Java实现链式存储的二叉查找树（递归方法）

二叉查找树的定义：

　　二叉查找树或者是一颗空树，或者是一颗具有以下特性的非空二叉树：

　　　　1. 若左子树非空，则左子树上所有节点关键字值均小于根节点的关键字；

　　　　2. 若右子树非空，则右子树上所有节点关键字值均大于根节点的关键字；

　　　　3. 左、右子树本身也分别是一颗二叉查找树。

二叉查找树的实现，功能有：

　　1. 用一个数组去构建二叉查找树

　　2. 二叉查找树的中序遍历和层次遍历

　　3. 插入节点

　　4. 查找节点

      5. 查找二叉树中的最大值和最小值

　　6.  得到节点的直接父节点

　　7. 得到节点的直接前驱和直接后继节点

　　8. 删除节点

树节点TreeNode的定义见：Java实现链式存储的二叉树

import java.lang.Integer;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Scanner;

/*
 * 二叉排序树（二叉查找树）的实现
 */
public class BinarySearchTree {
    private TreeNode<Integer> root;  //根节点
    
    public BinarySearchTree(){
        root = null;
    }
    
    //用一个数组去构建二叉查找树
    public TreeNode<Integer> buildBST(Integer[] array){
        if(array.length == 0){
            return null;
        }else{
            root = null;  //初始化树为空树
            for(int i=0; i<array.length; i++){ //依次将每个元素插入
                root = insertNode(root,array[i]);
            }
            return root;
        }        
    }
    
    //在二叉查找树中插入一个数据域为data的结点，新插入的结点一定是某个叶子节点
    public TreeNode<Integer> insertNode(TreeNode<Integer> node, Integer data){
        if(node == null){   //原树为空，新插入的记录为根节点
            node = new TreeNode<Integer>(data,null,null);        
        }else{
            if(node.getData() == data){   //树中存在相同关键字的结点,什么也不做
                
            }else{
                if(node.getData() > data){  //根节点>插入数据，插入到左子树中
                    node.setLchild(insertNode(node.getLchild(),data));
                }else{ //根节点<插入数据，插入到右子树中
                    node.setRchild(insertNode(node.getRchild(),data)); 
                }
            }        
        }
        return node;
    }
    
    //二叉查找树的中序遍历，可以得到一个递增的有序数列
    public void inOrder(TreeNode<Integer> node){
        if(node != null){
            inOrder(node.getLchild());
            System.out.print(node.getData()+" ");
            inOrder(node.getRchild());
        }
    }
    //二叉查找树的层次遍历
    public void levelOrder(TreeNode<Integer> root){
        Queue<TreeNode<Integer>> nodeQueue = new LinkedList<TreeNode<Integer>>();
        TreeNode<Integer> node = null;
        nodeQueue.add(root);  //将根节点入队    
        while(!nodeQueue.isEmpty()){  //队列不空循环
            node = nodeQueue.peek();
            System.out.print(node.getData()+" ");
            nodeQueue.poll();     //队头元素出队
            if(node.getLchild() != null){     //左子树不空，则左子树入队列
                nodeQueue.add(node.getLchild());
            }
            if(node.getRchild() != null){     //右子树不空，则右子树入队列
                nodeQueue.add(node.getRchild());
            }
        }
    }
    
    //查找数据域为data的结点，若不存在，返回null
    public TreeNode<Integer> searchNode(TreeNode<Integer> node, Integer data){
        while(node != null && node.getData() != data){
            if(node.getData() > data){
                node = node.getLchild();  //根节点>数据，向左走
            }else{
                node = node.getRchild();  //根节点<数据，向右走
            }
        }
        return node;
    }
    
    //查找最大值：不断地寻找右子节点
    public TreeNode<Integer> getMaxData(TreeNode<Integer> node){
        if(node.getRchild() == null){
            return node;
        }else{
            return getMaxData(node.getRchild());
        }
    }
    
    //查找最小值：不断地寻找左子节点
    public TreeNode<Integer> getMinData(TreeNode<Integer> node){
        if(node.getLchild() == null){
            return node;
        }else{
            return getMinData(node.getLchild());
        }
    }
    
    //得到数据域为data的结点的直接父节点parentNode
    public TreeNode<Integer> getParentNode(TreeNode<Integer> root, Integer data){
        TreeNode<Integer> parentNode = root;
        if(parentNode.getData() == data){   //根节点的父节点返回为null
            return null;
        }
        while(parentNode != null){
            //查找当前节点的父节点的左右子节点，若是相等，则返回该父节点
            if((parentNode.getLchild() != null && parentNode.getLchild().getData() == data) || 
                    (parentNode.getRchild() != null && parentNode.getRchild().getData() == data)){
                return parentNode;
            }else{
                if(parentNode.getData() > data){ //向左查找父节点
                    parentNode = parentNode.getLchild();
                }else{
                    parentNode = parentNode.getRchild();  //向右查找父节点
                }
            }            
        }
        return null;
    }
    
