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二萬字《演算法和資料結構》三張動圖,三十張彩圖,C語言基礎教學,之 二叉搜索樹詳解 (建議收藏)

2021-09-27 09:58:28 軟體設計

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🌳《畫解資料結構》🌳

前言

??我們知道,「 順序表 」 可以 「 快速索引 」 資料,而 「 鏈表 」 則可以快速的進行資料的「 插入 和 洗掉 」,那么,有沒有一種資料結構,可以快速的實作 「 增 」「 刪 」「 改 」「 查 」 呢?
??本文,我們就來聊一下一種 「 樹形 」 的資料結構,它既有鏈表的快速插入與洗掉的特點,又有順序表快速查找的優勢,它就是:

「 二叉搜索樹 」


在這里插入圖片描述
二叉樹的查找

在這里插入圖片描述
二叉搜索樹的洗掉

在這里插入圖片描述
二叉搜索樹的插入

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文章目錄

  • 前言
  • 一、二叉樹的概念
    • 1、二叉樹的性質
    • 2、特殊二叉樹
      • 1)斜樹
      • 2)滿二叉樹
      • 3)完全二叉樹
    • 3、二叉樹的性質
      • 1)性質1
      • 2)性質2
      • 3)性質3
      • 4)性質4
  • 二、二叉樹的存盤
    • 1、順序表存盤
      • 1)完全二叉樹
      • 2)非完全二叉樹
      • 3)稀疏二叉樹
    • 2、鏈表存盤
  • 三、二叉樹的遍歷
    • 1、 前序遍歷
      • 1)演算法描述
      • 2)原始碼詳解
    • 2、 中序遍歷
      • 1)演算法描述
      • 2)原始碼詳解
    • 3、 后序遍歷
      • 1)演算法描述
      • 2)原始碼詳解
  • 四、二叉搜索樹的概念
    • 1、定義
    • 2、用途
    • 3、資料結構
    • 4、結點創建
  • 五、二叉搜索樹的操作
    • 1、查找
      • 1)演算法原理
      • 2)動圖演示
      • 3)原始碼詳解
    • 2、插入
      • 1)演算法原理
      • 2)動圖演示
      • 3)原始碼詳解
    • 3、洗掉
      • 1)演算法原理
      • 2)動圖演示
      • 3)原始碼詳解
    • 4、構造
      • 1)演算法原理
      • 2)原始碼詳解
  • 六、二叉搜索樹的遍歷
    • 1、先序遍歷
    • 2、中序遍歷
    • 3、后序遍歷
  • 七、二叉搜索樹的總結
  • 粉絲專屬福利

一、二叉樹的概念

??在學習二叉搜索樹之前,我們首先需要了解下什么是二叉樹,

1、二叉樹的性質

??二叉樹是一種樹,它有如下幾個特征:
????1)每個結點最多 2 棵子樹,即每個結點的孩子結點個數為 0、1、2;
????2)這兩棵子樹是有順序的,分別叫:左子樹 和 右子樹;
????3)如果只有一棵子樹的情況,也需要區分順序,如圖所示:

?? b b b a a a 的左子樹;

?? c c c a a a 的右子樹;

2、特殊二叉樹

1)斜樹

??所有結點都只有左子樹的二叉樹被稱為左斜樹,

??所有結點都只有右子樹的二叉樹被稱為右斜樹,

??斜樹有點類似線性表,所以線性表可以理解為一種特殊形式的樹,

2)滿二叉樹

??對于一棵二叉樹,如果它的所有根結點和內部結點都存在左右子樹,且所有葉子結點都在同一層,這樣的樹就是滿二叉樹,

??滿二叉樹有如下幾個特點:
????1)葉子結點一定在最后一層;
????2)非葉子結點的度為 2;
????3)深度相同的二叉樹,滿二叉樹的結點個數最多,為 2 h ? 1 2^h-1 2h?1(其中 h h h 代表深度),

3)完全二叉樹

??對一棵具有 n n n 個結點的二叉樹按照層序進行編號,如果編號 i i i 的結點和同樣深度的滿二叉樹中的編號 i i i 的結點在二叉樹中位置完全相同,則被稱為 完全二叉樹

