i = 0; i < this.size; i++) {
 705                 if (key.compareTo((K) this.keys[i]) == 0) {
 706                     break;
 707                 }
 708             }
 709 
 710             // 没找到,结束
 711             if (i == this.size) {
 712                 return null;
 713             }
 714 
 715             // 找到,删除key对应的记录、指向合并后被丢弃的子节点(即rightChild也即this.pointers[i + 1])的指针置空
 716             for (; i < this.size - 1; i++) {
 717                 this.keys[i] = this.keys[i + 1];
 718                 this.pointers[i + 1] = this.pointers[i + 2];
 719             }
 720             // System.out.println("**internal remove " + key + " in " + i + " of " + this.toString());
 721             this.keys[this.size - 1] = null;
 722             this.pointers[this.size] = null;
 723             this.size--;
 724 
 725             /* 以下进行调整 */
 726 
 727             // 当前层只有一个节点的情况,为根节点
 728             if (this.previous == null && this.next == null) {
 729                 if (this.size == 0) {// 减少一层
 730                     Node<K, V> newRoot = (Node<K, V>) (this.pointers[0]);
 731                     newRoot.parent = null;
 732                     return newRoot;
 733                 } else {
 734                     return null;
 735                 }
 736             }
 737             // 以下分支:当前节点有兄弟节点
 738 
 739             else if (this.size >= (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1)) {// 无须借位、合并,结束
 740                 return null;
 741             }
 742             // 以下分支:当前节点有兄弟节点,且删后当前节点的键数为(MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 2),需要借位或合并
 743 
 744             else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
 745                     && this.previous.size > (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1)) {// 从前一兄弟节点借一个元素
 746                 InternalNode<K, V> borrowedNode = (InternalNode<K, V>) this.previous;
 747 
 748                 /** 设this和previous在parent的分界键为key_parent,previous的最后一键和指针为key_last、pointer_last,则将key_parent、pointer_last作为新元素插入到this首位且将key_last替代parent的key_parent */
 749                 int j;
 750                 // 后挪空出首位
 751                 for (j = this.size; j > 0; j--) {
 752                     this.keys[j] = this.keys[j - 1];
 753                     this.pointers[j + 1] = this.pointers[j];
 754                 }
 755                 this.pointers[1] = this.pointers[0];
 756 
 757                 // 找出父节点key所在位置
 758                 Node<K, V> parent = this.parent;
 759                 K tmpKey = (this.size == 0) ? key : (K) this.keys[1];
 760                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 761                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) > 0) {
 762                         break;
 763                     }
 764                 }
 765 
 766                 // 借位操作
 767                 this.keys[0] = parent.keys[j];
 768                 this.pointers[0] = borrowedNode.pointers[borrowedNode.size];
 769                 this.pointers[0].parent = this;
 770                 this.size++;
 771                 parent.keys[j] = borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1];
 772                 borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1] = null;
 773                 borrowedNode.pointers[borrowedNode.size] = null;
 774                 borrowedNode.size--;
 775 
 776                 return null;
 777 
 778             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
 779                     && this.next.size > (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1)) {// 从后一个兄弟节点借一个元素
 780                 InternalNode<K, V> borrowedNode = (InternalNode<K, V>) this.next;
 781 
 782                 // 找出父节点key所在位置
 783                 int j;
 784                 Node<K, V> parent = this.parent;
 785                 K tmpKey = (K) borrowedNode.keys[0];
 786                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 787                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) > 0) {
 788                         break;
 789                     }
 790                 }
 791 
 792                 // 借位操作
 793                 this.keys[this.size] = parent.keys[j];
 794                 this.pointers[this.size + 1] = borrowedNode.pointers[0];
 795                 this.pointers[this.size + 1].parent = this;
 796                 this.size++;
 797                 parent.keys[j] = borrowedNode.keys[0];
 798 
 799                 for (j = 0; j < borrowedNode.size - 1; j++) {
 800                     borrowedNode.keys[j] = borrowedNode.keys[j + 1];
 801                     borrowedNode.pointers[j] = borrowedNode.pointers[j + 1];
 802                 }
 803                 borrowedNode.pointers[j] = borrowedNode.pointers[j + 1];
 804                 borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1] = null;
 805                 borrowedNode.pointers[borrowedNode.size] = null;
 806                 borrowedNode.size--;
 807 
 808                 return null;
 809 
 810             } else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
 811                     && this.previous.size == (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1)) {// 与前一兄弟节点合并。(其实只会=,不会<)
 812                 // parent中的分界key复制到前一节点末尾后当前节点内容复制到前一节点
 813                 // 合并后目标节点的size为(MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1) +1+ (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 2)
 814 
 815                 InternalNode<K, V> previous = (InternalNode<K, V>) this.previous;
 816 
 817                 // 找出父节点分界key所在位置
 818                 Node<K, V> parent = this.parent;
 819                 K tmpKey = this.size == 0 ? key : (K) this.keys[0];
 820                 int j;
 821                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 822                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) > 0) {
 823                         break;
 824                     }
 825                 }
 826 
 827                 // 合并
 828                 previous.keys[previous.size] = parent.keys[j];
 829                 previous.pointers[previous.size + 1] = this.pointers[0];
 830                 this.pointers[0].parent = previous;
 831                 this.pointers[0] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素
 832                 previous.size++;
 833                 for (int k = 0; k < this.size; k++) {
 834                     previous.keys[previous.size + k] = this.keys[k];
 835                     previous.pointers[previous.size + k + 1] = this.pointers[k + 1];
 836                     this.pointers[k + 1].parent = previous;
 837 
 838                     this.keys[k] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素,下同
 839                     this.pointers[k + 1] = null;
 840                 }
