算法-二分查找与树的增删改查

Posted 2021-02-27 ygjzs

查找算法

二分查找

非递归版的

// 二分查找法,在有序数组arr中,查找target
// 如果找到target,返回相应的索引index
// 如果没有找到target,返回-1
template<typename T>
int binarySearch(T arr[], int n, T target){

    // 在arr[l...r]之中查找target
    int l = 0, r = n-1;
    while( l <= r ){

        //int mid = (l + r)/2;
        // 防止极端情况下的整形溢出，使用下面的逻辑求出mid
        int mid = l + (r-l)/2;

        if( arr[mid] == target )
            return mid;

        if( arr[mid] > target )
            r = mid - 1;
        else
            l = mid + 1;
    }

    return -1;
}

递归版的

// 用递归的方式写二分查找法
template<typename T>
int __binarySearch2(T arr[], int l, int r, T target){

    if( l > r )
        return -1;

    //int mid = (l+r)/2;
    // 防止极端情况下的整形溢出，使用下面的逻辑求出mid
    int mid = l + (r-l)/2;

    if( arr[mid] == target )
        return mid;
    else if( arr[mid] > target )
        return __binarySearch2(arr, l, mid-1, target);
    else
        return __binarySearch2(arr, mid+1, r, target);
}

template<typename T>
int binarySearch2(T arr[], int n, T target){

    return __binarySearch2( arr , 0 , n-1, target);
}

floor实现
二分查找法, 在有序数组arr中, 查找target,如果找到target, 返回第一个target相应的索引index,如果没有找到target, 返回比target小的最大值相应的索引, 如果这个最大值有多个, 返回最大索引,如果这个target比整个数组的最小元素值还要小, 则不存在这个target的floor值, 返回-1

template<typename T>
int floor(T arr[], int n, T target){

    assert( n >= 0 );

    // 寻找比target小的最大索引
    int l = -1, r = n-1;
    while( l < r ){
        // 使用向上取整避免死循环
        int mid = l + (r-l+1)/2;
        if( arr[mid] >= target )
            r = mid - 1;
        else
            l = mid;
    }

    assert( l == r );

    // 如果该索引+1就是target本身, 该索引+1即为返回值
    if( l + 1 < n && arr[l+1] == target )
        return l + 1;

    // 否则, 该索引即为返回值
    return l;
}

ceil实现
二分查找法, 在有序数组arr中, 查找target,如果找到target, 返回最后一个target相应的索引index,如果没有找到target, 返回比target大的最小值相应的索引, 如果这个最小值有多个, 返回最小的索引,如果这个target比整个数组的最大元素值还要大, 则不存在这个target的ceil值, 返回整个数组元素个数n

template<typename T>
int ceil(T arr[], int n, T target){

    assert( n >= 0 );

    // 寻找比target大的最小索引值
    int l = 0, r = n;
    while( l < r ){
        // 使用普通的向下取整即可避免死循环
        int mid = l + (r-l)/2;
        if( arr[mid] <= target )
            l = mid + 1;
        else // arr[mid] > target
            r = mid;
    }

    assert( l == r );

    // 如果该索引-1就是target本身, 该索引+1即为返回值
    if( r - 1 >= 0 && arr[r-1] == target )
        return r-1;

    // 否则, 该索引即为返回值
    return r;
}

二分查找树插入与查找与遍历算法

递归写法

#include <iostream>

using namespace std;

// 二分搜索树
template <typename Key, typename Value>
class BST{

private:
    // 树中的节点为私有的结构体, 外界不需要了解二分搜索树节点的具体实现
    struct Node{
        Key key;
        Value value;
        Node *left;
        Node *right;

        Node(Key key, Value value){
            this->key = key;
            this->value = value;
            this->left = this->right = NULL;
        }
    };

    Node *root; // 根节点
    int count;  // 树中的节点个数

public:
    // 构造函数, 默认构造一棵空二分搜索树
    BST(){
        root = NULL;
        count = 0;
    }
     ~BST(){
        destroy( root );
    }

    // 返回二分搜索树的节点个数
    int size(){
        return count;
    }

    // 返回二分搜索树是否为空
    bool isEmpty(){
        return count == 0;
    }

    // 向二分搜索树中插入一个新的(key, value)数据对
    void insert(Key key, Value value){
        root = insert(root, key, value);
    }

    // 查看二分搜索树中是否存在键key
    bool contain(Key key){
        return contain(root, key);
    }

    // 在二分搜索树中搜索键key所对应的值。如果这个值不存在, 则返回NULL
    Value* search(Key key){
        return search( root , key );
    }
    // 二分搜索树的前序遍历
    void preOrder(){
        preOrder(root);
    }

    // 二分搜索树的中序遍历
    void inOrder(){
        inOrder(root);
    }

    // 二分搜索树的后序遍历
    void postOrder(){
        postOrder(root);
    }
    // 二分搜索树的层序遍历
    void levelOrder() {

        if (root == NULL) return;

        queue<Node *> q;
        q.push(root);
        while (!q.empty()) {

            Node *node = q.front();
            q.pop();

            cout << node->key << endl;

            if (node->left)
                q.push(node->left);
            if (node->right)
                q.push(node->right);
        }
    }
    // 从二分搜索树中删除最小值所在节点
    void removeMin(){
        if( root )
            root = removeMin( root );
    }

    // 从二分搜索树中删除最大值所在节点
    void removeMax(){
        if( root )
            root = removeMax( root );
    }
    // 从二分搜索树中删除键值为key的节点
    void remove(Key key){
        root = remove(root, key);
    }
private:
    // 向以node为根的二分搜索树中, 插入节点(key, value), 使用递归算法
    // 返回插入新节点后的二分搜索树的根
    Node* insert(Node *node, Key key, Value value){

        if( node == NULL ){
            count ++;
            return new Node(key, value);
        }

        if( key == node->key )
            node->value = value;
        else if( key < node->key )
            node->left = insert( node->left , key, value);
        else    // key > node->key
            node->right = insert( node->right, key, value);

        return node;
    }

    // 查看以node为根的二分搜索树中是否包含键值为key的节点, 使用递归算法
    bool contain(Node* node, Key key){

        if( node == NULL )
            return false;

        if( key == node->key )
            return true;
        else if( key < node->key )
            return contain( node->left , key );
        else // key > node->key
            return contain( node->right , key );
    }

    // 在以node为根的二分搜索树中查找key所对应的value, 递归算法
    // 若value不存在, 则返回NULL
    Value* search(Node* node, Key key){

        if( node == NULL )
            return NULL;

        if( key == node->key )
            return &(node->value);
        else if( key < node->key )
            return search( node->left , key );
        else // key > node->key
            return search( node->right, key );
    }
    // 对以node为根的二叉搜索树进行前序遍历, 递归算法
    void preOrder(Node* node){

        if( node != NULL ){
            cout<<node->key<<endl;
            preOrder(node->left);
            preOrder(node->right);
        }
    }

    // 对以node为根的二叉搜索树进行中序遍历, 递归算法
    void inOrder(Node* node){

        if( node != NULL ){
            inOrder(node->left);
            cout<<node->key<<endl;
            inOrder(node->right);
        }
    }

    // 对以node为根的二叉搜索树进行后序遍历, 递归算法
    void postOrder(Node* node){

        if( node != NULL ){
            postOrder(node->left);
            postOrder(node->right);
            cout<<node->key<<endl;
        }
    }

    // 释放以node为根的二分搜索树的所有节点
    // 采用后续遍历的递归算法
    void destroy(Node* node){

        if( node != NULL ){
            destroy( node->left );
            destroy( node->right );

            delete node;
            count --;
        }
    }
    // 删除掉以node为根的二分搜索树中的最小节点
    // 返回删除节点后新的二分搜索树的根
    Node* removeMin(Node* node){

        if( node->left == NULL ){

            Node* rightNode = node->right;
            delete node;
            count --;
            return rightNode;
        }

        node->left = removeMin(node->left);
        return node;
    }

    // 删除掉以node为根的二分搜索树中的最大节点
    // 返回删除节点后新的二分搜索树的根
    Node* removeMax(Node* node){

        if( node->right == NULL ){

            Node* leftNode = node->left;
            delete node;
            count --;
            return leftNode;
        }

        node->right = removeMax(node->right);
        return node;
    }
    // 删除掉以node为根的二分搜索树中键值为key的节点, 递归算法
    // 返回删除节点后新的二分搜索树的根
    Node* remove(Node* node, Key key){

        if( node == NULL )
            return NULL;

        if( key < node->key ){
            node->left = remove( node->left , key );
            return node;
        }
        else if( key > node->key ){
            node->right = remove( node->right, key );
            return node;
        }
        else{   // key == node->key

            // 待删除节点左子树为空的情况
            if( node->left == NULL ){
                Node *rightNode = node->right;
                delete node;
                count --;
                return rightNode;
            }

            // 待删除节点右子树为空的情况
            if( node->right == NULL ){
                Node *leftNode = node->left;
                delete node;
                count--;
                return leftNode;
            }

            // 待删除节点左右子树均不为空的情况

            // 找到比待删除节点大的最小节点, 即待删除节点右子树的最小节点
            // 用这个节点顶替待删除节点的位置
            Node *successor = new Node(minimum(node->right));
            count ++;

            successor->right = removeMin(node->right);
            successor->left = node->left;

            delete node;
            count --;

            return successor;
        }
    }
};

int main() {

    return 0;
}