|
|
@ -1,6 +1,6 @@
|
|
|
|
# 二叉搜索树
|
|
|
|
# 二叉搜索树
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
如下图所示,「二叉搜索树 binary search tree」满足以下条件:
|
|
|
|
如下图所示,「二叉搜索树 binary search tree」满足以下条件。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. 对于根节点,左子树中所有节点的值 $<$ 根节点的值 $<$ 右子树中所有节点的值。
|
|
|
|
1. 对于根节点,左子树中所有节点的值 $<$ 根节点的值 $<$ 右子树中所有节点的值。
|
|
|
|
2. 任意节点的左、右子树也是二叉搜索树,即同样满足条件 `1.` 。
|
|
|
|
2. 任意节点的左、右子树也是二叉搜索树,即同样满足条件 `1.` 。
|
|
|
@ -13,7 +13,7 @@
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 查找节点
|
|
|
|
### 查找节点
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
给定目标节点值 `num` ,可以根据二叉搜索树的性质来查找。如下图所示,我们声明一个节点 `cur` ,从二叉树的根节点 `root` 出发,循环比较节点值 `cur.val` 和 `num` 之间的大小关系:
|
|
|
|
给定目标节点值 `num` ,可以根据二叉搜索树的性质来查找。如下图所示,我们声明一个节点 `cur` ,从二叉树的根节点 `root` 出发,循环比较节点值 `cur.val` 和 `num` 之间的大小关系。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 若 `cur.val < num` ,说明目标节点在 `cur` 的右子树中,因此执行 `cur = cur.right` 。
|
|
|
|
- 若 `cur.val < num` ,说明目标节点在 `cur` 的右子树中,因此执行 `cur = cur.right` 。
|
|
|
|
- 若 `cur.val > num` ,说明目标节点在 `cur` 的左子树中,因此执行 `cur = cur.left` 。
|
|
|
|
- 若 `cur.val > num` ,说明目标节点在 `cur` 的左子树中,因此执行 `cur = cur.left` 。
|
|
|
@ -114,7 +114,7 @@
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
![在二叉搜索树中插入节点](binary_search_tree.assets/bst_insert.png)
|
|
|
|
![在二叉搜索树中插入节点](binary_search_tree.assets/bst_insert.png)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
在代码实现中,需要注意以下两点:
|
|
|
|
在代码实现中,需要注意以下两点。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 二叉搜索树不允许存在重复节点,否则将违反其定义。因此,若待插入节点在树中已存在,则不执行插入,直接返回。
|
|
|
|
- 二叉搜索树不允许存在重复节点,否则将违反其定义。因此,若待插入节点在树中已存在,则不执行插入,直接返回。
|
|
|
|
- 为了实现插入节点,我们需要借助节点 `pre` 保存上一轮循环的节点。这样在遍历至 $\text{None}$ 时,我们可以获取到其父节点,从而完成节点插入操作。
|
|
|
|
- 为了实现插入节点,我们需要借助节点 `pre` 保存上一轮循环的节点。这样在遍历至 $\text{None}$ 时,我们可以获取到其父节点,从而完成节点插入操作。
|
|
|
@ -195,9 +195,12 @@
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 删除节点
|
|
|
|
### 删除节点
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
与插入节点类似,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。接下来,根据待删除节点的子节点数量,删除操作需分为三种情况:
|
|
|
|
与插入节点类似,我们需要保证在删除操作完成后,二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质仍然满足。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
如下图所示,当待删除节点的度为 $0$ 时,表示待删除节点是叶节点,可以直接删除。
|
|
|
|
1. 在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。
|
|
|
|
|
|
|
|
2. 根据待删除节点的子节点数量(三种情况),执行对应的删除节点操作。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
如下图所示,当待删除节点的度为 $0$ 时,表示该节点是叶节点,可以直接删除。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
![在二叉搜索树中删除节点(度为 0)](binary_search_tree.assets/bst_remove_case1.png)
|
|
|
|
![在二叉搜索树中删除节点(度为 0)](binary_search_tree.assets/bst_remove_case1.png)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ -207,7 +210,7 @@
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
当待删除节点的度为 $2$ 时,我们无法直接删除它,而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左 $<$ 根 $<$ 右”的性质,**因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点**。
|
|
|
|
当待删除节点的度为 $2$ 时,我们无法直接删除它,而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左 $<$ 根 $<$ 右”的性质,**因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点**。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
假设我们选择右子树的最小节点(即中序遍历的下一个节点),则删除操作如下图所示。
|
|
|
|
假设我们选择右子树的最小节点(即中序遍历的下一个节点),则删除操作流程如下图所示。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. 找到待删除节点在“中序遍历序列”中的下一个节点,记为 `tmp` 。
|
|
|
|
1. 找到待删除节点在“中序遍历序列”中的下一个节点,记为 `tmp` 。
|
|
|
|
2. 将 `tmp` 的值覆盖待删除节点的值,并在树中递归删除节点 `tmp` 。
|
|
|
|
2. 将 `tmp` 的值覆盖待删除节点的值,并在树中递归删除节点 `tmp` 。
|
|
|
@ -298,21 +301,19 @@
|
|
|
|
[class]{BinarySearchTree}-[func]{remove}
|
|
|
|
[class]{BinarySearchTree}-[func]{remove}
|
|
|
|
```
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
### 中序遍历性质
|
|
|
|
### 中序遍历有序
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
如下图所示,二叉树的中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历顺序,而二叉搜索树满足“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。
|
|
|
|
如下图所示,二叉树的中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历顺序,而二叉搜索树满足“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
这意味着在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一个重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
|
|
|
|
这意味着在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一个重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无须额外排序,非常高效。
|
|
|
|
利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无须进行额外的排序操作,非常高效。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
![二叉搜索树的中序遍历序列](binary_search_tree.assets/bst_inorder_traversal.png)
|
|
|
|
![二叉搜索树的中序遍历序列](binary_search_tree.assets/bst_inorder_traversal.png)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 二叉搜索树的效率
|
|
|
|
## 二叉搜索树的效率
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。
|
|
|
|
给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。观察下表,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
观察下表,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<p align="center"> 表 <id> 数组与搜索树的效率对比 </p>
|
|
|
|
<p align="center"> 表 <id> 数组与搜索树的效率对比 </p>
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ -326,7 +327,7 @@
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
然而,如果我们在二叉搜索树中不断地插入和删除节点,可能导致二叉树退化为下图所示的链表,这时各种操作的时间复杂度也会退化为 $O(n)$ 。
|
|
|
|
然而,如果我们在二叉搜索树中不断地插入和删除节点,可能导致二叉树退化为下图所示的链表,这时各种操作的时间复杂度也会退化为 $O(n)$ 。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
![二叉搜索树的平衡与退化](binary_search_tree.assets/bst_degradation.png)
|
|
|
|
![二叉搜索树的退化](binary_search_tree.assets/bst_degradation.png)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## 二叉搜索树常见应用
|
|
|
|
## 二叉搜索树常见应用
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|