 841                 previous.size += this.size;
 842                 this.size = 0;// 复制过去后清空本节点
 843 
 844                 // 更新节点相邻关系
 845                 previous.next = this.next;
 846                 if (this.next != null) {
 847                     this.next.previous = previous;
 848                 }
 849                 this.parent = null;
 850                 this.previous = null;
 851                 this.next = null;
 852 
 853                 return ((InternalNode<K, V>) previous.parent).remove((K) parent.keys[j], previous, this);
 854             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
 855                     && this.next.size == (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1)) {// 与后一兄弟节点合并。(其实只会=,不会<)
 856                 // parent中的分界key复制到当前节点末尾后后一节点的内容复制到当前节点
 857                 // 合并后目标节点的size为(MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 1) +1+ (MIN_CHILDREN_FOR_INTERNAL - 2)
 858 
 859                 InternalNode<K, V> next = (InternalNode<K, V>) this.next;
 860 
 861                 // 找出父节点分界key所在位置
 862                 Node<K, V> parent = next.parent;
 863                 K tmpKey = (K) next.keys[0];
 864                 int j;
 865                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 866                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) > 0) {
 867                         break;
 868                     }
 869                 }
 870 
 871                 // 合并
 872                 this.keys[this.size] = parent.keys[j];
 873                 this.pointers[this.size + 1] = next.pointers[0];
 874                 next.pointers[0].parent = this;
 875                 next.pointers[0] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素
 876                 this.size++;
 877                 for (int k = 0; k < next.size; k++) {
 878                     this.keys[this.size + k] = next.keys[k];
 879                     this.pointers[this.size + k + 1] = next.pointers[k + 1];
 880                     next.pointers[k + 1].parent = this;
 881 
 882                     next.keys[k] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素,下同
 883                     next.pointers[k + 1] = null;
 884                 }
 885                 this.size += next.size;
 886                 next.size = 0;// 复制过去后清空本节点的该元素
 887 
 888                 // 更新节点相邻关系
 889                 this.next = next.next;
 890                 if (next.next != null) {
 891                     next.next.previous = this;
 892                 }
 893                 next.parent = null;
 894                 next.previous = null;
 895                 next.next = null;
 896 
 897                 return ((InternalNode<K, V>) this.parent).remove((K) parent.keys[j], this, next);
 898             } else {// 永远到不了这
 899                 System.err.println("wrong in internal node remove.");
 900                 return null;
 901             }
 902         }
 903     }
 904 
 905     /**
 906      * leaf node, store the keys and actual values.
 907      * 
 908      * @param <K>
 909      * @param <V>
 910      */
 911     final class LeafNode<K extends Comparable<K>, V> extends Node<K, V> {
 912         private Object[] values;
 913 
 914         public LeafNode() {
 915             this.size = 0;
 916             this.keys = new Object[MAX_CHILDREN_FOR_LEAF];
 917             this.values = new Object[MAX_CHILDREN_FOR_LEAF];
 918             this.parent = null;
 919 
 920             this.previous = null;
 921             this.next = null;
 922         }
 923 
 924         @Override
 925         protected V get(K key) {
 926             // two branch search
 927             if (this.size == 0) {
 928                 return null;
 929             }
 930 
 931             int s = 0, e = this.size - 1;
 932             int m = -1;
 933             K mKey = null;
 934             boolean isFind = false;
 935             while (s <= e) {
 936                 m = (s + e) / 2;
 937                 mKey = (K) this.keys[m];
 938                 if (key.compareTo(mKey) == 0) {
 939                     isFind = true;
 940                     break;
 941                 } else if (key.compareTo(mKey) > 0) {
 942                     s = m + 1;
 943                 } else {
 944                     e = m - 1;
 945                 }
 946             }
 947             return isFind ? ((V) this.values[m]) : null;
 948         }
 949 
 950         @Override
 951         protected Node<K, V> insert(K key, V value) {
 952             int i = 0;
 953             for (; i < this.size; i++) {
 954                 K curKey = (K) this.keys[i];
 955                 if (curKey.compareTo(key) == 0) {// key已存在,更新值
 956                     this.values[i] = value;
 957                     return null;
 958                 }
 959                 if (curKey.compareTo(key) > 0)
 960                     break;
 961             }
 962 
 963             dataCount++;
 964             // 以下分支:key不存在,插入新key-value
 965 
 966             // 未满,直接插入
 967             if (this.size + 1 <= MAX_CHILDREN_FOR_LEAF) {
 968                 for (int j = this.size; j > i; j--) {
 969                     this.keys[j] = this.keys[j - 1];
 970                     this.values[j] = this.values[j - 1];
 971                 }
 972                 this.keys[i] = key;
 973                 this.values[i] = value;
 974                 this.size++;
 975                 return null;
 976             }
 977             // 以下分支:插入后会满
 978             //
 979             else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
 980                     && this.previous.size < MAX_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 旋转操作:放一个到前一兄弟节点
 981                 // 找到父节点中分界key的位置
 982                 Node<K, V> parent = this.parent;
 983                 K tmpKey = (K) this.keys[0];
 984                 int j;
 985                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
 986                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
 987                         break;
 988                     }
 989                 }
 990 
 991                 // 把当前节点的一个元素放到目标兄弟节点后在当前节点插入key-value,并更新父节点key
 992                 LeafNode<K, V> toNode = (LeafNode<K, V>) this.previous;
 993                 if (i == 0) {// 按理应插入到当前节点首位
 994                     toNode.keys[toNode.size] = key;
 995                     toNode.values[toNode.size] = value;
 996                     toNode.size++;
 997                 } else {
 998                     toNode.keys[toNode.size] = this.keys[0];
 999                     toNode.values[toNode.size] = this.values[0];
1000                     toNode.size++;
1001 
1002                     // 移掉一个元素到目的节点后,待插元素应放在i-1的位置
1003                     int insertPos = i - 1;
1004                     for (int k = 0; k < insertPos; k++) {