??滿二叉樹一定是完全二叉樹,而完全二叉樹則不一定是滿二叉樹,
??完全二叉樹有如下幾個特點:
????1)葉子結點只能出現在最下面兩層,
????2)最下層的葉子結點一定是集中在左邊的連續位置;倒數第二層如果有葉子結點,一定集中在右邊的連續位置,
????3)如果某個結點度為 1,則只有左子樹,即 不存在只有右子樹 的情況,
????4)同樣結點數的二叉樹,完全二叉樹的深度最小,

??如下圖所示,就不是一棵完全二叉樹,因為 5 號結點沒有右子樹,但是 6 號結點是有左子樹的,不滿足上述第 2 點,

3、二叉樹的性質

??接下來我們來看下,二叉樹有哪些重要的性質,

1)性質1

??【性質1】二叉樹的第 i ( i ≥ 1 ) i (i \ge 1) i(i1) 層上至多有 2 i ? 1 2^{i-1} 2i?1 個結點,

??既然是至多,就只需要考慮滿二叉樹的情況,對于滿二叉樹而言,當前層的結點數是上一層的兩倍,第一層的結點數為 1,所以第 i i i 的結點數可以通過等比數列公式計算出來,為 2 i ? 1 2^{i-1} 2i?1

2)性質2

??【性質2】深度為 h h h 的二叉樹至多有 2 h ? 1 2^{h}-1 2h?1 個結點,

??對于任意一個深度為 h h h 的二叉樹,滿二叉樹的結點數一定是最多的,所以我們可以拿滿二叉樹進行計算,它的每一層的結點數為 1 1 1 2 2 2 4 4 4 8 8 8、…、 2 h ? 1 2^{h-1} 2h?1
??利用等比數列求和公式,得到總的結點數為:
1 + 2 + 4 + . . . + 2 h ? 1 = 2 h ? 1 1 + 2 + 4 + ... + 2^{h-1} = 2^h - 1 1+2+4+...+2h?1=2h?1

3)性質3

??【性質3】對于任意一棵二叉樹 T T T,如果葉子結點數為 x 0 x_0 x0?,度為 2 的結點數為 x 2 x_2 x2?,則 x 0 = x 2 + 1 x_0 = x_2 + 1 x0?=x2?+1

??令 x 1 x_1 x1? 代表度 為 1 的結點數,總的結點數為 n n n,則有:
n = x 0 + x 1 + x 2 n = x_0 + x_1 + x_2 n=x0?+x1?+x2?
??任意一個結點到它孩子結點的連線我們稱為這棵樹的一條邊,對于任意一個非空樹而言,邊數等于結點數減一,令邊數為 e e e,則有:
e = n ? 1 e = n-1 e=n?1

??對于度為 1 的結點,可以提供 1 條邊,如圖中的黃色結點;對于度為 2 的結點,可以提供 2 條邊,如圖中的紅色結點,所以邊數又可以通過度為 1 和 2 的結點數計算得出: e = x 1 + 2 x 2 e = x_1 + 2 x_2 e=x1?+2x2???聯立上述三個等式,得到: e = n ? 1 = x 0 + x 1 + x 2 ? 1 = x 1 + 2 x 2 e = n-1 = x_0+x_1+x_2 - 1 = x_1 + 2 x_2 e=n?1=x0?+x1?+x2??1=x1?+2x2???化簡后,得證:
x 0 = x 2 + 1 x_0 = x_2 + 1 x0?=x2?+1

4)性質4

??【性質4】具有 n n n 個結點的完全二叉樹的深度為 ? l o g 2 n ? + 1 \lfloor log_2n \rfloor + 1 ?log2?n?+1

??由【性質2】可得,深度為 h h h 的二叉樹至多有 2 h ? 1 2^{h}-1 2h?1 個結點,所以,假設一棵樹的深度為 h h h,它的結點數為 n n n,則必然滿足:
n ≤ 2 h ? 1 n \le 2^{h}-1 n2h?1??由于是完全二叉樹,它一定比深度為 h ? 1 h-1 h?1 的結點數要多,即:
2 h ? 1 ? 1 < n 2^{h-1}-1 \lt n 2h?1?1<n??將上述兩個不等式,稍加整理,得到:
2 h ? 1 ≤ n < 2 h 2^{h-1} \le n \lt 2^h 2h?1n<2h??然后,對不等式兩邊取以2為底的對數,得到: h ? 1 ≤ l o g 2 n < h h-1 \le log_2n \lt h h?1log2?n<h??這里,由于 h h h 一定是整數,所以有: h = ? l o g 2 n ? + 1 h = \lfloor log_2n \rfloor + 1 h=?log2?n?+1

