C++:二叉搜索树的底层模拟实现


 

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:

搜索二叉树的操作:

int a[] = {8, 3, 1, 10, 6, 4, 7, 14, 13};
  • 二叉搜索树需要满足左子树比根小,右子树比根大,每一棵树,每一颗子树都需要满足这个条件
  • 二叉搜索树使用中序遍历后,得出的遍历结果一定是一个升序序列
  • 二叉搜索树的的查询操作雷素与二分查找,但是却比二分查找要来的简单,因为搜索二叉树的删除和插入操作比二分查找更为的简单,且并不需要二分查找一样,当插入和删除后必须要在经历一次排序操作。 
  • 最后二叉搜索树是不允许进行节点内部的value 也就是节点数值的修改,这是因为二叉搜索树的排序操作和树的结构是因为节点的value进行链接和形成的

节点结构:

	template<class K>
	//struct BinarySearchTreeNode
	struct BSTreeNode
	{
        
		BSTreeNode<K>* _left;//指向左子树指针
		BSTreeNode<K>* _right;//指向右子树指针
		K _key;//用来进行排序的value数值

		BSTreeNode(const K& key)//节点的初始化列表
			:_left(nullptr)
			, _right(nullptr)
			, _key(key)
		{}
	};

插入操作:

 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

因为插入时需要保证插入之后还是二叉搜索树,所以插入操作需要进行一次的对比, 例如插入数字5,如果需要插入数字5,那么就需要进行依次的对比!

也就是和每一个节点进行对比,从根节点开始,比对比的节点小往左边移动,比对比的节点大往右移动,直到走到最后一个节点,走向空,需要记住每次插入的节点(非重复)最后都是会插入一个空的位置。

同时还需要注意,当插入的数据已经在树中存在了,而就需要注意搜索树中不会冗余,也就是插入一个相同的元素是不允许在同一个树中出现两次,这是不允许的!除非需要一些扩展。

		bool Insert(const K& key)
		{
			if (_root == nullptr)
			{
                //当根节点是空的时候,直接进行创造新节点进行插入操作
				_root = new Node(key);
				return true;
			}

			Node* parent = nullptr;//记录父节点,方便之后的插入操作
			Node* cur = _root;//从根节点开始进行查找
			while (cur)//当节点为空时表示找到了插入的位置
			{

                //对比 比较的节点 是否比插入的节点的数值大还是小
				if (cur->_key < key)
				{//对比的节点小,则插入的节点往右边进行查找
					parent = cur;
					cur = cur->_right;
				}
				else if (cur->_key > key)
				{//对比的节点大,则插入的节点往左边寻找
					parent = cur;
					cur = cur->_left;
				}
				else
				{
					return false;
				}
			}

			cur = new Node(key);//找到位置后进行插入操作
            //使用之前的父亲节点进行判断,如果比父亲节点大则右边否则左边
			if (parent->_key < key)/
			{
				parent->_right = cur;
			}
			else
			{
				parent->_left = cur;
			}

			return true;
		}

查找函数:

 二叉搜索树的查找:

a、从根开始比较,查找,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。

bool Find(const K& key)
		{
			Node* cur = _root;//从根节点开始进行查找操作
			while (cur)
			{
				if (cur->_key < key)
				{//查找的节点比比较节点大则往右边进行继续查找
					cur = cur->_right;
				}
				else if (cur->_key > key)
				{//查找的节点比比较节点小则往右边进行继续查找
					cur = cur->_left;
				}
				else
				{//找到了就返回
					return true;
				}
			}
            //直到指向了空就表示二叉搜索树中没有这个节点存在
			return false;
		}

删除函数:

 删除操作分为三种情况/两种操作:

a、删除的节点他的左子树是空的,则他的父节点要指向他的右子树,同理删除的节点他的右子树是空的,他的父节点要指向他的左子树

b、叶子节点,不过叶子节点可以和第一种情况相结合,让父节点指向删除的叶子节点的右子树

c、左右子树都不为空的:需要使用替换法,找该节点的右子树最小节点或者左子树最大节点

这里找右子树的最小节点。

操作一:情况a、情况b

删除的节点他的左子树是空的,则他的父节点要指向他的右子树,同理删除的节点他的右子树是空的,他的父节点要指向他的左子树。

同时这里还会诞生一个问题,被删除节点的左子树是空的,那父节点指向这个节点的右子树,但是是父节点的那一个指针指向呢?是右指针还是左指针?

 需要进行额外的判断,判断删除的节点是父节点的左子树还是右子树,左子树就左指针,右子树就右指针。

且还有一个细节:例如左边为空时,被删除节点的父亲点的要进行判断,判断删除的节点是父亲节点的左节点还是右节点,但是如果我们删除的是根节点,就如上图所示.