1005                         this.keys[k] = this.keys[k + 1];
1006                         this.values[k] = this.values[k + 1];
1007                     }
1008                     this.keys[insertPos] = key;
1009                     this.values[insertPos] = value;
1010                 }
1011 
1012                 // 更新它们的父节点的分界key
1013                 parent.keys[j] = this.keys[0];
1014 
1015                 return null;
1016 
1017             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
1018                     && this.next.size < MAX_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 旋转操作: 放一个到下一兄弟节点
1019                 LeafNode<K, V> toNode = (LeafNode<K, V>) this.next;
1020                 // 找到父节点中分界key的位置
1021                 Node<K, V> parent = this.parent;
1022                 K tmpKey = (K) toNode.keys[0];
1023                 int j;
1024                 for (j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
1025                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
1026                         break;
1027                     }
1028                 }
1029 
1030                 // 腾出首位
1031                 for (int k = toNode.size; k > 0; k--) {
1032                     toNode.keys[k] = toNode.keys[k - 1];
1033                     toNode.values[k] = toNode.values[k - 1];
1034                 }
1035                 toNode.size++;
1036 
1037                 // 把当前节点的一个元素放到目标兄弟节点后在当前节点插入key-value,并更新父节点key
1038                 if (i == this.size) {
1039                     toNode.keys[0] = key;
1040                     toNode.values[0] = value;
1041                 } else {
1042                     toNode.keys[0] = this.keys[this.size - 1];
1043                     toNode.values[0] = this.values[this.size - 1];
1044 
1045                     for (int k = this.size - 1; k > i; k--) {
1046                         this.keys[k] = this.keys[k - 1];
1047                         this.values[k] = this.values[k - 1];
1048                     }
1049                     this.keys[i] = key;
1050                     this.values[i] = value;
1051                 }
1052                 // 更新它们的父节点的分界key
1053                 parent.keys[j] = toNode.keys[0];
1054 
1055                 return null;
1056 
1057             } else {// 进行分裂
1058 
1059                 {
1060                     // LeafNode<K, V> newNode = new LeafNode<K, V>();
1061                     // int tmpSizeIfInserted = this.size + 1;
1062                     // // 如果插入后需要被提到父节点的key及其下标,需要确保分裂开的两节点都至少有一个元素
1063                     // K parentKey = null;
1064                     // int m = (tmpSizeIfInserted / 2);
1065                     // switch (inputDataOrder) {
1066                     // case ASCENDING:
1067                     // m = tmpSizeIfInserted - 1;
1068                     // break;
1069                     // case DESCENDING:
1070                     // m = 1;
1071                     // break;
1072                     // case RANDOM:
1073                     // default:
1074                     // m = (tmpSizeIfInserted / 2);
1075                     // break;
1076                     // }
1077                     //
1078                     // if (i == m) {
1079                     // parentKey = key;
1080                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
1081                     // newNode.keys[0] = key;
1082                     // newNode.values[0] = value;
1083                     // newNode.size++;
1084                     // for (int j = m; j < this.size; j++) {
1085                     // newNode.keys[j - m + 1] = this.keys[j];
1086                     // newNode.values[j - m + 1] = this.values[j];
1087                     // this.keys[j] = null;
1088                     // this.values[j] = null;
1089                     // newNode.size++;
1090                     // }
1091                     // this.size = m;
1092                     //
1093                     // } else if (i < m) {
1094                     // parentKey = (K) this.keys[m - 1];
1095                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
1096                     // for (int j = m - 1; j < this.size; j++) {
1097                     // newNode.keys[j - m + 1] = this.keys[j];
1098                     // newNode.values[j - m + 1] = this.values[j];
1099                     // this.keys[j] = null;
1100                     // this.values[j] = null;
1101                     // newNode.size++;
1102                     // }
1103                     // this.size = m;
1104                     //
1105                     // // 插入新内容到原节点
1106                     // for (int j = m - 1; j > i; j--) {
1107                     // this.keys[j] = this.keys[j - 1];
1108                     // this.values[j] = this.values[j - 1];
1109                     // }
1110                     // this.keys[i] = key;
1111                     // this.values[i] = value;
1112                     // } else {
1113                     // parentKey = (K) this.keys[m];
1114                     // // 复制到新节点并删除原节点里相应的内容
1115                     // for (int j = m; j < this.size; j++) {
1116                     // if (j == i) {// 复制插入的新内容
1117                     // newNode.keys[newNode.size] = key;
1118                     // newNode.values[newNode.size] = value;
1119                     // newNode.size++;
1120                     // }
1121                     // // 复制原节点的内容
1122                     // newNode.keys[newNode.size] = this.keys[j];
1123                     // newNode.values[newNode.size] = this.values[j];
1124                     // this.keys[j] = null;
1125                     // this.values[j] = null;
1126                     // newNode.size++;
1127                     // }
1128                     // if (i == this.size) {// 复制插入的新内容
1129                     // newNode.keys[newNode.size] = key;
1130                     // newNode.values[newNode.size] = value;
1131                     // newNode.size++;
1132                     // }
1133                     // this.size = m;
1134                     // }
1135                     // if (this.parent == null) {// 只有在刚开始只有一个叶节点且叶节点已满时才成立
1136                     // this.parent = new InternalNode<K, V>();
1137                     // }
1138                     // newNode.parent = this.parent;
1139                     //
1140                     // // 更新叶节点的相邻关系
1141                     // newNode.next = this.next;
1142                     // newNode.previous = this;
1143                     // if (this.next != null) {
1144                     // this.next.previous = newNode;
1145                     // }
1146                     // this.next = newNode;
1147                     //
1148                     // return ((InternalNode<K, V>) this.parent).insert(parentKey, this, newNode);