二、二叉樹的存盤

1、順序表存盤

??二叉樹的順序存盤就是指利用陣列對二叉樹進行存盤,結點的存盤位置即陣列下標,能夠體現結點之間的邏輯關系,比如父結點和孩子結點之間的關系,左右兄弟結點之間的關系 等等,

1)完全二叉樹

??來看一棵完全二叉樹,我們對它進行如下存盤,

??編號代表了陣列下標的絕對位置,映射后如下:

下標0123456789101112
d a t a data data ? - ? a a a b b b c c c d d d e e e f f f g g g h h h i i i j j j k k k l l l

??這里為了方便,我們把陣列下標為 0 的位置給留空了,這樣一來,當知道某個結點的下標 x x x,就可以知道它左右兒子的下標分別為 2 x 2x 2x 2 x + 1 2x+1 2x+1;反之,當知道某個結點的下標 x x x,也能知道它父結點的下標為 ? x 2 ? \lfloor \frac x 2 \rfloor ?2x??

2)非完全二叉樹

??對于非完全二叉樹,只需要將對應不存在的結點設定為空即可,

??編號代表了陣列下標的絕對位置,映射后如下:

下標0123456789101112
d a t a data data ? - ? a a a b b b c c c d d d e e e f f f g g g ? - ? ? - ? ? - ? k k k l l l

3)稀疏二叉樹

??對于較為稀疏的二叉樹,就會有如下情況出現,這時候如果用這種方式進行存盤,就比較浪費記憶體了,

??編號代表了陣列下標的絕對位置,映射后如下:

下標0123456789101112
d a t a data data ? - ? a a a b b b c c c d d d ? - ? ? - ? g g g h h h ? - ? ? - ? ? - ? ? - ?

??于是,我們可以采取鏈表進行存盤,

2、鏈表存盤

??二叉樹每個結點至多有兩個孩子結點,所以對于每個結點,設定一個 資料域 和 兩個 指標域 即可,指標域 分別指向 左孩子結點 和 右孩子結點,

typedef struct TreeNode {
    DataType data;
    struct TreeNode *left;   // (1)
    struct TreeNode *right;  // (2)
}TreeNode;
  • ( 1 ) (1) (1) left指向左孩子結點;
  • ( 2 ) (2) (2) right指向右孩子結點;

三、二叉樹的遍歷

??二叉樹的遍歷是指從根結點出發,按照某種次序依次訪問二叉樹中的所有結點,使得每個結點訪問一次且僅被訪問一次,
??對于線性表的遍歷,要么從頭到尾,要么從尾到頭,遍歷方式較為單純,但是樹不一樣,它的每個結點都有可能有兩個孩子結點,所以遍歷的順序面臨著不同的選擇,
??二叉樹的常用遍歷方法有以下四種:前序遍歷、中序遍歷、后序遍歷、層序遍歷,
??我們用 void visit(TreeNode *root)這個函式代表訪問某個結點,這里為了簡化問題,訪問結點的程序就是列印對應資料域的程序,如下代碼所示:

void visit(TreeNode *root) {
    printf("%c", root->data);
}

1、 前序遍歷

1)演算法描述

??【前序遍歷】如果二叉樹為空,則直接回傳,否則,先訪問根結點,再遞回前序遍歷左子樹,再遞回前序遍歷右子樹,

??前序遍歷的結果如下: a b d g h c e f i abdghcefi abdghcefi

2)原始碼詳解

void preorder(TreeNode *root) {
    if(root == NULL) {
        return ;            // (1)
    }
    visit(root);            // (2)
    preorder(root->left);   // (3)
    preorder(root->right);  // (4)
}
  • ( 1 ) (1) (1) 待訪問結點為空時,直接回傳;
  • ( 2 ) (2) (2) 先訪問當前樹的根;
  • ( 3 ) (3) (3) 再前序遍歷左子樹;
  • ( 4 ) (4) (4) 最后前序遍歷右子樹;