    /**
     * 得到结点node的直接前趋
     * a.该节点左子树不为空：其前驱节点为其左子树的最大元素
     * b.该节点左子树为空: 其前驱节点为其祖先节点(递归)，且该祖先节点的右孩子也为其祖先节点
     *   (就是一直往其parent找，出现左拐后的那个祖先节点) 
     */
    public TreeNode<Integer> getPrecessor(TreeNode<Integer> root,TreeNode<Integer> node){
        if(node == null){
            return null;
        }
        //a.该节点左子树不为空：其前驱节点为其左子树的最大元素
        if(node.getLchild() != null){
            return getMaxData(node.getLchild());
        }else{  //b.该节点左子树为空: 其前驱节点为其祖先节点(递归)        
            TreeNode<Integer> parentNode = getParentNode(root, node.getData());
            while(parentNode != null && node == parentNode.getLchild()){
                node = parentNode;
                parentNode = getParentNode(root, parentNode.getData());
            }
            return parentNode;
        }
    }
    
    /**
     * 得到结点node的直接后继(后继节点就是比要删除的节点的关键值要大的节点集合中的最小值)
     * a.该节点右子树不为空，其后继节点为其右子树的最小元素
     * b.该节点右子树为空，则其后继节点为其祖先节点(递归)，且此祖先节点的左孩子也是该节点的祖先节点，
     *   就是说一直往上找其祖先节点，直到出现右拐后的那个祖先节点： 
     */
    public TreeNode<Integer> getSuccessor(TreeNode<Integer> root,TreeNode<Integer> node){
        if(node == null){
            return null;
        }
        //a.该节点右子树不为空，其后继节点为其右子树的最小元素
        if(node.getRchild() != null){
            return getMinData(node.getRchild());
        }else{  //b.该节点右子树为空，则其后继节点为其最高祖先节点(递归)        
            TreeNode<Integer> parentNode = getParentNode(root, node.getData());
            while(parentNode != null && node == parentNode.getRchild()){
                node = parentNode;
                parentNode = getParentNode(root, parentNode.getData());
            }
            return parentNode;
        }
    }
    
    /**
     * 删除数据域为data的结点
     * 按三种情况处理：
     * a.如果被删除结点z是叶子节点，则直接删除，不会破坏二叉查找树的性质
     * b.如果节点z只有一颗左子树或右子树，则让z的子树成为z父节点的子树，代替z的位置
     * c.若结点z有左、右两颗子树，则令z的直接后继（或直接前驱）替代z，
     *   然后从二叉查找树中删去这个直接后继（或直接前驱）,这样就转换为第一或第二种情况
     * @param node 二叉查找树的根节点
     * @param data 需要删除的结点的数据域
     * @return
     */
    public boolean deleteNode(TreeNode<Integer> node, Integer data){
        if(node == null){ //树为空
            throw new RuntimeException("树为空！");
        }
        TreeNode<Integer> delNode= searchNode(node, data);  //搜索需要删除的结点
        TreeNode<Integer> parent = null;
        if(delNode == null){  //如果树中不存在要删除的关键字
            throw new RuntimeException("树中不存在要删除的关键字！");
        }else{
            parent = getParentNode(node,data);  //得到删除节点的直接父节点
            //a.如果被删除结点z是叶子节点，则直接删除，不会破坏二叉查找树的性质         
            if(delNode.getLchild()==null && delNode.getRchild()==null){    
                if(delNode==parent.getLchild()){  //被删除节点为其父节点的左孩子
                    parent.setLchild(null);
                }else{    //被删除节点为其父节点的右孩子
                    parent.setRchild(null);
                }
                return true;
            }
            //b1.如果节点z只有一颗左子树，则让z的子树成为z父节点的子树，代替z的位置
            if(delNode.getLchild()!=null && delNode.getRchild()==null){
                if(delNode==parent.getLchild()){ //被删除节点为其父节点的左孩子
                    parent.setLchild(delNode.getLchild());                    
                }else{ //被删除节点为其父节点的右孩子
                    parent.setRchild(delNode.getLchild());
                }
                delNode.setLchild(null); //设置被删除结点的左孩子为null
                return true;
            }
            //b2.如果节点z只有一颗右子树，则让z的子树成为z父节点的子树，代替z的位置
            if(delNode.getLchild()==null && delNode.getRchild()!=null){
                if(delNode==parent.getLchild()){ //被删除节点为其父节点的左孩子
                    parent.setLchild(delNode.getRchild());
                }else{  //被删除节点为其父节点的右孩子
                    parent.setRchild(delNode.getRchild());
                }
                delNode.setRchild(null); //设置被删除结点的右孩子为null
                return true;
            }
            //c.若结点z有左、右两颗子树，则删除该结点的后继结点，并用该后继结点取代该结点
            if(delNode.getLchild()!=null && delNode.getRchild()!=null){
                TreeNode<Integer> successorNode = getSuccessor(node,delNode); //得到被删除结点的后继节点
                deleteNode(node,successorNode.getData()); //删除该结点的后继结点
                delNode.setData(successorNode.getData()); //用该后继结点取代该结点
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    
    