1149                 }
1150 
1151                 // 原实现
1152                 System.arraycopy(this.keys, 0, tmpNewKeys, 0, i);
1153                 tmpNewKeys[i] = key;
1154                 System.arraycopy(this.keys, i, tmpNewKeys, i + 1, this.size - i);
1155 
1156                 System.arraycopy(this.values, 0, tmpNewValues, 0, i);
1157                 tmpNewValues[i] = value;
1158                 System.arraycopy(this.values, i, tmpNewValues, i + 1, this.size - i);
1159 
1160                 this.size++;
1161 
1162                 // need split this node
1163                 int m = this.size / 2;
1164                 switch (inputDataOrder) {
1165                 case ASCENDING:
1166                     m = this.size - 1;
1167                     break;
1168                 case DESCENDING:
1169                     m = 1;
1170                     break;
1171                 case RANDOM:
1172                 default:
1173                     m = (this.size / 2);
1174                     break;
1175                 }
1176 
1177                 LeafNode<K, V> newNode = new LeafNode<K, V>();
1178                 newNode.size = this.size - m;
1179                 System.arraycopy(tmpNewKeys, m, newNode.keys, 0, newNode.size);
1180                 System.arraycopy(tmpNewValues, m, newNode.values, 0, newNode.size);
1181 
1182                 this.size = m;
1183                 System.arraycopy(tmpNewKeys, 0, this.keys, 0, m);
1184                 System.arraycopy(tmpNewValues, 0, this.values, 0, m);
1185 
1186                 if (this.parent == null) {// 只有在刚开始只有一个叶节点且叶节点已满时才成立
1187                     this.parent = new InternalNode<K, V>();
1188                 }
1189                 newNode.parent = this.parent;
1190 
1191                 // 更新叶节点的相邻关系
1192                 newNode.next = this.next;
1193                 newNode.previous = this;
1194                 if (this.next != null) {
1195                     this.next.previous = newNode;
1196                 }
1197                 this.next = newNode;
1198 
1199                 // 清理无用引用,使GC能回收
1200 
1201                 // tmpNewKeys[m]作为新key插入父节点,此key也作为分裂后后节点的第一个元素
1202                 return ((InternalNode<K, V>) this.parent).insert((K) newNode.keys[0], this, newNode);
1203             }
1204         }
1205 
1206         @Override
1207         protected Node<K, V> remove(K key) {
1208             // TODO Auto-generated method stub
1209 
1210             // 查找key的位置
1211             int i;
1212             for (i = 0; i < this.size; i++) {
1213                 if (key.compareTo((K) this.keys[i]) == 0) {
1214                     break;
1215                 }
1216             }
1217 
1218             // 没找到,结束
1219             if (i == this.size) {
1220                 return null;
1221             }
1222 
1223             // 找到,删除key对应的记录
1224             for (int j = i; j < this.size - 1; j++) {
1225                 this.keys[j] = this.keys[j + 1];
1226                 this.values[j] = this.values[j + 1];
1227             }
1228             // System.out.println("**leaf remove " + key + " in " + i + " of " + this.toString());
1229             this.keys[this.size - 1] = null;
1230             this.values[this.size - 1] = null;
1231             this.size--;
1232 
1233             dataCount--;
1234 
1235             /* 以下进行调整 */
1236 
1237             // 树只有此叶节点,无须借位、合并,结束
1238             if (this.parent == null) {
1239                 return null;
1240             }
1241             // 且 删后记录数不少于一半,无需借位、合并,结束
1242             else if (this.size >= MIN_CHILDREN_FOR_LEAF) {
1243                 if (i == 0) {// 可选操作:删除了第一个元素,因此需要维持叶节点第一个key与父节点的一个key一样
1244                     Node<K, V> parent = this.parent;
1245                     K tmpKey = (K) this.keys[0];
1246                     for (int j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
1247                         if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 只会>
1248                             parent.keys[j] = this.keys[0];
1249                             break;
1250                         }
1251                     }
1252                 }
1253                 return null;
1254             }
1255             // 以下分支:有兄弟节点,且删后节点的键数为MIN_CHILDREN_FOR_LEAF-1,需要借位或合并:优先尝试借位,借位不成再合并。注意只有兄弟节点间才能借位或合并
1256 
1257             else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
1258                     && this.previous.size > MIN_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 从前一兄弟节点借一个元素
1259 
1260                 LeafNode<K, V> borrowedNode = (LeafNode<K, V>) this.previous;
1261 
1262                 // 取上节点最后一个元素放到当前节点的第一个位置
1263                 for (int j = this.size; j > 0; j--) {
1264                     this.keys[j] = this.keys[j - 1];
1265                     this.values[j] = this.values[j - 1];
1266                 }
1267                 this.keys[0] = borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1];
1268                 this.values[0] = borrowedNode.values[borrowedNode.size - 1];
1269                 this.size++;
1270                 borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1] = null;
1271                 borrowedNode.values[borrowedNode.size - 1] = null;
1272                 borrowedNode.size--;
1273 
1274                 // 可选操作:更新父节点的key为借来的元素的key
1275                 Node<K, V> parent = this.parent;
1276                 K tmpKey = (this.size == 1) ? key : (K) this.keys[1];
1277                 for (int j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
1278                     if (tmpKey.compareTo((K) (parent.keys[j])) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
1279                         parent.keys[j] = this.keys[0];
1280                         break;
1281                     }
1282                 }
1283                 return null;
1284 
1285             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
1286                     && this.next.size > MIN_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 从后一兄弟节点借一个元素
1287 
1288                 LeafNode<K, V> borrowedNode = (LeafNode<K, V>) this.next;
1289 
1290                 // 取下节点的第一个元素放到当前节点的最后一个位置
1291                 this.keys[this.size] = borrowedNode.keys[0];
1292                 this.values[this.size] = borrowedNode.values[0];
1293                 this.size++;
1294                 for (int j = 0, len = borrowedNode.size - 1; j < len; j++) {
1295                     borrowedNode.keys[j] = borrowedNode.keys[j + 1];
1296                     borrowedNode.values[j] = borrowedNode.values[j + 1];
1297                 }
1298                 borrowedNode.keys[borrowedNode.size - 1] = null;
1299                 borrowedNode.values[borrowedNode.size - 1] = null;
1300                 borrowedNode.size--;
1301 
1302                 // 可选操作:更新父节点的key为被借节点的新首元素