2、 中序遍歷

1)演算法描述

??【中序遍歷】如果二叉樹為空,則直接回傳,否則,先遞回中序遍歷左子樹,再訪問根結點,再遞回中序遍歷右子樹,
在這里插入圖片描述
??中序遍歷的結果如下: g d h b a e c i f gdhbaecif gdhbaecif

2)原始碼詳解

void inorder(TreeNode *root) {
    if(root == NULL) {
        return ;            // (1)
    }
    inorder(root->left);    // (2)
    visit(root);            // (3)
    inorder(root->right);   // (4)
}
  • ( 1 ) (1) (1) 待訪問結點為空時,直接回傳;
  • ( 2 ) (2) (2) 先中序遍歷左子樹;
  • ( 3 ) (3) (3) 再訪問當前樹的根;
  • ( 4 ) (4) (4) 最后中序遍歷右子樹;

3、 后序遍歷

1)演算法描述

??【后序遍歷】如果二叉樹為空,則直接回傳,否則,先遞回后遍歷左子樹,再遞回后序遍歷右子樹,再訪問根結點,

??后序遍歷的結果如下: g h d b e i f c a ghdbeifca ghdbeifca

2)原始碼詳解

void postorder(TreeNode *root) {
    if(root == NULL) {
        return ;            // (1)
    }
    postorder(root->left);  // (2)
    postorder(root->right); // (3)
    visit(root);            // (4)
}
  • ( 1 ) (1) (1) 待訪問結點為空時,直接回傳;
  • ( 2 ) (2) (2) 先后序遍歷左子樹;
  • ( 3 ) (3) (3) 再后序遍歷右子樹;
  • ( 4 ) (4) (4) 再訪問當前樹的根;

四、二叉搜索樹的概念

1、定義

??二叉搜索樹,又稱為二叉排序樹,二叉查找樹,它滿足如下四點性質:
????1)空樹是二叉搜索樹;
????2)若它的左子樹不為空,則左子樹上所有結點的值均小于它根結點的值;
????3)若它的右子樹不為空,則右子樹上所有結點的值均大于它根結點的值;
????4)它的左右子樹均為二叉搜索樹;

??如圖所示,對于任何一棵子樹而言,它的根結點的值一定大于左子樹所有結點的值,且一定小于右子樹所有結點的值,

2、用途

??從二叉搜索樹的定義可知,它的前提是二叉樹,并且采用了遞回的方式進行定義,它的結點間滿足一個偏序關系,左子樹根結點的值一定比父結點小,右子樹根結點的值一定比父結點大,
??正如它的名字所說,構造這樣一棵樹的目的是為了提高搜索的速度,如果對二叉搜索樹進行中序遍歷,我們可以發現,得到的序列是一個遞增序列,

3、資料結構

??我們用孩子表示法來定義一棵二叉搜索樹的結點,如下:

struct TreeNode {
    int val;                 // (1)
    struct TreeNode *left;   // (2)
    struct TreeNode *right;  // (3)
};
  • ( 1 ) (1) (1) 二叉搜索樹結點的值,注意,這里的型別其實可以是任意型別,只要這種型別支持 關系運算子 的比較即可,本文為了把問題簡單話,一律采用整數進行講解,
  • ( 2 ) (2) (2) 二叉搜索樹結點的左兒子結點的指標,沒有左兒子結點時,值為NULL
  • ( 3 ) (3) (3) 二叉搜索樹結點的右兒子結點的指標,沒有右兒子結點時,置為NULL

4、結點創建

??結點創建就是給結點分配一塊記憶體,并且填充它的資料域和指標域,然后回傳這個結點,C語言實作如下:

 struct TreeNode* createNode(int val) { 
     struct TreeNode* node = (struct TreeNode*) malloc( sizeof(struct TreeNode) );
     node->val = val;
     node->left = NULL;
     node->right = NULL;
     return node;
 }