    public static void main(String args[]){
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        Integer[] array = {8,3,10,1,6,14,4,7,13};
        BinarySearchTree bst = new BinarySearchTree();
        TreeNode<Integer> root = bst.buildBST(array);
        System.out.print("层次遍历：");  
        bst.levelOrder(root);
        System.out.print("\n"+"中序遍历：");  
        bst.inOrder(root);  
         System.out.println();
         System.out.print("得到最大值：");  
         System.out.println(bst.getMaxData(root).getData());  
         System.out.print("得到最小值：");  
         System.out.println(bst.getMinData(root).getData()); 
         System.out.print("向二叉查找树中插入一个节点，请输入需插入节点的数据域：");
         int data = input.nextInt();
         System.out.print("插入节点"+ data +"后，中序遍历的结果：");
         root = bst.insertNode(root, data); 
         bst.inOrder(root);  
         System.out.println("\n"+"在二叉查找树中查找元素,"+"请输入需要查找的结点值：");
         data = input.nextInt();
         if(bst.searchNode(root, data) == null){
             System.out.println("false");
         }else{
             System.out.println("true");
         }
         System.out.println("查找节点的直接父节点,"+"请输入需要查找的结点值：");
         data = input.nextInt();
         System.out.print("节点"+ data +"的父节点是：");
         if(bst.getParentNode(root, data) == null){
             System.out.println("null");
         }else{
             System.out.println(bst.getParentNode(root, data).getData());
         }
         System.out.println("删除结点,"+"请输入需要删除的结点值：");
         data = input.nextInt();
         if(bst.deleteNode(root, data)){
            System.out.print("删除结点后的层次遍历：");  
             bst.levelOrder(root);
             System.out.print("\n"+"删除结点后的中序遍历：");  
             bst.inOrder(root); 
         }      
    }    
}

程序运行结果：

层次遍历：8 3 10 1 6 14 4 7 13 
中序遍历：1 3 4 6 7 8 10 13 14 
得到最大值：14
得到最小值：1
向二叉查找树中插入一个节点，请输入需插入节点的数据域：15
插入节点15后，中序遍历的结果：1 3 4 6 7 8 10 13 14 15 
在二叉查找树中查找元素,请输入需要查找的结点值：
4
true
查找节点的直接父节点,请输入需要查找的结点值：
10
节点10的父节点是：8
删除结点,请输入需要删除的结点值：
4
删除结点后的层次遍历：8 3 10 1 6 14 7 13 15 
删除结点后的中序遍历：1 3 6 7 8 10 13 14 15 

某些方法的非递归实现：

1. 插入节点insertNode():

　　//在二叉查找树中插入一个数据域为data的结点，新插入的结点一定是某个叶子节点
    public TreeNode<Integer> insertNode(TreeNode<Integer> node, Integer data){
        TreeNode<Integer> newNode = new TreeNode<Integer>(data,null,null);
        TreeNode<Integer> tmpNode = node;  //遍历节点
        TreeNode<Integer> pnode = null;   //记录当前节点的父节点    
        
        if(node == null){   //原树为空，新插入的记录为根节点
            node = newNode;    
            return node;
        }
        while(tmpNode != null){
            pnode = tmpNode;
            if(tmpNode.getData() == data){ //树中存在相同关键字的结点,什么也不做
                return node;
            }else{
                if(tmpNode.getData() > data){ //根节点>插入数据，插入到左子树中
                    tmpNode = tmpNode.getLchild();
                }else{ //根节点<插入数据，插入到右子树中
                    tmpNode = tmpNode.getRchild();
                }
            }
        }
        if(pnode.getData() > data){
            pnode.setLchild(newNode);
        }else{
            pnode.setRchild(newNode);
        }    
        return node;
    }

2. 二叉查找树的中序遍历：

　　//二叉查找树的中序遍历LNR，可以得到一个递增的有序数列
    public void inOrder(TreeNode<Integer> node){
        Stack<TreeNode<Integer>> nodeStack = new Stack<TreeNode<Integer>>();
        TreeNode<Integer> tempNode = node;  //遍历指针
        while(tempNode != null || !nodeStack.isEmpty()){
            if(tempNode != null){
                nodeStack.push(tempNode);
                tempNode = tempNode.getLchild();
            }else{
                tempNode = nodeStack.pop();
                System.out.print(tempNode.getData() + " ");
                tempNode = tempNode.getRchild();
            }
        }
    }

3. 得到二叉查找树的最大值和最小值：

    //查找最大值：不断地寻找右子节点
    public TreeNode<Integer> getMaxData(TreeNode<Integer> node){
        TreeNode<Integer> tempNode = node;
        while(tempNode.getRchild()!=null){
            tempNode = tempNode.getRchild();
        }
        return tempNode;
    }
    
    //查找最小值：不断地寻找左子节点
    public TreeNode<Integer> getMinData(TreeNode<Integer> node){
        TreeNode<Integer> tempNode = node;
        while(tempNode.getLchild() != null){
            tempNode = tempNode.getLchild();
        }
        return tempNode;
    }