1303                 Node<K, V> parent = this.parent;
1304                 K tmpKey = (K) this.keys[this.size - 1];
1305                 for (int j = parent.size - 1; j >= 0; j--) {
1306                     if ((tmpKey).compareTo((K) parent.keys[j]) >= 0) {// 若维护叶节点第一个key等于父节点分界key,则只会=
1307                         parent.keys[j] = borrowedNode.keys[0];
1308                         break;
1309                     }
1310                 }
1311                 return null;
1312 
1313             } else if (this.previous != null && (this.previous.parent == this.parent)
1314                     && this.previous.size == MIN_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 与前一兄弟节点合并。(其实只会=,不会<)
1315                 // 找出父节点分界key所在位置
1316                 K dividKey = this.size == 0 ? key : (K) this.keys[0];
1317 
1318                 // 当前节点的内容复制到前一节点,合并后目标节点的size为MIN_CHILDREN_FOR_LEAF + (MIN_CHILDREN_FOR_LEAF-1)
1319                 LeafNode<K, V> previous = (LeafNode<K, V>) this.previous;
1320                 for (int j = 0; j < this.size; j++) {
1321                     previous.keys[previous.size + j] = this.keys[j];
1322                     previous.values[previous.size + j] = this.values[j];
1323 
1324                     this.keys[j] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素,下同
1325                     this.values[j] = null;
1326                 }
1327                 previous.size += this.size;
1328                 this.size = 0;// 复制过去后清空本节点的该元素
1329 
1330                 // 更新叶节点相邻关系
1331                 previous.next = this.next;
1332                 if (this.next != null) {
1333                     this.next.previous = previous;
1334                 }
1335                 this.parent = null;
1336                 this.previous = null;
1337                 this.next = null;
1338 
1339                 // key及父节点中指向当前节点的poniter会在父节点执行删除方法时被覆盖,从而当前节点被删除
1340                 return ((InternalNode<K, V>) previous.parent).remove(dividKey, previous, this);
1341 
1342             } else if (this.next != null && (this.next.parent == this.parent)
1343                     && this.next.size == MIN_CHILDREN_FOR_LEAF) {// 与后一兄弟节点合并。(其实只会=,不会<)
1344                 // 找出父节点分界key所在位置
1345                 K dividKey = (K) next.keys[0];
1346 
1347                 // 后一节点的内容复制到当前节点,合并后目标节点的size为MIN_CHILDREN_FOR_LEAF + (MIN_CHILDREN_FOR_LEAF-1)
1348                 LeafNode<K, V> next = (LeafNode<K, V>) this.next;
1349                 for (int j = 0; j < next.size; j++) {
1350                     this.keys[this.size + j] = next.keys[j];
1351                     this.values[this.size + j] = next.values[j];
1352 
1353                     next.keys[j] = null;// 复制过去后清空本节点的该元素,下同
1354                     next.values[j] = null;
1355                 }
1356                 this.size += next.size;
1357                 next.size = 0;// 复制过去后清空本节点的该元素
1358 
1359                 // 更新叶节点相邻关系
1360                 this.next = next.next;
1361                 if (next.next != null) {
1362                     next.next.previous = this;
1363                 }
1364                 next.parent = null;
1365                 next.previous = null;
1366                 next.next = null;
1367 
1368                 return ((InternalNode<K, V>) this.parent).remove(dividKey, this, next);
1369             } else {// 永远到不了这
1370                 System.err.println("wrong in leaf node remove.");
1371                 return null;
1372             }
1373         }
1374     }
1375 }
B+ tree implemention based on main memory
  1 package buaa.act.ucar.imtg.index.node.temporal;
  2 
  3 import java.lang.management.ManagementFactory;
  4 import java.lang.management.MemoryMXBean;
  5 import java.lang.management.MemoryUsage;
  6 import java.text.SimpleDateFormat;
  7 import java.util.Date;
  8 import java.util.HashMap;
  9 import java.util.Map;
 10 import java.util.Random;
 11 
 12 import buaa.act.ucar.imtg.index.node.temporal.BPlusTree.InputDataOrder;
 13 import scala.collection.generic.BitOperations.Int;
 14 
 15 /**
 16  * @author zsm
 17  * @date 2017年1月11日 上午11:24:58
 18  */
 19 public class BPlusTreeTest {
 20     public static void main(String[] args) {
 21         BPlusTree<Integer, Integer> bPlusTree = new BPlusTree<>(5, InputDataOrder.RANDOM);
 22         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 23             bPlusTree.set(i, i);
 24         }
 25         bPlusTree.remove(4);
 26         bPlusTree.printTree();
 27         System.out.println(bPlusTree.getAllValues());
 28     }
 29 
 30     public static void ma3in(String[] args) {
 31         MemoryMXBean memorymbean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();
 32         // memorymbean.setVerbose(true);
 33         Runtime myRuntime = Runtime.getRuntime();
 34 
 35         long firinit, firused, fircommited, firmax;
 36         long sedmax, sedtotal, sedfree, sedused;
 37         double rad = 1024 * 1024.0;
 38         SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
 39         Date date;
 40         MemoryUsage usage;
 41 
 42         BPlusTree<String, Integer> tree = new BPlusTree<>(5, InputDataOrder.RANDOM);
 43         for (int j = 0; j < 60000; j++) {
 44             for (int i = 10_000_000; i > 0; i--) {
 45                 // tree.set(i + "", i);
 46             }
 47 
 48             usage = memorymbean.getHeapMemoryUsage();
 49             date = new Date();
 50             firinit = usage.getInit();
 51             firused = usage.getUsed();
 52             fircommited = usage.getCommitted();
 53             firmax = usage.getMax();
 54 
 55             sedmax = myRuntime.maxMemory();
 56             sedtotal = myRuntime.totalMemory();
 57             sedfree = myRuntime.freeMemory();
 58             sedused = sedtotal - sedfree;
 59 
 60             System.out.printf(
 61                     "by MemoryUsage: %s init(%dB≈%.4fMB), used(%dB≈%.4fMB), commited(%dB≈%.4fMB), max(%dB≈%.4fMB)\n",
 62                     simpleDateFormat.format(date), firinit, firinit / rad, firused, firused / rad, fircommited,
 63                     fircommited / rad, firmax, firmax / rad);
 64 
 65             System.out.printf(
 66                     "by Runtime:     %s free(%dB≈%.4fMB), used(%dB≈%.4fMB), total(%dB≈%.4fMB), max(%dB≈%.4fMB)\n",
 67                     simpleDateFormat.format(date), sedfree, sedfree / rad, sedused, sedused / rad, sedtotal,
 68                     sedtotal / rad, sedmax, sedmax / rad);
 69             System.out.println();
 70             try {
 71                 Thread.sleep(4000);
 72             } catch (InterruptedException e) {
 73                 // TODO Auto-generated catch block
 74                 e.printStackTrace();
 75             }
 76         }
 77 
 78         // System.err.println("add:");
