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[ 数据结构进阶 - C++ ] 二叉搜索树_k模型和kv模型

k模型和kv模型

到如今,C++的基本语法已经了解过了。在之前,数据结构初阶是使用C语言实现的,我们进入进阶数据结构之后,将使用C++语言来实现。本篇文章我们将学习了解二叉搜索树-二叉树的进阶。

目录

1.二叉搜索树

1.1二叉搜索树的概念

1.2 二叉搜索树的操作

1.2.1 二叉搜索树的查找

1.2.2 二叉搜索树的插入

1.2.3 二叉树的删除

3.该节点有左右两个孩子

2.二叉搜索树的应用

2.1 K模型

2.2 KV模型

3.二叉搜索树的性能分析

附录:

1.二叉搜索树的模拟实现(K模型)

2.KV模型模拟实现 


1.二叉搜索树

1.1二叉搜索树的概念

二叉搜索数又称二叉排序树(BST,Binary Search Tree),它或者是一颗空树,或者是有以下性质的二叉树:

  • 若它的左子树不为空,则左子树上的所有节点的值都小于根节点的值。
  • 若它的右子树不为空,则右子树上的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。

我们看两个实际的例子

1.这不是一颗二叉搜索树,因为红圈部分中,5作为7的右子树,并没有满足右子树大于根节点。

2.这是一颗二叉搜索树,树中任意一颗子树也构成二叉搜索树。满足左节点比根节点小,右节点比根节点大的性质

1.2 二叉搜索树的操作

二叉树的实现在文章附录(模拟实现,包含全部结构)

1.2.1 二叉搜索树的查找

a.从根节点开始比较,查找,比根节点大的往右边查找,比跟小的往左边查找

b.最多查找高度次,走到空若还没找到,这个值不存在。

1.查找的非递归方法:

  1. bool Find(const K& key)
  2. {
  3. Node* cur = _root;
  4. while (cur)
  5. {
  6. if (cur->_key < key)
  7. {
  8. cur = cur->_right;
  9. }
  10. else if (cur->_key > key)
  11. {
  12. cur = cur->_left;
  13. }
  14. else
  15. {
  16. return true;
  17. }
  18. }
  19. return false;
  20. }

2.查找的递归方法:

  1. bool _FindR(Node* root, const K& key)
  2. {
  3. if (root == nullptr)
  4. return false;
  5. if (root->_key < key)
  6. {
  7. return _FindR(root->_right, key);
  8. }
  9. else if (root->_key > key)
  10. {
  11. return _FindR(root->_left, key);
  12. }
  13. else
  14. {
  15. return true;
  16. }
  17. }

1.2.2 二叉搜索树的插入

二叉搜索树的插入具体过程:

a.树为空,则直接新增节点,赋值给root指针。

b.树不为空,按二叉搜索树性质查找插入位置,插入新节点。

我们以下图二叉树为例: 对这个课树插入12

我们在插入前需要考虑的事情以及处理方法:

插入成功的情况:

1.如果该树为空,则new一个节点,让其为根,插入成功。

2.如果该树不为空,则进行遍历找到自己属于的位置,new一个节点,赋值12,插入成功。

3.在找到自己的位置之后,我们还需要将改节点连在原树上面,因此需要一个parent节点,来判断这颗节点是parent的左孩子还是右孩子。

插入失败的情况:

1.由于性质所说,左子树均小于根节点,右子树均大于根节点,因此对于这种情况是不存在值相同的两个节点。因此一旦树中已经存在该节点,则插入失败。

考虑这些之后,我们便可以写出一个非递归版本的insert

  1. //插入
  2. bool Insert(const K& key)
  3. {
  4. if (_root == nullptr)
  5. {
  6. _root = new Node(key);
  7. return true;
  8. }
  9. Node* parent = nullptr;
  10. Node* cur = _root;
  11. while (cur)
  12. {
  13. if (cur->_key < key)
  14. {
  15. parent = cur;
  16. cur = cur->_right;
  17. }
  18. else if (cur->_key > key)
  19. {
  20. parent = cur;
  21. cur = cur->_left;
  22. }
  23. else
  24. {
  25. //说明相等
  26. return false;
  27. }
  28. }
  29. cur = new Node(key);
  30. if (parent->_key < key)
  31. {
  32. parent->_right = cur;
  33. }
  34. else
  35. {
  36. parent->_left = cur;
  37. }
  38. return true;
  39. }

insert的递归有点难,先不写了 

1.2.3 二叉树的删除

二叉树的删除要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为下面四种情况:

a.要删除的节点无孩子节点

b.要删除的节点只有左孩子节点

c.要删除的节点只有右孩子节点

d.要删除的节点有左,右孩子节点

在这四种情况中,情况a和情况b或情况c可以算是一种情况。因为如果节点无孩子的时候,不写a情况,也会进入b情况和c情况。

因此可以分为:

a.该节点没有左孩子

b.该节点没有右孩子

c.该节点有两个孩子

我们首先看a情况的实现细节:

