二叉查找树的Java实现
转自:http://blog.csdn.net/lovesqcc/article/details/6246615
为了克服对树结构编程的恐惧感,决心自己实现一遍二叉查找树,以便掌握关于树结构编程的一些技巧和方法。以下是基本思路:
[1] 关于容器与封装。封装,是一种非常重要的系统设计思想;无论是面向过程的函数,还是面向对象的对象,都是实现抽象和封装的技术手段。要使系统更加安全更具可维护性,就应当将封装思想谨记心中。容器是封装思想的绝好示例。用户对容器的印象应该简洁地表达为:A. 可以存入指定的东西; B. 可以取出所期望的东西。 而至于这容器中究竟有什么机关,藏的是毒蛇还是黄金,都是对用户不可见的。二叉查找树就是这样一个容器。面向对象编程中,为实现树结构,自然要对树结点对象进行建模。这里采用了内部类;外部类对二叉查找树进行建模,而树结点作为内部类实现。
[2] 本程序尽量实现一个比较实用的二叉查找树,其中包括动态的插入、删除操作;查询给定关键字、最小关键字、最大关键字;获取二叉树的有序列表(用于排序)等。因为我希望以后还能用到这个容器的,而不仅仅是编程练习。二叉查找树操作的大部分算法参考了《算法导论2》第12章内容,删除操作略显笨拙。程序中有错误之处,欢迎指出。
[3] 程序如下:
- /**
- * @author shuqin1984 2011-3-13
- *
- * 此程序实现一个二叉查找树的功能,可以进行动态插入、删除关键字;
- * 查询给定关键字、最小关键字、最大关键字;转换为有序列表(用于排序)
- *
- *
- */
- package datastructure.tree;
- import java.util.ArrayList;
- import java.util.List;
- public class BinarySearchTree {
- // 树的根结点
- private TreeNode root = null;
- // 遍历结点列表
- private List<TreeNode> nodelist = new ArrayList<TreeNode>();
- private class TreeNode {
- private int key;
- private TreeNode leftChild;
- private TreeNode rightChild;
- private TreeNode parent;
- public TreeNode(int key, TreeNode leftChild, TreeNode rightChild, TreeNode parent) {
- this.key = key;
- this.leftChild = leftChild;
- this.rightChild = rightChild;
- this.parent = parent;
- }
- public int getKey() {
- return key;
- }
- public String toString()
- {
- String leftkey = (leftChild == null ? "" : String.valueOf(leftChild.key));
- String rightkey = (rightChild == null ? "" : String.valueOf(rightChild.key));
- return "(" + leftkey + " , " + key + " , " + rightkey + ")";
- }
- }
- /**
- * isEmpty: 判断二叉查找树是否为空;若为空,返回 true ,否则返回 false .
- *
- */
- public boolean isEmpty()
- {
- if (root == null) {
- return true;
- } else {
- return false;
- }
- }
- /**
- * TreeEmpty: 对于某些二叉查找树操作(比如删除关键字)来说,若树为空,则抛出异常。
- */
- public void TreeEmpty() throws Exception
- {
- if (isEmpty()) {
- throw new Exception("树为空!");
- }
- }
- /**
- * search: 在二叉查找树中查询给定关键字
- * @param key 给定关键字
- * @return 匹配给定关键字的树结点
- */
- public TreeNode search(int key)
- {
- TreeNode pNode = root;
- while (pNode != null && pNode.key != key) {
- if (key < pNode.key) {
- pNode = pNode.leftChild;
- }
- else {
- pNode = pNode.rightChild;
- }
- }
- return pNode;
- }
- /**
- * minElemNode: 获取二叉查找树中的最小关键字结点
- * @return 二叉查找树的最小关键字结点
- * @throws Exception 若树为空,则抛出异常
- */
- public TreeNode minElemNode(TreeNode node) throws Exception
- {
- if (node == null) {
- throw new Exception("树为空!");
- }
- TreeNode pNode = node;
- while (pNode.leftChild != null) {
- pNode = pNode.leftChild;
- }
- return pNode;
- }
- /**
- * maxElemNode: 获取二叉查找树中的最大关键字结点
- * @return 二叉查找树的最大关键字结点
- * @throws Exception 若树为空,则抛出异常
- */
- public TreeNode maxElemNode(TreeNode node) throws Exception
- {
- if (node == null) {
- throw new Exception("树为空!");
- }
- TreeNode pNode = node;
- while (pNode.rightChild != null) {
- pNode = pNode.rightChild;
- }
- return pNode;
- }
- /**
- * successor: 获取给定结点在中序遍历顺序下的后继结点
- * @param node 给定树中的结点
- * @return 若该结点存在中序遍历顺序下的后继结点,则返回其后继结点;否则返回 null
- * @throws Exception
- */
- public TreeNode successor(TreeNode node) throws Exception