五、二叉搜索樹的操作

1、查找

??二叉搜索樹的查找指的是:在樹上查找某個數是否存在,存在回傳true,不存在回傳false

1)演算法原理

??對于要查找的數val,從根結點出發,總共四種情況依次判斷:
????1)若為空樹,直接回傳false
????2)val的值 等于 樹根結點的值,則直接回傳true
????3)val的值 小于 樹根結點的值,說明val對應的結點不在根結點,也不在右子樹上,則遞回回傳左子樹的 查找 結果;
????4)val的值 大于 樹根結點的值,說明val對應的結點不在根結點,也不在左子樹上,則遞回回傳右子樹的 查找 結果;

2)動圖演示

??如圖所示,代表的是從一個二叉搜索樹中查找一個值為 3 的結點,一開始, 3 比根結點 5 小,于是遞回訪問左子樹;還是比子樹的根結點 4 小,于是繼續遞回訪問左子樹;這時候比根結點 2 大,于是遞回訪問右子樹,正好找到值為 3 的結點,回溯結束查找,

3)原始碼詳解

bool BSTFind(struct TreeNode* root, int val) {    // (1) 
    if(root == NULL) {
        return false;                             // (2) 
    }
    if(root->val == val) {
        return true;                              // (3) 
    } 
    if(val < root->val) {
        return BSTFind(root->left, val);          // (4)
    }else {
        return BSTFind(root->right, val);         // (5)
    }
}
  • ( 1 ) (1) (1) BSTFind這個函式用于查找以now為根結點的樹中是否存在值為val這個結點;
  • ( 2 ) (2) (2) 空樹是不可能存在值為val的結點的,直接回傳false
  • ( 3 ) (3) (3) 一旦發現有值為val的結點,直接回傳true
  • ( 4 ) (4) (4) val的值 小于 樹根結點的值,說明val對應的結點不在根結點,也不在右子樹上,則遞回回傳左子樹的 查找 結果;
  • ( 5 ) (5) (5) val的值 大于 樹根結點的值,說明val對應的結點不在根結點,也不在左子樹上,則遞回回傳右子樹的 查找 結果;

2、插入

??二叉搜索樹的插入指的是:將給定的值生成結點后,插入到樹上的某個位置,并且保持這棵樹還是二叉搜索樹,

1)演算法原理

??對于要插入的數val,從根結點出發,總共四種情況依次判斷:
????1)若為空樹,則創建一個值為val的結點并且回傳;
????2)val的值 等于 樹根結點的值,無須執行插入,直接回傳根結點;
????3)val的值 小于 樹根結點的值,那么插入位置一定在 左子樹,遞回執行插入左子樹的程序,并且回傳插入結果作為新的左子樹
????4)val的值 大于 樹根結點的值,那么插入位置一定在 右子樹,遞回執行插入右子樹的程序,并且回傳插入結果作為新的右子樹

2)動圖演示

??如圖所示,代表的是將一個值為 3 的結點插入到一個二叉搜索樹中,一開始, 3 比根結點 5 小,于是遞回插入左子樹;還是比子樹的根結點 4 小,于是繼續遞回插入左子樹;這時候比根結點 2 大,于是遞回插入右子樹,右子樹為空,則直接生成一個值為 3 的結點,回溯結束插入,

3)原始碼詳解

struct TreeNode* BSTInsert(struct TreeNode* root, int val){ // (1)
    if(root == NULL) {                              
        return createNode(val);                             // (2)
    }
    if(val == root->val) {
        return root;                                        // (3)
    }
    if(val < root->val) {                                   // (4)
        root->left = BSTInsert(root->left, val);  
    }else {                                                 // (5)
        root->right = BSTInsert(root->right, val);          
    }
    return root;
}
  • ( 1 ) (1) (1) BSTInsert函式用于將值為val的結點插入到以root為根結點的子樹中;
  • ( 2 ) (2) (2) 如果是空樹,則創建一個值為val的結點并且回傳;
  • ( 3 ) (3) (3) val的值 等于 樹根結點的值,無須執行插入,直接回傳根結點;
  • ( 4 ) (4) (4) val的值 小于 樹根結點的值,那么插入位置一定在 左子樹,遞回執行插入左子樹的程序,并且回傳插入結果作為新的左子樹
  • ( 5 ) (5) (5) val的值 大于 樹根結點的值,那么插入位置一定在 右子樹,遞回執行插入右子樹的程序,并且回傳插入結果作為新的右子樹

