• 【C++进阶】二叉搜索树


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    前言

    一.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
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    二.二叉树的实现

    1.0版本(循环版本):

    1. 二叉搜索树的查找

    a、从根开始比较,查找,由二叉搜索树的性质可知,比根大则往右边走查找,比根小则往左边走查找。
    b、最多查找高度次,走到到空,还没找到,这个值不存在。

    2. 二叉搜索树的插入

    插入的具体过程如下:
    a. 树为空,则直接新增节点,赋值给root指针
    b. 树不空,按二叉搜索树性质查找插入位置,插入新节点(这里的插入都是指的插在树叶的后面)

    3. 二叉搜索树的删除

    首先查找元素是否在二叉搜索树中,如果不存在,则返回, 否则要删除的结点可能分下面四种情况:
    a. 要删除的结点无孩子结点
    b. 要删除的结点只有左孩子结点
    c. 要删除的结点只有右孩子结点
    d. 要删除的结点有左、右孩子结点
    看起来有待删除节点有4中情况,实际情况a可以与情况b或者c合并起来,因此真正的删除过程如下:

    1. 先找到要删除的结点和其父节点
    2. 找到之后分两种情况:
      a.删除结点有一个孩子或没有孩子:
    • 左为空:
      a1.父节点和删除结点如果重合,直接让root指向删除结点的右边

      a2父节点指向删除结点的右边
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    • 右为空(与上面同理)
      a3 父节点和删除结点如果重合,直接让root指向删除结点的左边
      a4父节点指向删除结点的左边

    b.删除结点有两个孩子:
    替换法删除:通过左子树的最大结点右树的最小结点来删除的结点替换,替换完就转化为a类的场景(左子树为空右子树为空),删掉替换后的结点即可,并且此时的那个结点一定有固定的一边是空的,由你选择的是左子树的最大结点还是右子树的最小结点而定。

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    总代码:

    template<class T>
    	struct BSTreeNode
    	{
    		BSTreeNode<T>* _left = nullptr;
    		BSTreeNode<T>* _right = nullptr;
    
    		T _key;
    
    		BSTreeNode(const T& key) :_key(key)
    		{}
    	};
    
    
    	template<class T>
    	class BStree
    	{
    		typedef BSTreeNode<T> Node;
    	private:
    		Node* _root = nullptr;
    		void _InOder(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    
    			_InOder(root->_left);
    			cout << root->_key << " ";
    			_InOder(root->_right);
    		}
    
    		
    		void _Destroy(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    
    			_Destroy(root->_left);
    			_Destroy(root->_right);
    			delete root;
    
    		}
    
    		Node* copy(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return nullptr;
    			}
    			Node* copyroot = nullptr;
    			copyroot = new Node(root->_key);
    
    			copyroot->_left=copy(root->_left);
    			copyroot->_right=copy(root->_right);
    
    			return copyroot;
    		}
    	public:
    		BStree()
    		{}
    		~BStree()
    		{
    			_Destroy(_root);
    		}
    		BStree(const BStree<T>& t)
    		{
    			_root = copy(t._root);
    			//在类里面可以看到私有的
    		}
    		BStree<T>& operator=(const BStree<T> t)
    		{
    			swap(_root, t._root);
    			return *this;
    		}
    
    		bool Insert(const T& key)
    		{
    			if (_root == nullptr)
    			{
    				_root = new Node(key);
    				return true;
    			}
    
    			Node* cur = _root;
    			Node* parent = _root;
    
    			while (cur)
    			{
    				if (key > cur->_key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (key < cur->_key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_left;
    				}
    				else
    				{
    					return false;
    				}
    			}
    			cur = new Node(key);
    			if (parent->_key > key)
    			{
    				parent->_left = cur;
    			}
    			else if (parent->_key < key)
    			{
    				parent->_right = cur;
    			}
    
    			return true;
    		}
    
    		bool Find(const T& key)
    		{
    			Node* cur = _root;
    			while (cur)
    			{
    				if (key > cur->_key)
    				{
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (key < cur->_key)
    				{
    					cur = cur->_left;
    				}
    				else
    				{
    					return true;
    				}
    			}
    			return false;
    		}
    
    
    		void InOder()
    		{
    			_InOder(_root);
    			cout << endl;
    		}
    
    
    		bool Erase(const T& key)
    		{
    			Node* cur = _root;
    			Node* parent = _root;
    
    			while (cur)
    			{
    
    				if (cur->_key < key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (cur->_key > key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_left;
    				}
    				//先寻找key的位置
    				else
    				{
    					//找到之后有两种情况:
    					//第一种就是托孤:不管有一个孩子还是没有孩子都可以处理
    					if (cur->_left == nullptr)
    					{
    						//这里的坑就是删除头结点位置,此时cur和parent在同一个位置
    						if (_root == cur)
    						{
    							_root = cur->_right;
    						}
    						else
    						{
    							if (parent->_left == cur)
    							{
    								parent->_left = cur->_right;
    							}
    							else
    							{
    								parent->_right = cur->_right;
    							}
    						}
    					}
    
    					else if (cur->_right == nullptr)
    					{
    						//同样是上面那个坑
    						if (_root == cur)
    						{
    							_root = cur->_left;
    						}
    						else
    						{
    							if (parent->_left == cur)
    							{
    								parent->_left = cur->_left;
    							}
    							else
    							{
    								parent->_right = cur->_left;
    							}
    						}
    					}
    					//第二种就是找到左树最大结点或右树最小结点,有两个孩子的时候
    					else
    					{
    						//左树的最大结点:
    						Node* _parent = cur;
    						Node* LeftMax = cur->_left;
    						while (LeftMax->_right)
    						{
    							_parent = LeftMax;
    							LeftMax = LeftMax->_right;
    						}
    						swap(LeftMax->_key, cur->_key);
    						if (_parent->_right == LeftMax)
    						{
    							_parent->_right = LeftMax->_left;
    						}
    
    						else
    						{
    							_parent->_left = LeftMax->_left;
    						}
    
    						cur = LeftMax;
    					}
    					delete cur;
    					return true;
    				}
    			}
    
    			return false;
    		}
    	};
    }
    
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    2.0版本(递归版本)

      其实递归比循环好实现很多,只是存在栈溢出的问题罢了,并且递归有些地方是非常巧妙的,我们先来看看完整代码:

    template<class T>
    	struct BSTreeNode
    	{
    		BSTreeNode<T>* _left = nullptr;
    		BSTreeNode<T>* _right = nullptr;
    
    		T _key;
    
    		BSTreeNode(const T& key) :_key(key)
    		{}
    	};
    
    
    	template<class T>
    	class BStree
    	{
    		typedef BSTreeNode<T> Node;
    	private:
    		Node* _root = nullptr;
    		void _InOder(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    
    			_InOder(root->_left);
    			cout << root->_key << " ";
    			_InOder(root->_right);
    		}
    
    		bool _InsertR(const T& key,Node*& root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				root = new Node (key);
    				return true;
    			}
    
    			if (root->_key > key)
    			{
    				return _InsertR(key, root->_left);
    			}
    			else if (root->_key < key)
    			{
    				return _InsertR(key, root->_right);
    			}
    			else
    			{
    				return false;
    			}
    		}
    
    		bool _FindR(const T& key, Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return false;
    			}
    			if (root->_key > key)
    			{
    				return _FindR(key, root->_left);
    			}
    			else if (root->_key < key)
    			{
    				return _FindR(key, root->_right);
    			}
    			else
    			{
    				return true;
    			}
    		}
    
    		bool _EraseR(const T& key, Node*& root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return false;
    			}
    
    			if (root->_key > key)
    			{
    				return _EraseR(key, root->_left);
    			}
    			else if (root->_key < key)
    			{
    				return _EraseR(key, root->_right);
    			}
    			else
    			{
    				Node* del = root;
    				if (root->_right == nullptr)
    				{
    					root = root->_left;
    				}
    				else if (root->_left == nullptr)
    				{
    					root = root->_right;
    				}
    				else
    				{
    					
    					Node* LeftMax = root->_left;
    					while (LeftMax->_right)
    					{
    						LeftMax = LeftMax->_right;
    					}
    					swap(LeftMax->_key, root->_key);
    					_EraseR(key, root->_left);
    					del = LeftMax;
    				}
    				delete del;
    				return true;
    			}
    			
    		}
    
    		void _Destroy(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    
    			_Destroy(root->_left);
    			_Destroy(root->_right);
    			delete root;
    