1.该节点没有左孩子

假如要删除这颗二叉树的10节点和4节点

我们依然是使用parent节点作为cur的父节点,cur为查询指针。当cur找到10节点后,如果左为空则为该种情况:

(1)如果该节点是根节点,则让根节点等于他的右孩子节点

(2)如果cur == parent->right (删除10的情况),则让parent->right = cur->right即可

(3)如果cur == parent->left (删除4的情况),则让parent->left = cur->right即可

(4)最后delete cur即可。

  1. if (cur->_left == nullptr)
  2. {
  3. //判断跟
  4. if (cur == _root)
  5. {
  6. _root = cur->_right;
  7. }
  8. else
  9. {
  10. if (cur == parent->_right)
  11. {
  12. //cur 比 parent大
  13. parent->_right = cur->_right;
  14. }
  15. else
  16. {
  17. parent->_left = cur->_right;
  18. }
  19. }
  20. delete cur;
  21. }

 这部分代码为核心删除代码,全代码当删除情况讲完时呈现。

2.该节点没有右孩子

假设要删除节点14 ,逻辑和删除左孩子类似,只要掌握好链接关系即可

  1. else if (cur->_right == nullptr)
  2. {
  3. //判断跟
  4. if (cur == _root)
  5. {
  6. _root = cur->_left;
  7. }
  8. else
  9. {
  10. if (cur == parent->_right)
  11. {
  12. //cur 比 parent大
  13. parent->_right = cur->_left;
  14. }
  15. else
  16. {
  17. parent->_left = cur->_left;
  18. }
  19. }
  20. delete cur;
  21. }

3.该节点有左右两个孩子

如果删除的节点有两个孩子,则选择在他的右子树中寻找中序的第一个节点,也就是右子树的最小值进行替换,也可以选择左子树的最大值。例如这颗子树,要删除3和删除10

删除3:

此时需要进行节点替换,找到3节点中右子树最小的节点,然后两个节点的值进行交换,定义MinParNode = cur,MinNode,首先让MinNode指向3的右孩子,然后一直向左边找,找到节点的next为空时,则该节点就是最小的节点。此时让3和该节点进行交换。

交换完毕后,删除3就变成了删除刚刚交换的最小的节点,也就是MinNode。我们查询MinNode和MinParNode的指向关系,如果MinParNode的左孩子是MinNode,则让MinParNode的左指向MinNode的右,如果是右孩子,则让MinParNode的右指向MinNode的右。(这里为什么是MinParNode的右边指向孩子的呢?是因为MinNode已经是最小的节点了,他不可能有左孩子了,但是如果是删除10这种情况,右孩子还是有节点的,所以直接指向右解决了所有的情况)。

非递归删除代码:

  1. bool Erase(const K& key)
  2. {
  3. Node* parent = nullptr;
  4. Node* cur = _root;
  5. while (cur)
  6. {
  7. if (cur->_key < key)
  8. {
  9. parent = cur;
  10. cur = cur->_right;
  11. }
  12. else if (cur->_key > key)
  13. {
  14. parent = cur;
  15. cur = cur->_left;
  16. }
  17. else
  18. {
  19. //找到了
  20. // 1. 该节点没有左孩子
  21. // 2. 该节点没有右孩子
  22. if (cur->_left == nullptr)
  23. {
  24. //判断跟
  25. if (cur == _root)
  26. {
  27. _root = cur->_right;
  28. }
  29. else
  30. {
  31. if (cur == parent->_right)
  32. {
  33. //cur 比 parent大
  34. parent->_right = cur->_right;
  35. }
  36. else
  37. {
  38. parent->_left = cur->_right;
  39. }
  40. }
  41. delete cur;
  42. }
  43. else if (cur->_right == nullptr)
  44. {
  45. //判断跟
  46. if (cur == _root)
  47. {
  48. _root = cur->_left;
  49. }
  50. else
  51. {
  52. if (cur == parent->_right)
  53. {
  54. //cur 比 parent大
  55. parent->_right = cur->_left;
  56. }
  57. else
  58. {
  59. parent->_left = cur->_left;
  60. }
  61. }
  62. delete cur;
  63. }
  64. else
  65. {
  66. //有两个节点,替换
  67. Node* MinParNode = cur;
  68. Node* MinNode = cur->_right;
  69. while (MinNode->_left)
  70. {
  71. MinParNode = MinNode;
  72. MinNode = MinNode->_left;
  73. }
  74. swap(cur->_key, MinNode->_key);
  75. //if (MinNode->_right != nullptr)//自己写的 错误的
  76. if(MinParNode->_left == MinNode)//老师写的
  77. {
  78. MinParNode->_left = MinNode->_right;
  79. }
  80. else
  81. {
  82. MinParNode->_right = MinNode->_right;
  83. }
  84. delete MinNode;
  85. }
  86. return true;
  87. }
  88. }
  89. return false;
  90. }

2.二叉搜索树的应用

2.1 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。

我们上述实现的就是K模型。

2.2 KV模型

KV模型的模拟实现在附录页

kv模型:每一个关键码key,都有预支对应的值Value,即<key,value>的键值对。这种方法也有很多使用的情况。

比如英汉词典是英文与中文的对应关系,我们可以使用KV模型,存放<word,chinese>构成键值对

3.二叉搜索树的性能分析

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的各个操作的性能。

对于n个节点的二叉搜索树,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节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结合,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,

最优情况下,二叉搜索树为完全二叉树(或者接近完全二叉树),其平均比较次数为:log_2 N

最差情况下,二叉搜索树退化为单支树 ( 或者类似单支 ) ,其平均比较次数为:N
改进:如果退化成单支树,二叉搜索树的性能就失去了,因此后续我们将对二叉搜索树的插入规则进行修改,将实现出平衡二叉搜索树AVL树及其红黑树(RB树)。

附录:

1.二叉搜索树的模拟实现(K模型)