 79         // for (int i = 1; i <= 41; i++) {
 80         // tree.set(i, i);
 81         // tree.printTree(tree.getRoot());
 82         // }
 83         // System.out.println("height:" + tree.getHeight());
 84         // tree.printTree(tree.getRoot());
 85         //
 86         // System.err.println("remove:");
 87         // tree.remove(21);
 88         // tree.printTree(tree.getRoot());
 89         // tree.remove(22);
 90         // tree.printTree(tree.getRoot());
 91         // tree.remove(23);
 92         // tree.printTree(tree.getRoot());
 93 
 94         // test2();
 95     }
 96 
 97     public static int getRandom(int min, int max, boolean isMaxInclude) {
 98         return new Random().nextInt(max - min + (isMaxInclude ? 1 : 0)) + min;
 99     }
100 
101     /** 随机产生数据,并进行查询、删除 */
102     public static void test2() {
103         BPlusTree<Integer, Integer> myTree = new BPlusTree<Integer, Integer>(10, InputDataOrder.RANDOM);
104 
105         int max = 10_000_000;
106         int min = -max;
107         int numCount = max - min + 1;
108         int numRealCount = 0;
109 
110         Integer[] data = new Integer[max - min + 1];
111         for (int i = 0; i < data.length; i++) {
112             data[i] = 0;
113         }
114 
115         // 产生数据
116         long start = System.currentTimeMillis();
117         int key;
118         for (int i = 0; i < numCount; i++) {
119             key = getRandom(min, max, true);
120             // key = i + min;
121             // try {
122             // Thread.sleep(1000);
123             // } catch (InterruptedException e) {
124             // // TODO Auto-generated catch block
125             // e.printStackTrace();
126             // }
127             myTree.set(key, key);
128             if (data[key - min] == 0) {
129                 numRealCount++;
130                 data[key - min] = 1;
131             }
132         }
133         System.out.println(
134                 numRealCount + " data from " + numCount + "[" + min + "," + max + "] has been inserted into tree");
135         System.out.println("time cost for insert: " + (System.currentTimeMillis() - start));
136         System.out.println("tree leaf entry: " + myTree.getDataCount() + ", hashmap count:" + numRealCount);
137 
138         // 查数据
139         System.out.println();
140         System.out.println("getDataCount:" + myTree.getDataCount());
141         System.out.println("height:" + myTree.getHeight());
142         start = System.currentTimeMillis();
143         int getCount = 0;
144         for (int i = 0; i < data.length; i++) {
145             if (data[i] == 1) {
146                 getCount++;
147                 key = i + min;
148                 if (!myTree.get(key).equals(key)) {
149                     System.err.println("error for get: " + myTree.get(key) + " " + key);
150                     System.exit(1);
151                 }
152             }
153         }
154         System.out.println("time cost for " + getCount + " get: " + (System.currentTimeMillis() - start));
155 
156         // 删除数据
157         System.out.println();
158         start = System.currentTimeMillis();
159         System.out.println(myTree.getDataCount());
160         for (int i = data.length; i >= 0; i--) {
161             try {
162                 myTree.remove(i + min);
163             } catch (Exception e) {
164                 // TODO: handle exception
165                 System.err.println(String.format("remove error: i=%d, key=%d \n", i, i + min));
166                 e.printStackTrace();
167                 System.exit(0);
168             }
169         }
170         System.out.println("getDataCount:" + myTree.getDataCount());
171         System.out.println("height:" + myTree.getHeight());
172         myTree.printTree();
173         myTree.remove(-2);
174         System.out.println("time cost for remove: " + (System.currentTimeMillis() - start));
175     }
176 
177     public static void test1() {
178         BPlusTree<Integer, Integer> myTree = new BPlusTree<Integer, Integer>(8, InputDataOrder.RANDOM);
179 
180         int max = 200 * 25000;
181         long start = System.currentTimeMillis();
182         for (int i = 0; i < max; i++) {
183             myTree.set(i, i);
184         }
185         System.out.println(max + " Data has been inserted into tree");
186         System.out.println("time cost for BPlusTree: " + (System.currentTimeMillis() - start));
187 
188         System.out.println();
189         System.out.println("height: " + myTree.getHeight());
190         System.out.println(myTree.get(2345));
191         System.out.println();
192 
193         start = System.currentTimeMillis();
194         for (int i = 0; i < max; i++) {
195             myTree.get(i);
196         }
197         System.out.println("time cost for get: " + (System.currentTimeMillis() - start));
198 
199         start = System.currentTimeMillis();
200         Map<Integer, String> hashMap = new HashMap<Integer, String>();
201         for (int i = 0; i < max; i++) {
202             hashMap.put(i, i + "");
203         }
204         System.out.println("time cost for HashMap: " + (System.currentTimeMillis() - start));
205 
206         for (int i = 0; i < max; i++) {
207             if (myTree.get(i) != i) {
208                 System.err.println("error for: " + i);
209             }
210         }
211 
212         System.out.println("Success");
213 
214         // myTree.remove(2);
215         // myTree.printTree(myTree.getRoot());
216     }
217 
218     public static void test3() {
219         BPlusTree<Integer, String> myTree = new BPlusTree<Integer, String>(3, InputDataOrder.RANDOM);
220 
221         int max = 7;
222         for (int i = 0; i < max; i++) {
223             // System.out.println("__insert " + i);
224             myTree.set(i, i + "");
225             // myTree.printTree(myTree.getRoot());
226             // System.out.println();
227 
228             // System.out.println("__insert " + (2 * max - i));
229             myTree.set(2 * max - i, 2 * max - i + "");
230             // myTree.printTree(myTree.getRoot());
231             // System.out.println();
232         }
233 
234         System.out.println("tree height:" + myTree.getHeight());
235         System.out.println("leaf entry count:" + myTree.getDataCount());
236         System.out.println();
237 
238         myTree.printTree();
239         System.out.println();
240 
241         for (int i = 0; i < max; i++) {
242             System.out.println("__remove " + i);
243             myTree.remove(i);
244             myTree.printTree();
245 
246             System.out.println("__remove " + (2 * max - i));
247             myTree.remove(2 * max - i);
248             myTree.printTree();
249             System.out.println();
250         }
251 
252     }
253 
254 }
B+ tree test

6、二叉树的应用

线段树 segment tree (参阅这篇文章),用于解决频繁查询数组不同区间的统计值(如最大、最小、和等)的问题,且支持动态修改数组数据。

原理:很简单,是一种树形结构(通常是二叉树),每个节点表示一个区间内的统计值,一个父节点区间被各子节点均匀分割,叶节点是一个元素组成的区间。

有自底向上、自顶向下两种构造方式,前者便于人阅读后者适合编码实现。树示例:

参阅 https://lotabout.me/2018/segment-tree/
(1)自底向上
                             [0,15]
                               0
               ┌───────────────┴───────────────┐
             [0,7]                           [8,15]
               0                               3
       ┌───────┴───────┐               ┌───────┴───────┐
     [0,3]           [4,7]           [8,11]
       0               1               3
   ┌───┴───┐       ┌───┴───┐       ┌───┴───┐       ┌───┴───┐
 [0,1]   [2,3]   [4,5]   [6,7]   [8,9]
   0       2       3       1       3
 ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐   ┌─┴─┐
 0   5   2   5   4   3   1   6   3
 ┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───
 0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   0   1   2   3   4   5



(2)自顶向下
                                [0,8]
                                  0
                  ┌───────────────┴───────────────┐
                [0,4]                           [5,8]
                  0                               1
          ┌───────┴───────┐               ┌───────┴───────┐
        [0,2]           [3,4]           [5,6]           [7,8]
          0               4               1               3
      ┌───┴───┐       ┌───┴───┐       ┌───┴───┐       ┌───┴───┐
    [0,1]   [2,2]   [3,3]   [4,4]   [5,5]   [6,6]   [7,7]   [8,8]
      0       2       5       4       3       1       6       3
    ┌─┴─┐
 [0,0] [1,1]
   0     5
View Code

实现(自顶向下):

public class ArraySegmentTree<T> {

    private T tree[];
    private T data[];

    private Merger<T> merger;

    public interface Merger<T> {
        T merge(T a, T b);
    }

    public ArraySegmentTree(T[] arr, Merger<T> merger) {
        this.merger = merger;
        data = (T[]) new Object[arr.length];
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            data[i] = arr[i];
        }

        this.tree = (T[]) new Object[data.length * 4];
        buildSegmentTree(0, 0, data.length - 1);

    }


    /**
     * 构建线段树
     *
     * @param treeIndex 当前需要添加节点的索引
     * @param treeLeft  treeIndex左边界
     * @param treeRight treeIndex右边界
     */
    private void buildSegmentTree(int treeIndex, int treeLeft, int treeRight) {
        if (treeLeft == treeRight) {
            tree[treeIndex] = data[treeLeft];
            return;
        }
        //当前节点左子树索引
        int leftTreeIndex = getLeft(treeIndex);
        //当前节点右子树索引
        int rightTreeIndex = getRight(treeIndex);
        //int mid = (left+right)/2; 如果left和right很大,可能会导致整型溢出
        int mid = treeLeft + (treeRight - treeLeft) / 2;
        //构建左子树
        buildSegmentTree(leftTreeIndex, treeLeft, mid);
        //构建右子树
        buildSegmentTree(rightTreeIndex, mid + 1, treeRight);
        //当前节点存放的值
        tree[treeIndex] = merger.merge(tree[leftTreeIndex], tree[rightTreeIndex]);

    }

    public T query(int start, int end) {
        return query(0, 0, data.length - 1, start, end);
    }

    /**
     * @param treeIndex 当前查找的节点
     * @param treeLeft  treeIndex的左边界
     * @param treeRight treeIndex的右边界
     * @param queryL    用户需要查找的左边界
     * @param queryR    用户需要查找的右边界
     * @return
     */
    private T query(int treeIndex, int treeLeft, int treeRight, int queryL, int queryR) {

        //1, 需要查找的范围完刚好在这个treeIndex节点的区间
        if (treeLeft == queryL && treeRight == queryR) {
            return tree[treeIndex];
        }

        //当前节点的区间的中间点
        int mid = treeLeft + (treeRight - treeLeft) / 2;
        //左子树索引
        int leftTreeIndex = getLeft(treeIndex);
        //右子树索引
        int rightTreeIndex = getRight(treeIndex);


        //2, 需要查找的范围完全在左子树的区间里
        if (queryR <= mid) {
            return query(leftTreeIndex, treeLeft, mid, queryL, queryR);
        }
        //3, 需要查找的范围完全在右子树区间里
        if (queryL >= mid + 1) {
            return query(rightTreeIndex, mid + 1, treeRight, queryL, queryR);
        }

        //需要查找的范围一部分在左子树里,一部分在右子树中
        T left = query(leftTreeIndex, treeLeft, mid, queryL, mid);
        T right = query(rightTreeIndex, mid + 1, treeRight, mid + 1, queryR);
        return merger.merge(left, right);
    }
    
    
    public void update(int index, T e) {
        data[index] = e;
        update(0, 0, data.length - 1, index, e);
    }


    private void update(int treeIndex, int treeLeft, int treeRight, int index, T e) {
        if (treeLeft == treeRight) {
            tree[treeIndex] = e;
            return;
        }

        int mid = treeLeft + (treeRight - treeLeft) / 2;
        int leftChildIndex = getLeft(treeIndex);
        int rightChildIndex = getRight(treeIndex);

        if (index <= mid) {
            update(leftChildIndex, treeLeft, mid, index, e);
        } else if (index >= mid + 1) {
            update(rightChildIndex, mid + 1, treeRight, index, e);
        }

        //更改完叶子节点后,还需要对他的所有祖辈节点更新
        tree[treeIndex] = merger.merge(tree[leftChildIndex], tree[rightChildIndex]);
    }

    public T get(int index) {
        return data[0];
    }

    public int size() {
        return data.length;
    }

    public int getLeft(int index) {
        return index * 2 + 1;
    }

    public int getRight(int index) {
        return index * 2 + 2;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        builder.append("[");
        for (int i = 0; i < tree.length; i++) {
            if (tree[i] == null) {
                continue;
            }
            builder.append(tree[i]).append(',');
        }
        builder.deleteCharAt(builder.length() - 1);
        builder.append(']');
        return builder.toString();
    }
}
View Code

时间复杂度:

区间统计问题通常用动态规划也能解但整体时间复杂度通常为O(n2),有些可优化为O(n);有些问题用前缀和数组也能解,甚至效率比线段树的高。但动规和前缀和不支持动态修改数组

构造线段树的时间复杂度为O(n)、之后查询的时间复杂度为树高O(lgn)、元素变更导致的动态维护的时间复杂度为O(lgn);动规的分别为O(n2)、O(1)、O(n2);前缀和的分别为O(n)、O(1)、O(n)。动规和前缀和的动态维护其实就是完全重建。

二叉索引树 Binary Indexed Tree,用于解决允许动态修改的数组的前缀和问题。可见这种问题也可用线段树解决。详见 binary indexed tree

初始化时间复杂度为O(nlgn)或O(n) ,取决于实现,查询和修改的时间复杂度为O(lgn) 。   

 

7、拓展——其他特殊的树(不一定是二叉树)

用于字符串查找的树:

Trie Tree:前缀树,实践见 用Java实现Trie树-MarchOn

Radix Tree(compact prefix tree),Trie树的改进,只有一个元素的路径会被合并在一起,因此树高会大大减少从而减少空间占用,但插入、删除、查找过程会变得稍微复杂点。

优点:查找时不仅支持精确查找,还支持查找前续字符串、后续字符串、某个前缀的所有字符串等;占用空间比Trie Tree。

使用场景:元素个数不是太多,但是元素之间通常有很长的相同前缀时很适合采用radix tree来存储。例如 IP routing(因为IP有地址有大量的公共前缀)、文本倒排索引中等。Redis中的字符串就用这种来索引。