    		}
    
    		Node* copy(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return nullptr;
    			}
    			Node* copyroot = nullptr;
    			copyroot = new Node(root->_key);
    
    			copyroot->_left=copy(root->_left);
    			copyroot->_right=copy(root->_right);
    
    			return copyroot;
    		}
    	public:
    		BStree()
    		{}
    		~BStree()
    		{
    			_Destroy(_root);
    		}
    		BStree(const BStree<T>& t)
    		{
    			_root = copy(t._root);
    			//在类里面可以看到私有的
    		}
    		BStree<T>& operator=(const BStree<T> t)
    		{
    			swap(_root, t._root);
    			return *this;
    		}
    
    		
    		bool InsertR(const T& key)
    		{
    			return _InsertR(key,_root);
    		}
    
    
    		bool FindR(const T& key)
    		{
    			return _FindR(key,_root);
    		}
    
    		void InOder()
    		{
    			_InOder(_root);
    			cout << endl;
    		}
    	
    		bool EraseR(const T& key)
    		{
    			return _EraseR(key, _root);
    		}
    	};
    }
    
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      我们来看一下递归在引用方面巧妙的使用:

    这是循环的Insert
    在这里插入图片描述
    这是递归的_Insert
    在这里插入图片描述
    我们会明显发现递归在传参的时候传的是引用,为什么呢?接着往下看,循环的时候,为了使链接能够完成,我们会通过不断更新父节点来记录父节点,而递归的时候就不用。其实原因很显然,通过引用,在递归时的root就是他的父节点(上一个结点的root->rightroot->left)的别名,此时已经具有链接关系,在这里直接赋值就可以了。
    在这里插入图片描述
    在这里就省去了很多麻烦的事情,这就是递归的巧妙之处,而我们的循环不能使用引用,因为引用不能改变指向,在循环里面用引用只会使指向混乱,而在递归里面,会建立很多栈帧,每一个栈帧使用一次引用,在不出错的情况下还减少了保存父节点的麻烦。

    同样的erase也是,在递归的时候使用引用,不仅减少了parent保存的麻烦,还省去了父节点和删除结点重合情况的特殊处理。

    递归版本:
    递归版本
    循环版本:
    在这里插入图片描述

    三.搜索二叉树的应用:

    1. K模型:K模型即只有key作为关键码,结构中只需要存储Key即可,关键码即为需要搜索到的值。
      比如:给一个单词word,判断该单词是否拼写正确,具体方式如下:
    • 以词库中所有单词集合中的每个单词作为key,构建一棵二叉搜索树
    • 在二叉搜索树中检索该单词是否存在,存在则拼写正确,不存在则拼写错误。
    1. KV模型:每一个关键码key,都有与之对应的值Value,即的键值对。该种方式在现实生活中非常常见:
      比如英汉词典就是英文与中文的对应关系,通过英文可以快速找到与其对应的中文,英文单词与其对应的中文就构成一种键值对;
      再比如统计单词次数,统计成功后,给定单词就可快速找到其出现的次数,单词与其出
      现次数就是就构成一种键值对
      还有就是我们平时刷身份证,平台通过我们身份证号码找到我们相关消息,只不过这个是更复杂的场景。下面我们来看一下具体的应用:

    我们只需要把平常的多加一个value值即可,在插入的时候多插入一个值即可实现:

    namespace key_value
    {
    	template<class T,class V>
    	struct BSTreeNode
    	{
    		BSTreeNode<T,V>* _left = nullptr;
    		BSTreeNode<T,V>* _right = nullptr;
    
    		T _key;
    		V _value;
    		BSTreeNode(const T& key,const V& value) :_key(key),_value(value)
    		{}
    	};
    
    
    	template<class T,class V>
    	class BStree
    	{
    		typedef BSTreeNode<T,V> Node;
    	private:
    		Node* _root = nullptr;
    		void _InOder(Node* root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    
    			_InOder(root->_left);
    			cout << root->_key << " "<<root->_value<<endl;
    
    			_InOder(root->_right);
    		}
    
    		void Destroy(Node*& root)
    		{
    			if (root == nullptr)
    			{
    				return;
    			}
    			Destroy(root->_left);
    			Destroy(root->_right);
    			delete root;
    			root = nullptr;
    		}
    	public:
    		BStree()
    		{}
    		~BStree()
    		{
    			Destroy(_root);
    		}
    		bool Insert(const T& key,const V& value)
    		{
    			if (_root == nullptr)
    			{
    				_root = new Node(key,value);
    				return true;
    			}
    
    			Node* cur = _root;
    			Node* parent = _root;
    
    			while (cur)
    			{
    				if (key > cur->_key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (key < cur->_key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_left;
    				}
    				else
    				{
    					return false;
    				}
    			}
    			cur = new Node(key,value);
    			if (parent->_key > key)
    			{
    				parent->_left = cur;
    			}
    			else if (parent->_key < key)
    			{
    				parent->_right = cur;
    			}
    
    			return true;
    		}
    
    
    		Node* Find(const T& key)
    		{
    			Node* cur = _root;
    			while (cur)
    			{
    				if (key > cur->_key)
    				{
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (key < cur->_key)
    				{
    					cur = cur->_left;
    				}
    				else
    				{
    					return cur;
    				}
    			}
    			return nullptr;
    		}
    
    		void InOder()
    		{
    			_InOder(_root);
    			cout << endl;
    		}
    
    
    		bool Erase(const T& key)
    		{
    			Node* cur = _root;
    			Node* parent = _root;
    
    			while (cur)
    			{
    
    				if (cur->_key < key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_right;
    				}
    				else if (cur->_key > key)
    				{
    					parent = cur;
    					cur = cur->_left;
    				}
    				//先寻找key的位置
    				else
    				{
    					//找到之后有两种情况:
    					//第一种就是托孤:不管有一个孩子还是没有孩子都可以处理
    					if (cur->_left == nullptr)
    					{
    						//这里的坑就是删除头结点位置,此时cur和parent在同一个位置
    						if (_root == cur)
    						{
    							_root = cur->_right;
    						}
    						else
    						{
    							if (parent->_left == cur)
    							{
    								parent->_left = cur->_right;
    							}
    							else
    							{
    								parent->_right = cur->_right;
    							}
    						}
    					}
    
    					else if (cur->_right == nullptr)
    					{
    						//同样是上面那个坑
    						if (_root == cur)
    						{
    							_root = cur->_left;
    						}
    						else
    						{
    							if (parent->_left == cur)
    							{
    								parent->_left = cur->_left;
    							}
    							else
    							{
    								parent->_right = cur->_left;
    							}
    						}
    					}
    					//第二种就是找到左树最大结点或右树最小结点,有两个孩子的时候
    					else
    					{
    						//左树的最大结点:
    						Node* _parent = cur;
    						Node* LeftMax = cur->_left;
    						while (LeftMax->_right)
    						{
    							_parent = LeftMax;
    							LeftMax = LeftMax->_right;
    						}
    						swap(LeftMax->_key, cur->_key);
    						if (_parent->_right == LeftMax)
    						{
    							_parent->_right = LeftMax->_left;
    						}
    
    						else
    						{
    							_parent->_left = LeftMax->_left;
    						}
    
    						cur = LeftMax;
    					}
    					delete cur;
    					return true;
    				}
    			}
    
    			return false;
    		}
    
    	};
    }
    
    
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    字典的例子:

    void TestBSTree3()
    {
    	//BSTree carTree;
    
    	key_value::BStree<string, string> dict;
    	dict.Insert("insert", "插入");
    	dict.Insert("sort", "排序");
    	dict.Insert("right", "右边");
    	dict.Insert("date", "日期");
    
    	string str;
    	while (cin >> str)
    	{
    		key_value::BSTreeNode<string, string>* ret = dict.Find(str);
    		if (ret)
    		{
    			cout << ret->_value << endl;
    		}
    		else
    		{
    			cout << "无此单词" << endl;
    		}
    	}
    }
    
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    void TestBSTree4()
    {
    	// 11:44继续
    	// 统计水果出现的次数
    	string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
    
    	key_value::BStree<string, int> st;
    	for (auto & str : arr)
    	{
    		auto ret = st.Find(str);
    		if (ret)
    		{
    			ret->_value++;
    		}
    		else
    		{
    			st.Insert(str,1);
    		}
    	}
    
    	st.InOder();
    }
    
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    总结

      其实搜索二叉树就是将前面的数据结构和我们所学的C++进行了结合!其实我们不难看出,对于循环和递归,循环的使用就会伴随着很多特殊情况的出现,我们都要一一解决,并且不好读懂,但是他的性能很高,而递归则是很简短并且容易看懂,但是代价就是会出现栈溢出的现象。今后要根据实际情况具体选择。

      更新不易,辛苦各位小伙伴们动动小手,👍三连走一走💕💕 ~ ~ ~ 你们真的对我很重要!最后,本文仍有许多不足之处,欢迎各位认真读完文章的小伙伴们随时私信交流、批评指正!

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