- {
- if (node == null) {
- return null;
- }
- // 若该结点的右子树不为空,则其后继结点就是右子树中的最小关键字结点
- if (node.rightChild != null) {
- return minElemNode(node.rightChild);
- }
- // 若该结点右子树为空
- TreeNode parentNode = node.parent;
- while (parentNode != null && node == parentNode.rightChild) {
- node = parentNode;
- parentNode = parentNode.parent;
- }
- return parentNode;
- }
- /**
- * precessor: 获取给定结点在中序遍历顺序下的前趋结点
- * @param node 给定树中的结点
- * @return 若该结点存在中序遍历顺序下的前趋结点,则返回其前趋结点;否则返回 null
- * @throws Exception
- */
- public TreeNode precessor(TreeNode node) throws Exception
- {
- if (node == null) {
- return null;
- }
- // 若该结点的左子树不为空,则其前趋结点就是左子树中的最大关键字结点
- if (node.leftChild != null) {
- return maxElemNode(node.leftChild);
- }
- // 若该结点左子树为空
- TreeNode parentNode = node.parent;
- while (parentNode != null && node == parentNode.leftChild) {
- node = parentNode;
- parentNode = parentNode.parent;
- }
- return parentNode;
- }
- /**
- * insert: 将给定关键字插入到二叉查找树中
- * @param key 给定关键字
- */
- public void insert(int key)
- {
- TreeNode parentNode = null;
- TreeNode newNode = new TreeNode(key, null, null,null);
- TreeNode pNode = root;
- if (root == null) {
- root = newNode;
- return ;
- }
- while (pNode != null) {
- parentNode = pNode;
- if (key < pNode.key) {
- pNode = pNode.leftChild;
- }
- else if (key > pNode.key) {
- pNode = pNode.rightChild;
- } else {
- // 树中已存在匹配给定关键字的结点,则什么都不做直接返回
- return ;
- }
- }
- if (key < parentNode.key) {
- parentNode.leftChild = newNode;
- newNode.parent = parentNode;
- }
- else {
- parentNode.rightChild = newNode;
- newNode.parent = parentNode;
- }
- }
- /**
- * insert: 从二叉查找树中删除匹配给定关键字相应的树结点
- * @param key 给定关键字
- */
- public void delete(int key) throws Exception
- {
- TreeNode pNode = search(key);
- if (pNode == null) {
- throw new Exception("树中不存在要删除的关键字!");
- }
- delete(pNode);
- }
- /**
- * delete: 从二叉查找树中删除给定的结点.
- * @param pNode 要删除的结点
- *
- * 前置条件: 给定结点在二叉查找树中已经存在
- * @throws Exception
- */
- private void delete(TreeNode pNode) throws Exception
- {
- if (pNode == null) {
- return ;
- }
- if (pNode.leftChild == null && pNode.rightChild == null) { // 该结点既无左孩子结点,也无右孩子结点
- TreeNode parentNode = pNode.parent;
- if (pNode == parentNode.leftChild) {
- parentNode.leftChild = null;
- } else {
- parentNode.rightChild = null;
- }
- return ;
- }
- if (pNode.leftChild == null && pNode.rightChild != null) { // 该结点左孩子结点为空,右孩子结点非空
- TreeNode parentNode = pNode.parent;
- if (pNode == parentNode.leftChild) {
- parentNode.leftChild = pNode.rightChild;
- pNode.rightChild.parent = parentNode;
- }
- else {
- parentNode.rightChild = pNode.rightChild;
- pNode.rightChild.parent = parentNode;
- }
- return ;
- }
- if (pNode.leftChild != null && pNode.rightChild == null) { // 该结点左孩子结点非空,右孩子结点为空
- TreeNode parentNode = pNode.parent;
- if (pNode == parentNode.leftChild) {
- parentNode.leftChild = pNode.leftChild;
- pNode.rightChild.parent = parentNode;
- }
- else {
- parentNode.rightChild = pNode.leftChild;
- pNode.rightChild.parent = parentNode;
- }
- return ;
- }
- // 该结点左右孩子结点均非空,则删除该结点的后继结点,并用该后继结点取代该结点