这种就需要提前进行判断,如果当前的节点是一个根节点,且左边为空时,那么根节点就需要进行替换,替换成这个根节点的右子树的头一个节点,如果是右边为空,那么这个根节点就需要替换成根节点的左子树的头一个节点。

				else
				{
					// 删除
					// 左为空,父亲指向我的右
					if (cur->_left == nullptr)//判断被删除的节点是否是他的左子树为空
					{
						//if(parent == nullptr)是否为根节点的判断
						if (cur == _root)
						{//为根节点,那么根节点替换成根节点的右子树
							_root = cur->_right;
						}
						else
						{//不算根节点则进行父亲节点的指向判断
							if (cur == parent->_left)
							{
//如果当前节点是父亲节点的左子树,那么就使用父亲节点的左指针指向这个节点的右子树
								parent->_left = cur->_right;
							}
							else
							{
//如果当前节点是父亲节点的右子树,那么就使用父亲节点的右指针指向这个节点的右子树
								parent->_right = cur->_right;
							}
						}

						delete cur;
					}
					else if (cur->_right == nullptr)
					{
						//if(parent == nullptr)//是否是根节点的判断
						if (cur == _root)
						{
							_root = cur->_left;
						}
						else
						{
							// 右为空,父亲指向我的左
							if (cur == parent->_left)
							{
								parent->_left = cur->_left;
							}
							else
							{
								parent->_right = cur->_left;
							}
						}

						delete cur;
					}

操作二:

 左右子树都不为空的:需要使用替换法,找该节点的右子树最小节点或者左子树最大节点,这里找右子树的最小节点。

找到这个被删除节点的右子树,然后进入右子树后一直往左边走,找到被删除节点的右子树的 最小的数,而删除操作则需要吧要删除的节点和最小数替换(交换操作)

但是有产生一个问题,之后要删除的话,可能找不到要删除的节点,所以我们还需要一个最小节点的父亲节点,进行指向操作,所以在找右子树最小节点的时候,还得跟更新他的父节点。

同时删除后让父亲节点的左指针指向空(这里删除的节点是叶子节点没有字节的,所以删除节点的指向是null)

但是这种只能因对常规删除,如果删除的的节点中他的右子树是一个叶子节点呢,又或者,它是根节点呢:

就如上图这种情况,这种情况下删除根节点,那么右子树的最小节点就是根的右孩子节点

同时在我们的代码中,交换删除后,我们让父亲节点的左指针,指向被删除节点的右子树(常规操作是最小右节点的父亲节点指向空,这里的最小右节点刚好是根节点的有孩子),那么放在上图情况会直接崩掉,所以还需要进行一个判断

最后这个判断的前者是判断是否是正常情况,在正常情况中,最小右子树节点的父节点只是一个普通的节点,且最小右子树节点的父节点的左边一定是最小右子树节点,所以可以让父节点指向最小右字数节点的 右子树

而非常情况就是如上图这种情况,根节点的右孩子节点就是根节点的最小右子树节点,这种非常情况下,根节点的最小右子树节点在右边,所以需要让根节点的右指针指向最小右子树节点的 右子树。

else
					{
						// 左右都不为空,替换法删除
						// 
						// 查找右子树的最左节点替代删除
						Node* rightMinParent = cur;
						Node* rightMin = cur->_right;
						while (rightMin->_left)
						{
							rightMinParent = rightMin;
							rightMin = rightMin->_left;
						}

						swap(cur->_key, rightMin->_key);

						if (rightMinParent->_left == rightMin)
							rightMinParent->_left = rightMin->_right;
						else
							rightMinParent->_right = rightMin->_right;

						delete rightMin;
					}
完成的删除函数代码: 
bool Erase(const K& key)
		{
			Node* parent = nullptr;
			Node* cur = _root;
			while (cur)
			{
                 //查询炒作,查询所需要删除的节点的位置
				if (cur->_key < key)
				{
					parent = cur;
					cur = cur->_right;
				}
				else if (cur->_key > key)
				{
					parent = cur;
					cur = cur->_left;
				}//找到位置后进行删除操作
				else
				{
					// 删除
					// 左为空,父亲指向我的右
					if (cur->_left == nullptr)
					{
						//if(parent == nullptr)
						if (cur == _root)
						{
							_root = cur->_right;
						}
						else
						{
							if (cur == parent->_left)
							{
								parent->_left = cur->_right;
							}
							else
							{
								parent->_right = cur->_right;
							}
						}

						delete cur;
					}
					else if (cur->_right == nullptr)
					{
						//if(parent == nullptr)
						if (cur == _root)
						{
							_root = cur->_left;
						}
						else
						{
							// 右为空,父亲指向我的左
							if (cur == parent->_left)
							{
								parent->_left = cur->_left;
							}
							else
							{
								parent->_right = cur->_left;
							}
						}

						delete cur;
					}
					else
					{
						// 左右都不为空,替换法删除
						// 
						// 查找右子树的最左节点替代删除
						Node* rightMinParent = cur;
						Node* rightMin = cur->_right;
						while (rightMin->_left)
						{
							rightMinParent = rightMin;
							rightMin = rightMin->_left;
						}

						swap(cur->_key, rightMin->_key);

						if (rightMinParent->_left == rightMin)
							rightMinParent->_left = rightMin->_right;
						else
							rightMinParent->_right = rightMin->_right;

						delete rightMin;
					}

					return true;
				}
			}

			return false;
		}

中序遍历:

void InOrder()
		{
			_InOrder(_root);
			cout << endl;
		}
	private:
		void _InOrder(Node* root)
		{
			if (root == nullptr)
			{
				return;
			}

			_InOrder(root->_left);
			cout << root->_key << " ";
			_InOrder(root->_right);
		}

需要注意,这里中序遍历这样写的原因是因为root根节点是私有的原因,所以在外是调不动中序遍历函数的,所以需要把中序遍历函数进行套用,放在私有成员内部,在外部套用一层调用即可使用。 


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