3、洗掉

??二叉搜索樹的洗掉指的是:在樹上洗掉給定值的結點,

1)演算法原理

??洗掉值為val的結點的程序,從根結點出發,總共四種情況依次判斷:
????1)空樹,不存在結點直接回傳空樹;
????2)val的值 小于 樹根結點的值,則需要洗掉的結點一定不在右子樹上,遞回呼叫洗掉左子樹的對應結點;
????3)val的值 大于 樹根結點的值,則需要洗掉的結點一定不在左子樹上,遞回呼叫洗掉右子樹的對應結點;
????4)val的值 等于 樹根結點的值,相當于是要洗掉根結點,這時候又要分三種情況:
??????4.1)當前樹只有左子樹,則直接將左子樹回傳,并且釋放當前樹根結點的空間;
??????4.2)當前樹只有右子樹,則直接將右子樹回傳,并且釋放當前樹根結點的空間;
??????4.3)當左右子樹都存在時,需要在右子樹上找到一個值最小的結點,替換新的樹根,而其它結點組成的樹作為它的子樹,并且在子樹中刪掉這個最小的結點,而這一步洗掉的程序正是繼續遞回呼叫結點洗掉的程序;

2)動圖演示

??如圖所示,下圖展示的是,從這棵樹洗掉根結點 5 的程序,首先,由于它有左右兒子結點,所以這個程序,根結點并不是真正的洗掉,而是從右子樹中找到最小的結點 6,替換根結點,并且從根結點為 7 的子樹中洗掉 6 的程序,由于 6 沒有子結點所以這個程序就直接結束了,

3)原始碼詳解

3.1)介面簡介
??在介紹二叉搜索樹的結點洗掉演算法前,我們首先需要知道以下四個介面:

int BSTFindMin(struct TreeNode* root);                       // (2)
struct TreeNode* BSTDelete(struct TreeNode* root, int val);  // (3)
struct TreeNode* Delete(struct TreeNode* root);              // (4)
  • ( 1 ) (1) (1) BSTFindMin:查找root為根的樹中,值最小的那個結點的值,根據二叉搜索樹的性質,如果左子樹存在,則必然存在更小的值,遞回搜索左子樹;如果左子樹不存在,則根結點的值必然最小,直接回傳,具體實作見下文;
  • ( 2 ) (2) (2) BSTDelete:在root為根的樹中,洗掉值為val的結點,是我們需要實作的洗掉介面,具體實作見下文;
  • ( 3 ) (3) (3) Delete:在root為根的樹中,將根結點洗掉,并且使得剩下的樹還是二叉搜索樹,具體實作見下文;

3.2)查找最小結點

int BSTFindMin(struct TreeNode* root) {
    if(root->left)
        return BSTFindMin(root->left);  // (1)
    return root->val;                   // (2)
}
  • ( 1 ) (1) (1) 如果左子樹存在,則遞回呼叫左子樹的查找最小結點介面;
  • ( 2 ) (2) (2) 如果左子樹不存在,則當前根結點的值一定是最小的,直接回傳介面;

3.3)洗掉給定結點

struct TreeNode* BSTDelete(struct TreeNode* root, int val){
    if(NULL == root) {
        return NULL;                                  // (1)
    }
    if(val == root->val) {
        return Delete(root);                          // (2)
    }
    else if(val < root->val) {
        root->left = BSTDelete(root->left, val);      // (3)
    }else if(val > root->val) {
        root->right = BSTDelete(root->right, val);    // (4)
    }
    return root;                                      // (5)
}
  • ( 1 ) (1) (1) 如果為空樹,則直接回傳空結點;
  • ( 2 ) (2) (2) 如果需要洗掉的結點,是這棵樹的根結點,則直接呼叫介面Delete,下文會介紹它的實作;
  • ( 3 ) (3) (3) 如果需要洗掉的結點的值 小于 樹根結點的值,則需要洗掉的結點必定在左子樹上,遞回呼叫左子樹的洗掉,并且將回傳值作為新的左子樹的根結點;
  • ( 4 ) (4) (4) 如果需要洗掉的結點的值 大于 樹根結點的值,則需要洗掉的結點必定在右子樹上,遞回呼叫右子樹的洗掉,并且將回傳值作為新的右子樹的根結點;
  • ( 5 ) (5) (5) 最后,回傳當前樹的根結點;