  1. //二叉搜索树结点的结构
  2. template <class K>
  3. struct BSTreeNode
  4. {
  5. BSTreeNode* _left;
  6. BSTreeNode* _right;
  7. K _key;//值
  8. BSTreeNode(const K& key)
  9. :_left(nullptr)
  10. ,_right(nullptr)
  11. ,_key(key)
  12. {}
  13. };
  14. //二叉树的结构
  15. template <class K>
  16. class BSTree
  17. {
  18. typedef BSTreeNode<K> Node;//结点重命名为Node
  19. private:
  20. //递归思想析构
  21. void DestoryTree(Node* root)
  22. {
  23. if (root == nullptr)
  24. return;
  25. DestoryTree(root->_left);
  26. DestoryTree(root->_right);
  27. delete root;
  28. }
  29. Node* CopyTree(Node* root)
  30. {
  31. if (root == nullptr)
  32. return nullptr;
  33. Node* copynode = new Node(root->_key);
  34. copynode->_left = CopyTree(root->_left);
  35. copynode->_right = CopyTree(root->_right);
  36. return copynode;
  37. }
  38. public:
  39. //强制编译器自己生成构造
  40. //C++
  41. BSTree() = default;
  42. BSTree(const BSTree<K>& t)
  43. {
  44. _root = CopyTree(t._root);
  45. }
  46. //t1 = t2
  47. BSTree<K>& operator=(BSTree<K> t)
  48. {
  49. swap(_root, t._root);
  50. return *this;
  51. }
  52. ~BSTree()
  53. {
  54. DestoryTree(_root);
  55. _root = nullptr;
  56. }
  57. //插入
  58. bool Insert(const K& key)
  59. {
  60. if (_root == nullptr)
  61. {
  62. _root = new Node(key);
  63. return true;
  64. }
  65. Node* parent = nullptr;
  66. Node* cur = _root;
  67. while (cur)
  68. {
  69. if (cur->_key < key)
  70. {
  71. parent = cur;
  72. cur = cur->_right;
  73. }
  74. else if (cur->_key > key)
  75. {
  76. parent = cur;
  77. cur = cur->_left;
  78. }
  79. else
  80. {
  81. //说明相等
  82. return false;
  83. }
  84. }
  85. cur = new Node(key);
  86. if (parent->_key < key)
  87. {
  88. parent->_right = cur;
  89. }
  90. else
  91. {
  92. parent->_left = cur;
  93. }
  94. return true;
  95. }
  96. bool Find(const K& key)
  97. {
  98. Node* cur = _root;
  99. while (cur)
  100. {
  101. if (cur->_key < key)
  102. {
  103. cur = cur->_right;
  104. }
  105. else if (cur->_key > key)
  106. {
  107. cur = cur->_left;
  108. }
  109. else
  110. {
  111. return true;
  112. }
  113. }
  114. return false;
  115. }
  116. bool Erase(const K& key)
  117. {
  118. Node* parent = nullptr;
  119. Node* cur = _root;
  120. while (cur)
  121. {
  122. if (cur->_key < key)
  123. {
  124. parent = cur;
  125. cur = cur->_right;
  126. }
  127. else if (cur->_key > key)
  128. {
  129. parent = cur;
  130. cur = cur->_left;
  131. }
  132. else
  133. {
  134. //找到了
  135. // 1. 该节点没有左孩子
  136. // 2. 该节点没有右孩子
  137. if (cur->_left == nullptr)
  138. {
  139. //判断跟
  140. if (cur == _root)
  141. {
  142. _root = cur->_right;
  143. }
  144. else
  145. {
  146. if (cur == parent->_right)
  147. {
  148. //cur 比 parent大
  149. parent->_right = cur->_right;
  150. }
  151. else
  152. {
  153. parent->_left = cur->_right;
  154. }
  155. }
  156. delete cur;
  157. }
  158. else if (cur->_right == nullptr)
  159. {
  160. //判断跟
  161. if (cur == _root)
  162. {
  163. _root = cur->_left;
  164. }
  165. else
  166. {
  167. if (cur == parent->_right)
  168. {
  169. //cur 比 parent大
  170. parent->_right = cur->_left;
  171. }
  172. else
  173. {
  174. parent->_left = cur->_left;
  175. }
  176. }
  177. delete cur;
  178. }
  179. else
  180. {
  181. //有两个节点,替换
  182. Node* MinParNode = cur;
  183. Node* MinNode = cur->_right;
  184. while (MinNode->_left)
  185. {
  186. MinParNode = MinNode;
  187. MinNode = MinNode->_left;
  188. }
  189. swap(cur->_key, MinNode->_key);
  190. //if (MinNode->_right != nullptr)//自己写的 错误的
  191. if(MinParNode->_left == MinNode)//老师写的
  192. {
  193. MinParNode->_left = MinNode->_right;
  194. }
  195. else
  196. {
  197. MinParNode->_right = MinNode->_right;
  198. }
  199. delete MinNode;
  200. }
  201. return true;
  202. }
  203. }
  204. return false;
  205. }
  206. //中序遍历
  207. void InOrder()
  208. {
  209. _InOrder(_root);
  210. }
  211. //
  212. //递归方法
  213. bool FindR(const K& key)
  214. {
  215. return _FindR(_root, key);
  216. }
  217. bool InsertR(const K& key)
  218. {
  219. return _InsertR(_root, key);
  220. }
  221. bool EraseR(const K& key)
  222. {
  223. return _EraseR(_root, key);
  224. }
  225. private:
  226. //不好理解 暂时还没理解
  227. bool _EraseR(Node*& root, const K& key)
  228. {
  229. if (root == nullptr)
  230. return false;
  231. if (root->_key < key)
  232. {
  233. return _EraseR(root->_right, key);
  234. }
  235. else if (root->_key > key)
  236. {
  237. return _EraseR(root->_left, key);
  238. }
  239. else
  240. {
  241. Node* del = root;
  242. if (root->_left == nullptr)
  243. {
  244. root = root->_right;
  245. }
  246. else if (root->_right == nullptr)
  247. {
  248. root = root->_left;
  249. }
  250. else
  251. {
  252. Node* MinNode = root->_right;
  253. while (MinNode->_left)
  254. {
  255. MinNode = MinNode->_left;
  256. }
  257. swap(root->_key, MinNode->_key);
  258. return _EraseR(root->_right, key);
  259. }
  260. delete del;
  261. return true;
  262. }
  263. }
  264. bool _InsertR(Node*& root, const K& key)
  265. {
  266. if (root == nullptr)
  267. {
  268. root = new Node(key);
  269. return true;
  270. }
  271. if (root->_key < key)
  272. {
  273. return _InsertR(root->_right, key);
  274. }
  275. else if (root->_key > key)
  276. {
  277. return _InsertR(root->_left, key);
  278. }
  279. else
  280. {
  281. //说明这个值已经存在了 就不再插入了
  282. return false;
  283. }
  284. }
  285. //这里之间 InsertR好理解 EraseR暂时不好理解
  286. bool _FindR(Node* root, const K& key)
  287. {
  288. if (root == nullptr)
  289. return false;
  290. if (root->_key < key)
  291. {
  292. return _FindR(root->_right, key);
  293. }
  294. else if (root->_key > key)
  295. {
  296. return _FindR(root->_left, key);
  297. }
  298. else
  299. {
  300. return true;
  301. }
  302. }
  303. void _InOrder(Node* root)
  304. {
  305. if (root == nullptr)
  306. return;
  307. _InOrder(root->_left);
  308. cout << root->_key << " ";
  309. _InOrder(root->_right);
  310. }
  311. private:
  312. Node* _root = nullptr;
  313. };

