二叉搜索树 (Binary Search Tree)

Github Repo：https://github.com/sinkinben/DataStructure.git

二叉搜索树（Binary Search Tree, BST）定义：

左子树的 Key 值不大于根的 Key 值，右子树的 Key 值不小于根的 Key 值。如果限制 Key 值是唯一的，那么就有：left.key < root.key < right.key 。

性质：中序遍历所得序列呈升序（非降序）。

本文实现 API：

selfCheck：检查当前的 BST 是否满足其性质。
search：根据关键字 val 查找某一节点。
insert：插入节点。
remove：删除节点
update：更新某一节点（实质是先删后加）。
maxval：BST 中的最大值。
minval：BST 中的最小值。
successor：查找某一节点的后继（即中序遍历中的下一个）。
precedessor：查找某一节点的先驱（即中序遍历的前一个）。

selfCheck

本函数用于 Debug，因此不考虑复杂度。

先获取整个中序序列，检查是否为升序。

void selfCheck()
{
    auto v = this->inorder();
    int n = v.size();
    for (int i = 1; i < n; i++)
        assert(v[i] > v[i - 1]);
}

search

根据 BST 的性质，如果插入的 val 小于当前 x.val，则向左子树寻找，否则向右子树寻找。

// search val by non-recursion
TreeNode<T> *search(T val)
{
    auto p = this->root;
    while (p != nullptr && p->val != val)
    {
        if (val < p->val)
            p = p->left;
        else
            p = p->right;
    }
    return p;
}

递归形式：

// search val by recursion
TreeNode<T> *innerSearch(TreeNode<T> *p, T val)
{
    if (p == nullptr || p->val == val)
        return p;
    if (val < p->val)
        return innerSearch(p->left, val);
    else
        return innerSearch(p->right, val);
}

insert

根据 BST 的性质，如果插入的 val 小于当前 x.val，则向左子树寻找插入位置，否则向右子树寻找。利用指针 y 记住当前查找节点 x 的 parent，以方便后面的插入。

// insert a new node into the BST, whose value is 'val'
// each node in BST is unique
// return nullptr means 'val' is already in BST
TreeNode<T> *insert(T val)
{
    if (this->root == nullptr)
        return this->root = new TreeNode<T>(val);
    auto x = this->root;
    auto y = x->parent; // nullptr actually
    while (x != nullptr)
    {
        y = x;
        if (val < x->val)
            x = x->left;
        else if (val > x->val)
            x = x->right;
        else
            return nullptr;
    }
    auto node = new TreeNode<T>(val);
    node->parent = y;
    return val < y->val ? (y->left = node) : (y->right = node);
}

remove

首先实现一个移植函数 transplant ，该函数的作用是把子树 u 替换为子树 v 。即：

    p                       p
   / \                     / \
  u   pr      ==>         v   pr
 / \                     / \
ul  ur                  vl  vr

代码：

// remove helper
// replace subtree-u with subtree-v
void transplant(TreeNode<T> *u, TreeNode<T> *v)
{
    if (u == nullptr)
        return;
    // u is the root
    if (u->parent == nullptr)
        this->root = v;
    else if (u == u->parent->left)
        u->parent->left = v;
    else
        u->parent->right = v;
    if (v != nullptr)
        v->parent = u->parent;
}

根据删除节点 node 需要分情况讨论：

图中的 z 就是下面所说的 node 。

没有左子树：直接用 node 的右子树替换 node ，右子树可以为 NULL 。如上图 (a) 。
只有左子树：用 node 的左子树替换 node。如上图 (b) 。
左右子树均有，那么用右子树的最小值 y （可以确定 y 没有左子树）替换 node，这时需要根据 y 是否为 node 的右孩子进行讨论：
- y 是 node 的右孩子：如图 (c)，直接 y 替换 node 。
- y 不是 node 的右孩子：如图 (d)，先使用 x 替换 y ，然后让 node 的右子树 r 成为 y 的右子树，最后使用变化后的 y 替换 node （该步骤与上一步相同） 。

remove 代码：

// remove node from the BST, whose value is 'val'
bool remove(T val)
{
    auto node = search(val);
    if (node == nullptr)
        return false;
    bool l = (node->left != nullptr);
    bool r = (node->right != nullptr);
    // case '!l' include (!l && !r) and (!l && r)
    if (!l)
        transplant(node, node->right);
    else if (l && !r)
        transplant(node, node->left);
    else
    {
        auto y = minval(node->right);
        if (y->parent != node)
        {
            transplant(y, y->right);
            y->right = node->right;
            y->right->parent = y;
        }
        transplant(node, y);
        y->left = node->left;
        y->left->parent = y;
    }

    delete node;
    return true;
}

update

先删除后添加。

// update oldval to newval if oldval is in the BST, otherwise do nothing
TreeNode<T> *update(T oldval, T newval)
{
    if (!remove(oldval))
        return nullptr;
    return insert(newval);
}

maxval/minval

maxval 是位于 BST 最右端的孩子，minval 是最左端的孩子。

// get max val in the BST
TreeNode<T> *maxval(TreeNode<T> *p)
{
    if (p == nullptr)
        return nullptr;
    while (p->right != nullptr)
        p = p->right;
    return p;
}
TreeNode<T> *maxval() { return maxval(this->root); }

// get min val in the BST
TreeNode<T> *minval(TreeNode<T> *p)
{
    if (p == nullptr)
        return nullptr;
    while (p->left != nullptr)
        p = p->left;
    return p;
}
TreeNode<T> *minval() { return minval(this->root); }

successor

查找节点 x 的后继节点。

如果 x 有右子树，那么 minval(x->right) 即为所求。

如果没有，那么 x 的后继是最接近 x 的祖先，并且该祖先的左孩子也是 x 的祖先。

如图：

上述二叉树的中序遍历为：6, 7, 8, 9, ..., 10, 19, 20 . 节点 10 的后继是 19 .

