java实现二叉树查找树
二叉树(binary)是一种特殊的树。二叉树的每个节点最多只能有2个子节点:
二叉树
由于二叉树的子节点数目确定,所以可以直接采用上图方式在内存中实现。每个节点有一个左子节点(left children)和右子节点(right children)。左子节点是左子树的根节点,右子节点是右子树的根节点。
如果我们给二叉树加一个额外的条件,就可以得到一种被称作二叉搜索树(binary search tree)的特殊二叉树。二叉搜索树要求:每个节点都不比它左子树的任意元素小,而且不比它的右子树的任意元素大。
(如果我们假设树中没有重复的元素,那么上述要求可以写成:每个节点比它左子树的任意节点大,而且比它右子树的任意节点小)
二叉搜索树,注意树中元素的大小
二叉搜索树可以方便的实现搜索算法。在搜索元素x的时候,我们可以将x和根节点比较:
1. 如果x等于根节点,那么找到x,停止搜索 (终止条件)
2. 如果x小于根节点,那么搜索左子树
3. 如果x大于根节点,那么搜索右子树
二叉搜索树所需要进行的操作次数最多与树的深度相等。n个节点的二叉搜索树的深度最多为n,最少为log(n)。
下面是用java实现的二叉搜索树,并有搜索,插入,删除,寻找最大最小节点的操作。
删除节点相对比较复杂。删除节点后,有时需要进行一定的调整,以恢复二叉搜索树的性质(每个节点都不比它左子树的任意元素小,而且不比它的右子树的任意元素大)。
- 叶节点可以直接删除。
- 删除非叶节点时,比如下图中的节点8,我们可以删除左子树中最大的元素(或者右树中最大的元素),用删除的节点来补充元素8产生的空缺。但该元素可能也不是叶节点,所以它所产生的空缺需要其他元素补充…… 直到最后删除一个叶节点。上述过程可以递归实现。
删除节点
删除节点后的二叉搜索树
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("****************************** "); testTraverse(bst); } catch (Exception e) { System.out.println(e.getMessage()); e.printStackTrace(); } } }
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