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[数据结构与算法]实现搜索树的插入,查找和删除

概念

二叉搜索树又称二叉排序树,它或者是一棵空树,或者是具有以下性质的二叉树:

若它的左子树不为空,则左子树上所有节点的值都小于根节点的值

若它的右子树不为空,则右子树上所有节点的值都大于根节点的值

它的左右子树也分别为二叉搜索树
在这里插入图片描述

操作

操作—查找

在这里插入图片描述

操作—插入

  1. 如果树为空树,即根 == null,直接插入
    2.
  2. 如果树不是空树,按照查找逻辑确定插入位置,插入新结点
    在这里插入图片描述

操作—删除

设待删除结点为 cur, 待删除结点的双亲结点为 parent

    1. cur.left == null
  1. cur 是 root,则 root = cur.right

  2. cur 不是 root,cur 是 parent.left,则 parent.left = cur.right

  3. cur 不是 root,cur 是 parent.right,则 parent.right = cur.right

    1. cur.right == null
  1. cur 是 root,则 root = cur.left

  2. cur 不是 root,cur 是 parent.left,则 parent.left = cur.left

  3. cur 不是 root,cur 是 parent.right,则 parent.right = cur.left

    1. cur.left != null && cur.right != null
  1. 需要使用替换法进行删除,即在它的右子树中寻找中序下的第一个结点(关键码最小),用它的值填补到被删除节比特科技点中,再来处理该结点的删除问题

代码实现

//构造节点
class Node {
    public int val;
    public Node left;
    public Node right;

    public Node(int val) {
        this.val = val;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "bstree.Node{" +
                "val=" + val +
                '}';
    }
}

//实现自己的搜索树的各个代码
public class BSTree {
    public Node root;

    public BSTree() {
        root = null;
    }

    /*
    在搜索树中查找 key,如果找到,返回 key 所在的结点,否则返回 null
     */
    public boolean find(int key) {
        Node cur = root;
        while (cur != null) {
            if (cur.val == key) {
                return true;
            } else if (cur.val > key) {
                cur = cur.left;
            } else {
                cur = cur.right;
            }
        }
        return false;
    }

    /*
    插入
    return true 表示插入成功, false 表示插入失败
     */
    public void insert(int key) {
        if (root == null) {
            root = new Node(key);
            return;
        }
        Node cur = root;
        Node parent = null;
        while (cur != null) {
            if (cur.val == key) {
                throw new RuntimeException("BSTree中不允许重复的key出现");
            } else if (cur.val > key) {
                parent = cur;
                cur = cur.left;
            } else {
                parent = cur;
                cur = cur.right;
            }
        }

        Node node = new Node(key);
        if (key > parent.val) {
            parent.right = node;
        } else {
            parent.left = node;
        }
    }

    /*
     删除成功返回 true,失败返回 false
     */
    public boolean remove(int key) {
        Node parent = null;
        Node cur = root;
        while (cur != null) {
            if (cur.val == key) {
                removeKey(parent, cur);//要删除的节点就是cur
                return true;
            } else if (cur.val > key) {
                parent = cur;
                cur = cur.left;
            } else {
                parent = cur;
                cur = cur.right;
            }
        }
        return false;
    }
    /*
    根据cur的孩子是否存在分四种情况
    1. cur左右孩子均不存在
    2. cur只有左孩子
    3. cur只有右孩子
    4. cur左右孩子均存在
    
    看起来有四种情况,实际情况1可以与情况2或者3进行合并,只需要处理是那种情况即可
    除了情况4之外,其他情况可以直接删除
    情况4不能直接删除,需要在其子树中找一个替代节点goat进行删除
     */

    private void removeKey(Node parent, Node cur) {
        //要删除节点cur没有左孩子的前提下
        //分三种情况讨论:1,cur没有双亲节点  2.cur是其双亲节点的右孩子   3.cur是其双亲节点的左孩子
        if (cur.left == null) {
            if (cur == root) {
                root = cur.right;
            } else if (cur == parent.right) {
                parent.right = cur.right;
            } else {
                parent.left = cur.right;
            }
        }
        //要删除节点cur没有左孩子的前提下
        //分三种情况讨论:1,cur没有双亲节点  2.cur是其双亲节点的右孩子   3.cur是其双亲节点的左孩子
        else if (cur.right == null) {
            if (cur == root) {
                root = cur.left;
            } else if (cur == parent.right) {
                parent.right = cur.left;
            } else {
                parent.left = cur.left;
            }
        }
        //要删除节点cur左右孩子均存在的前提下
        //找到比cur.val大的节点里最小的一个节点,让他成为替代节点goat
        else {
            Node goat = cur.right;
            Node goatParent = cur;
            while (goat.left != null) {
                goatParent = goat;
                goat = goatParent.left;
            }//goat一定没有左孩子
            //找到了goat节点,交换cur和goat节点。交换后要删除的cur.val到了goat位置
            cur.val = goat.val;
            //下面就是要删除goat位置
            if (goatParent == cur) {//这种情况下,说明cur为根节点且goat为cur的右孩子
                goatParent.right = goat.right;
            } else {
                goatParent.left = goat.right;
            }
        }
    }
}

性能分析

插入和删除操作都必须先查找,查找效率代表了二叉搜索树中各个操作的性能。

对有n个结点的二叉搜索树,若每个元素查找的概率相等,则二叉搜索树平均查找长度是结点在二叉搜索树的深度的函数,即结点越深,则比较次数越多。

但对于同一个关键码集合,如果各关键码插入的次序不同,可能得到不同结构的二叉搜索树:
在这里插入图片描述
最优情况下,二叉搜索树为完全二叉树,其平均比较次数为: l o g 2 N log_2 N log2?N
最差情况下,二叉搜索树退化为单支树,其平均比较次数为: N 2 \frac{N}{2} 2N?

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加:2021-08-23 16:56:46  更:2021-08-23 16:58:55 
 
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