- TreeNode successorNode = successor(pNode);
- delete(successorNode);
- pNode.key = successorNode.key;
- }
- /**
- * inOrderTraverseList: 获得二叉查找树的中序遍历结点列表
- * @return 二叉查找树的中序遍历结点列表
- */
- public List<TreeNode> inOrderTraverseList()
- {
- if (nodelist != null) {
- nodelist.clear();
- }
- inOrderTraverse(root);
- return nodelist;
- }
- /**
- * inOrderTraverse: 对给定二叉查找树进行中序遍历
- * @param root 给定二叉查找树的根结点
- */
- private void inOrderTraverse(TreeNode root)
- {
- if (root != null) {
- inOrderTraverse(root.leftChild);
- nodelist.add(root);
- inOrderTraverse(root.rightChild);
- }
- }
- /**
- * toStringOfOrderList: 获取二叉查找树中关键字的有序列表
- * @return 二叉查找树中关键字的有序列表
- */
- public String toStringOfOrderList()
- {
- StringBuilder sbBuilder = new StringBuilder(" [ ");
- for (TreeNode p: inOrderTraverseList()) {
- sbBuilder.append(p.key);
- sbBuilder.append(" ");
- }
- sbBuilder.append("]");
- return sbBuilder.toString();
- }
- /**
- * 获取该二叉查找树的字符串表示
- */
- public String toString()
- {
- StringBuilder sbBuilder = new StringBuilder(" [ ");
- for (TreeNode p: inOrderTraverseList()) {
- sbBuilder.append(p);
- sbBuilder.append(" ");
- }
- sbBuilder.append("]");
- return sbBuilder.toString();
- }
- public TreeNode getRoot() {
- return root;
- }
- public static void testNode(BinarySearchTree bst, TreeNode pNode) throws Exception {
- System.out.println("本结点: " + pNode);
- System.out.println("前趋结点: " + bst.precessor(pNode));
- System.out.println("后继结点: " + bst.successor(pNode));
- }
- public static void testTraverse(BinarySearchTree bst) {
- System.out.println("二叉树遍历:" + bst);
- System.out.println("二叉查找树转换为有序列表: " + bst.toStringOfOrderList());
- }
- public static void main(String[] args)
- {
- try {
- BinarySearchTree bst = new BinarySearchTree();
- System.out.println("查找树是否为空? " + (bst.isEmpty() ? "是" : "否"));
- int[] keys = new int[] {15, 6, 18, 3, 7, 13, 20, 2, 9, 4};
- for (int key: keys) {
- bst.insert(key);
- }
- System.out.println("查找树是否为空? " + (bst.isEmpty() ? "是" : "否"));
- TreeNode minkeyNode = bst.minElemNode(bst.getRoot());
- System.out.println("最小关键字: " + minkeyNode.getKey());
- testNode(bst, minkeyNode);
- TreeNode maxKeyNode = bst.maxElemNode(bst.getRoot());
- System.out.println("最大关键字: " + maxKeyNode.getKey());
- testNode(bst, maxKeyNode);
- System.out.println("根结点关键字: " + bst.getRoot().getKey());
- testNode(bst, bst.getRoot());
- testTraverse(bst);
- System.out.println("****************************** ");
- System.out.println("查找 7 : " + (bst.search(7) != null ? "查找成功!" : "查找失败,不存在该关键字!"));
- bst.delete(7);
- System.out.println("查找 7 : " + (bst.search(7) != null ? "查找成功!" : "查找失败,不存在该关键字!"));
- System.out.println("查找 12 : " + (bst.search(12) != null ? "查找成功!" : "查找失败,不存在该关键字!"));
- bst.insert(12);
- System.out.println("查找 12 : " + (bst.search(12) != null ? "查找成功!" : "查找失败,不存在该关键字!"));
- testTraverse(bst);
- System.out.println("****************************** ");
- bst.insert(16);
- bst.delete(6);
- bst.delete(4);
- testTraverse(bst);
- } catch (Exception e) {
- System.out.println(e.getMessage());
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }