C++二叉搜索树

Posted 2023-02-20 Suk-god

1、二叉搜索树的概念

 二叉搜索树又称二叉排序树，它可以是一颗空树，亦可以是一颗具有如下性质的二叉树：

  ①若根节点的左子树不为空，则左子树上的所有节点的值域都小于根节点的值
  ②若根节点的右子树不为空，则右子树上的所有节点的值域都大于根节点的值
  ③根节点的左右子树分别也是一颗二叉搜索树

例如下面的这棵二叉树就是一棵二叉搜索树：

注意：判定一棵二叉树是否为二叉搜索树一定要紧扣二叉搜索树的概念~

2、二叉搜索树的操作

声明：该文章讨论的是二叉搜索树中节点值唯一的情况。

二叉搜索树的查找

对于查找部分，充分利用二叉搜索树的特性，即右子树的value 大于根节点，左子树的value小于根节点。

例如：查找下图中的红色方框中的节点

以6对应的节点为列，查找过程主要经历如下几个步骤：
  ①6与根节点5比较，6 > 5,因此到5的右子树查找
  ①6与根节点7比较，6 < 7,因此到7的左子树查找
  ①6与根节点6比较，6 == 6,此时查找成功！

总结基本步骤：

若根节点不为空：
  如果根节点的key == 查找的key----->返回true
  如果根节点的key > 查找的key----->转到根节点的右子树查找
  如果根节点的key < 查找的key----->转到根节点的左子树查找

否则（根节点为空了），直接返回false，表示树中不存在要查找的key

二叉搜索树的插入

主要分两大类的情况进行讨论：

1、树为空，直接插入

如下图所示：

2、树不空

①按照二叉搜索树的性质查找插入的位置
②插入新的节点

e.g:在下面的二叉搜索树中插入-1

第一步，查找插入位置：
 注意：要标记当前访问的节点的双亲，否则，就算找到了插入位置，由于无法访问其双亲，也是无法进行插入的。这里使用parent来标记当前访问节点的双亲节点。
具体过程如下图：

第二步，插入新节点
判断待插入节点(node)的值与parent标记的节点值的大小关系

if(node->value < parent->value)//新节点作为parent的左孩子

	parent->left = node;

else//新节点作为parent的右孩子

	parent->right = node;

以上就是二叉搜索树插入的两大类情况及其处理方式

二叉搜索树的删除

删除也是分为两大步骤：

1、找到待删除结点，并标记其双亲

具体代码片段如下：

Node* delNode = root;//标记待删除结点
Node* parent = nullptr;//标记待删除结点的双亲
while(delNode)

	if(delNode->value == value)
	
		break;
	
	else if(delNode->value > value)
	
		parent = delNode;
		delNode = delNode->left;
	
	else
	
		parent = delNode;
		delNode = delNode->right;
	

上述代码执行完毕后，delNode有两种情况，delNode == nullptr || delNode!=nullptr
下面我们就这两种情况展开讨论：

2、删除该节点

Ⅰ、nullptr == delNode
  说明在二叉搜索树中不存在要删除的结点。直接return false；

Ⅱ、delNode != nullptr;
  在二叉搜索树中找到了删除结点，开始删除。

删除时，对于待删除结点要根据其孩子节点分情况讨论：
  ①待删除结点是叶子结点
  ②待删除结点只有左孩子
  ③待删除结点只有有孩子
  ④待删除结点左右孩子均存在
下面，我们就这4中情况展开讨论：

情况一：待删除结点时叶子节点

可以直接删除，具体如下图：

情况二：待删除结点只有左孩子

在此前提下，有两类情形
 1、delNode的双亲存在
 2、delNode的双亲不存在

下面就这两种情况展开讨论：
1、delNode的双亲存在

删除过程见下图：

2、delNode的双亲不存在

与上述仅存在叶子节点时存在的问题一样，需要在delete待删除结点之前，判断delNode与parent的位置关系，进而确定是更新parent的left指针域还是right指针域
结合上述两种情况，初步确定仅有左孩子的删除代码片段如下：

if(nullptr == parent)

	root = delNode->left;

else

	if(delNode == parent->left)
	
		parent->left = delNode->left;
	
	else
	
		parent->right = delNode->left;
	

delete delNode;

我们结合删除节点是叶子节点 && 删除节点仅有左子树两种情况来看，发现这两种情况可以进行合并。合并后的代码如下图：

情况三：待删除结点只有右孩子

该情况与只有左孩子的分析过程一样，存在两类情形，分别是
 1、delNode的双亲存在
 2、delNode的双亲不存在

这里不再进行分析，直接给出代码：

情况四：待删除结点左右孩子均存在
明确：该情况无法直接删除，需要在其子树中寻找替代结点
具体删除步骤如下：

1、找替代节点：在delNode的右子树（左子树）找最左侧（最右侧）的结点并保存其双亲
2、将替代节点中的值域赋值给待删除结点
3、将替代节点删除掉

①如果替代节点找的是delNode右子树的最左侧结点，那么待删除的替代节点一定不会有左子树，可能会有右子树

②如果替代节点找的是delNode左子树的最右侧结点，那么待删除的替代节点一定不会有右子树，可能会有左子树

注意：一般情况下采用delNode右子树的最左侧结点作为替代节点

具体过程见下图：

ok,下面给出实现的代码：

3、二叉搜索树的实现

数据结构：

template<class T>
struct BSTNode//每一个结点的结构

	BSTNode<T>* _left;//左指针域
	BSTNode<T>* _right;//右指针域
	T _value;//值域

	BSTNode(const T& value = T())
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _value(value)
	
;

采用模板的方式实现，具体代码见 BinarySearchTree

4、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中各个操作的性能

对于有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，比较次数越多。

但对于同一个关键码的集合，如果各关键码插入的次序不同，可能会得到不同的二叉搜索树：

最优情况下：二叉搜索树为完全二叉树，其平均比较次数为log₂N
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

因此，二叉搜索树的时间复杂度为O(log₂N)

此篇结束！下篇再见~