Radix树与Trie树比较:两者思想类似,可把Trie树看成是一个基为26(英文字符个数)的Radix树(也可以把radix树看做是Trie树的变异)。Trie树一般用于字符串到对象的映射,而radix树一般用于长整数到对象的映射。Trie树主要问题是树的层高。假设要索引的字符串长度非常长,我们也要建一颗非常高的树么? radix树能固定层高(对于较长的字符串,能够用数学公式计算出其特征值,再用radix树存储这些特征值)。

一个开源实现:https://github.com/hlyzsm/rax,Redis 中采用的Radix Tree C实现。

 

树形结构的可选替代者-SkipList

(add on 20191216)

(关于SkipList详情可参阅:Redis跳表https://lotabout.me/2018/skip-list、Implementation in c:https://gist.github.com/zhpengg/2873424

树行结构缺点:原理和实现复杂(在节点增减或修改时可能需要进行旋转等调整操作,这是个费时的操作);对并发操作的支持差。

鉴于这些缺点,有了SkipList(跳表)。SkipList由William Pugh于1990年在 Communications of the ACM June 1990, 33(6) 668-676 发表的《Skip lists: a probabilistic alternative to balanced trees》paper中提出,SkipList的设计初衷是作为替换平衡树的一种选择,是一种包含多层有序单链表的随机化的数据结构

原理

从形态上看是一种包含多层有序单链表的结构,链表单向或双向均可,取决于实现。最低层包含所有元素、在最低层的基础上自底向上创建多层的有序单链表,上层的元素来源于下层但个数比下层少,起到“路标”或“索引”的作用。这样查询时从上层开始可跳过大部分元素从而减少节点比较;增删时与查询类似先自顶向下定位到最低层的节点位置接着操作然后维护上层链表。

示例:下图是比较理想的情况,上层节点数是下层的一半,实际上不会这么理想因为有随机因素,但即使非理想状态下平均时间复杂度也是O(lgn)。当然,最坏是只有一个单链表,此时是O(n)。

是一种随机化的数据结构,体现在节点插入后要不要出现在上层、出现上面多少层由“抛硬币”决定。故从统计上来说一个skiplist结构的形成与节点的插入顺序无关。

randomLevel() #通过随机决定出现在多少层上。p表示一个key出现当前层时出现在直接上层的概率、MaxLevel表示整个skiplist最大允许的层数
    level := 1
    // random()返回一个[0...1)的随机数
    while random() < p and level < MaxLevel do
        level := level + 1
    return level
View Code

示例: 

 可见本质上与B+树有点像,体现在:都是自底向上增长;后者叶节点相连而前者内部同层节点也相连;后者每个非叶节点有多个key、多个子节点而前者上层节点只有一个key、一个子节点。

实现

todo ...

性能

与红黑树等平衡树相比,增删改查平均时间复杂度都是 O(lgn),但原理和实现简单(不用进行复杂的树节点分裂合并等)、范围查询简单(B+树范围查询也简单但红黑树就得改造才能支持通过中序遍历进行范围查询)。

时空复杂度(详细理论分析见本节首第一个参考文章):设插入一个节点到某层时出现在上一层的概率为p,则节点出现层数恰为i(i≥1)的概率为p(i-1)(1-p),故平均层数为1/(1-p)。进而可分析出(稍麻烦)时间复杂度为O(lgn)

应用:如Redis Zset(见 Redis Zset的实现-MarchOn)、LevelDB、LSM Tree中的MemTable等(后者在HBase、BigTable等很多地方用到)。与二叉树(AVL树)等相比性能更好,主要得益于插入、删除时不用进行复杂的树调整;查询时也有类似于树的navigator功能。

 

3、其他

1、二叉树与树、森林的转换

二叉树与一般树的双向转换、与森林的双向转换。(一般树转为二叉树后根节点度为1,包含多棵树的森林转为二叉树后根节点度为2)。二叉树转为树或森林时,该二叉树须是由后者转换而来的。

2、树、森林的遍历:

a、二叉树:前序、中序、后序、层次

b、树:前序、后序

c、森林:前序(即按树的前序遍历依次遍历每棵树)、中序(即按树的后序遍历方式依次遍历每棵树,尼玛叫后序更合适吧)

将树或森林转为二叉树或反向转换后:(不用记,举个例子就明了了)

二叉树的前序、树的前序、森林的前序遍历序列一样

二叉树的中序、树的后序、森林的中序(尼玛你若叫后序遍历这里就统一了)一样

3、森林的保存:

法1:用多个链表保存

法2:用一维数组parent[] 保存,parent[i]表示编号为i的节点的父节点编号。这实际上就是并查集的表示,关于并查集可参阅 UnionFind算法详解

附件——并查集代码:

class UF {
    // 连通分量个数
    private int count;
    // 存储一棵树
    private int[] parent;
    // 记录树的“重量”
    private int[] size;

    public UF(int n) {
        this.count = n;
        parent = new int[n];
        size = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            parent[i] = i;
            size[i] = 1;
        }
    }
    
    public void union(int p, int q) {
        int rootP = find(p);
        int rootQ = find(q);
        if (rootP == rootQ)
            return;
        
        // 小树接到大树下面,较平衡
        if (size[rootP] > size[rootQ]) {
            parent[rootQ] = rootP;
            size[rootP] += size[rootQ];
        } else {
            parent[rootP] = rootQ;
            size[rootQ] += size[rootP];
        }
        count--;
    }

    public boolean connected(int p, int q) {
        int rootP = find(p);
        int rootQ = find(q);
        return rootP == rootQ;
    }

    private int find(int x) {
        while (parent[x] != x) {
            // 进行路径压缩
            parent[x] = parent[parent[x]];
            x = parent[x];
        }
        return x;
    }

    public int count() {
        return count;
    }
}
View Code

4、二叉树题目的解决规律

二叉树题目的递归解法可以分两类思路,第一类是遍历一遍二叉树得出答案,第二类是通过分解问题计算出答案,这两类思路分别对应着 回溯算法核心框架 和 动态规划核心框架。详见labuladong-二叉树题目算法技巧总结

 

posted @ 2017-05-02 14:32  March On  阅读(2194)  评论(0编辑  收藏  举报
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