/* get the node's successor, whose value is 'val'
     * if the right subtree of a node x in T is empty and x has a successor y, 
     * then y is the lowest ancestor of x whose left child is also an ancestor of x. 
     * (Recall that every node is its own ancestor.)
     */
TreeNode<T> *successor(T val)
{
    auto x = search(val);
    if (x == nullptr)
        return nullptr;
    if (x->right != nullptr)
        return minval(x->right);
    auto y = x->parent;
    while (y != nullptr && y->right == x)
        x = y, y = y->parent;
    return y;
}

precedessor

与 successor 同理。

// get the node's predecessor, whose value is 'val'
TreeNode<T> *predecessor(T val)
{
    auto x = search(val);
    if (x == nullptr)
        return nullptr;
    if (x->left != nullptr)
        return maxval(x->left);
    auto y = x->parent;
    while (y != nullptr && y->left == x)
        x = y, y = y->parent;
    return y;
}

Leetcode

实际面试中，可能要求手写 remove, insert, search 这三个操作，因此这里总结了一个比较适用于面试的版本。

#include <iostream>
#include <unordered_set>
#include <vector>
using namespace std;
template <class T, class Comparator = less<T>> class BST {
public:
    struct TreeNode {
        T value;
        TreeNode *left, *right;
        TreeNode(T v) : value(v), left(nullptr), right(nullptr) {}
    };

public:
    BST() : root(nullptr) {}

    /* Of course, we can implement insert in a recursive way,
     * but I think iteration is better to understand
     */
    TreeNode *insert(const T &value) {
        auto node = new TreeNode(value);
        if (root == nullptr)
            return root = node;
        TreeNode *ptr = root, *pre = nullptr;
        while (ptr) {
            pre = ptr;
            if (cmp(value, ptr->value)) // value < ptr->value
                ptr = ptr->left;
            else if (cmp(ptr->value, value)) // ptr->value < value
                ptr = ptr->right;
            else {
                // value == ptr->value, value has existed already.
                delete node;
                return nullptr;
            }
        }
        assert(pre != nullptr);
        return (cmp(value, pre->value) ? pre->left : pre->right) = node;
    }

    TreeNode *search(const T &value) {
        auto ptr = root;
        while (ptr) {
            if (cmp(value, ptr->value)) // value < ptr->value
                ptr = ptr->left;
            else if (cmp(ptr->value, value)) // ptr->value < value
                ptr = ptr->right;
            else
                break;
        }
        return ptr;
    }

    void remove(const T &value) { root = remove(root, value); }

    virtual ~BST() {
        destroy(root);
        root = nullptr;
    }

    vector<T> inorder() {
        vector<T> vec;
        inorder(root, vec);
        return vec;
    }

private:
    /* destroy by post-order */
    void destroy(TreeNode *node) {
        if (node == nullptr)
            return;
        destroy(node->left);
        destroy(node->right);
        delete node;
    }

    /* display by in-order */
    void inorder(TreeNode *node, vector<T> &vec) {
        if (node == nullptr)
            return;
        inorder(node->left, vec);
        vec.emplace_back(node->value);
        inorder(node->right, vec);
    }

    /* innerRemove - remove value from BST by recursion */
    TreeNode *remove(TreeNode *node, const T &value) {
        if (node == nullptr)
            return node;

        if (cmp(value, node->value)) // value < node->value
            node->left = remove(node->left, value);
        else if (cmp(node->value, value)) // node->value < value
            node->right = remove(node->right, value);
        else {
            /* Leaf node */
            if (!(node->left) && !(node->right)) {
                delete node;
                return nullptr;
            }
            /* Only one child */
            if (!(node->left) || !(node->right)) {
                TreeNode *ret = (node->left) ? (node->left) : (node->right);
                delete node;
                return ret;
            }
            /* Two children - find the minval of right-subtree (successor),
             * replace value of node with successor->value,
             * delete successor->value recursively
             */
            if (node->left && node->right) {
                auto suc = successor(node);
                node->value = suc->value;
                node->right = remove(node->right, suc->value);
                return node;
            }
        }
        return node;
    }

    TreeNode *successor(TreeNode *node) {
        assert(node != nullptr && node->right != nullptr);
        node = node->right;
        while (node->left)
            node = node->left;
        return node;
    }

private:
    TreeNode *root;
    Comparator cmp;
};

int main() {
    clock_t start = clock();

    srand(time(nullptr));
    const int n = 10000;
    BST<int> bst;
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        bst.insert(i);
    auto vec = std::move(bst.inorder());
    unordered_set<int> bench(vec.begin(), vec.end());

    while (!bench.empty()) {
        int val = rand() % n;
        if (!bench.count(val))
            continue;
        bst.remove(val);
        bench.erase(val);
        vec = std::move(bst.inorder());
        assert(unordered_set<int>(vec.begin(), vec.end()) == bench);
    }

    clock_t end = clock();

    printf("Insert [0, %d) and remove all of them. \n", n);
    printf("Total cost %lf seconds. \n",
           ((double)(end)-start) / CLOCKS_PER_SEC);
}

posted @ 2020-09-21 21:00 sinkinben 阅读(201) 评论(0) 编辑收藏举报

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