2.KV模型模拟实现 

  1. template<class K, class V>
  2. struct BSTreeNode
  3. {
  4. BSTreeNode<K, V>* _left;
  5. BSTreeNode<K, V>* _right;
  6. const K _key;
  7. V _value;
  8. BSTreeNode(const K& key, const V& value)
  9. :_left(nullptr)
  10. , _right(nullptr)
  11. , _key(key)
  12. , _value(value)
  13. {}
  14. };
  15. template<class K, class V>
  16. class BSTree
  17. {
  18. typedef BSTreeNode<K, V> Node;
  19. public:
  20. void InOrder()
  21. {
  22. _InOrder(_root);
  23. cout << endl;
  24. }
  25. ///
  26. Node* FindR(const K& key)
  27. {
  28. return _FindR(_root, key);
  29. }
  30. bool InsertR(const K& key, const V& value)
  31. {
  32. return _InsertR(_root, key, value);
  33. }
  34. bool EraseR(const K& key)
  35. {
  36. return _EraseR(_root, key);
  37. }
  38. private:
  39. bool _EraseR(Node*& root, const K& key)
  40. {
  41. if (root == nullptr)
  42. return false;
  43. if (root->_key < key)
  44. {
  45. return _EraseR(root->_right, key);
  46. }
  47. else if (root->_key > key)
  48. {
  49. return _EraseR(root->_left, key);
  50. }
  51. else
  52. {
  53. Node* del = root;
  54. // 删除
  55. if (root->_left == nullptr)
  56. {
  57. root = root->_right;
  58. }
  59. else if (root->_right == nullptr)
  60. {
  61. root = root->_left;
  62. }
  63. else
  64. {
  65. Node* minRight = root->_right;
  66. while (minRight->_left)
  67. {
  68. minRight = minRight->_left;
  69. }
  70. swap(root->_key, minRight->_key);
  71. return _EraseR(root->_right, key);
  72. }
  73. delete del;
  74. return true;
  75. }
  76. }
  77. bool _InsertR(Node*& root, const K& key, const V& value)
  78. {
  79. if (root == nullptr)
  80. {
  81. root = new Node(key, value);
  82. return true;
  83. }
  84. if (root->_key < key)
  85. return _InsertR(root->_right, key, value);
  86. else if (root->_key > key)
  87. return _InsertR(root->_left, key, value);
  88. else
  89. return false;
  90. }
  91. Node* _FindR(Node* root, const K& key)
  92. {
  93. if (root == nullptr)
  94. return nullptr;
  95. if (root->_key < key)
  96. {
  97. return _FindR(root->_right, key);
  98. }
  99. else if (root->_key > key)
  100. {
  101. return _FindR(root->_left, key);
  102. }
  103. else
  104. {
  105. return root;
  106. }
  107. }
  108. void _InOrder(Node* root)
  109. {
  110. if (root == nullptr)
  111. return;
  112. _InOrder(root->_left);
  113. cout << root->_key << ":" << root->_value << endl;
  114. _InOrder(root->_right);
  115. }
  116. private:
  117. Node* _root = nullptr;
  118. };

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