3.4)洗掉給定二叉搜索樹的根結點,并且回傳新的樹根

struct TreeNode* Delete(struct TreeNode* root) {
    struct TreeNode *delNode, *retNode;
    if(root->left == NULL) {          // (1)
        delNode = root, retNode = root->right, free(delNode);
    }else if(root->right == NULL) {   // (2)
        delNode = root, retNode = root->left, free(delNode);
    }else {                           // (3)
        retNode = (struct TreeNode*) malloc (sizeof(struct TreeNode));
        retNode->val = BSTFindMin(root->right);
        retNode->right = BSTDelete(root->right, retNode->val);
        retNode->left = root->left;
    }
    return retNode;
}
  • ( 1 ) (1) (1) 如果左子樹為空,則用右子樹做為新的樹根;
  • ( 2 ) (2) (2) 如果右子樹為空,則用左子樹作為新的樹根;
  • ( 3 ) (3) (3) 否則,當左右子樹都為非空時,利用BSTFindMin,從右子樹上找出最小的結點,作為新的根,并且在右子樹中洗掉對應的結點,洗掉程序就是遞回呼叫BSTDelete的程序;

4、構造

??二叉搜索樹的構造就是:給定一個陣列序列,構造出一個棵二叉搜索樹,

1)演算法原理

??原理比較簡單,一開始是一棵空樹,然后遍歷陣列,對每個元素生成一個結點,不斷執行插入操作,并且回傳新的樹根,就完成了構造的程序,

2)原始碼詳解

struct TreeNode* BSTConstruct(int *vals, int valSize) {
    int i;
    struct TreeNode* root = NULL;         // (1)
    for(i = 0; i < valSize; ++i) {
        root = BSTInsert(root, vals[i]);  // (2)
    }
    return root;
}
  • ( 1 ) (1) (1) 初始化空樹;
  • ( 2 ) (2) (2) 根據陣列給定順序執行插入樹的操作;

??插入程序需要明確一點,就是如果給定的陣列是嚴格遞增,或者嚴格遞減,就會導致每次插入都要遍歷樹的所有結點,這樣就使得整個插入程序的時間復雜度變成了 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2),改善的方法有幾種:
??方法1:隨機將陣列打亂順序,再執行插入;
??方法2:每次插入后,變換成平衡樹,對于平衡樹相關內容,下篇文章會詳細講解;

六、二叉搜索樹的遍歷

1、先序遍歷

??給定一個某個二叉搜索樹的先序遍歷序列,構造出一棵二叉搜索樹,方法如下:
??1)首先,考慮先序遍歷的特點:先訪問根結點,再依次訪問左右子樹;所以,第一個結點一定是根結點;
??2)然后,陣列往后遍歷的程序中,遇到的所有小于當前根結點的結點,都必然是左子樹上的結點,后面的結點必然是右子樹的(當然,如果檢測到后面的結點有比這個根結點小的,則這個序列無法構造出一棵二叉搜索樹);
??3)遍歷找到左右子樹的分界點后,就可以進行左右子樹遞回計算了,注意遞回時回傳構造完的子樹的根結點,

2、中序遍歷

??二叉搜索樹的中序遍歷是最常用的,一棵二叉搜索樹的中序遍歷是一個遞增序列,
??遞增序列是存在單調性的,所以可以利用這個特性,在有效的時間內找出這棵樹的第 k k k 大結點,

3、后序遍歷

??給定一個整數陣列,判斷該陣列是不是某二叉搜索樹的后序遍歷結果,方法如下:
??1)從后序遍歷的定義出發,先左子樹,再右子樹,最后根結點,所以,這個序列的最后一個元素,一定是根結點,且所有小于它的元素作為左子樹,所有大于它的元素作為右子樹,
??2)如果能夠分成這樣兩部分,則遞回計算左右子樹;
??3)否則,在出現第一個大于 最后一個元素的情況下,又出現小于 最后一個元素的情況,則表示這是一種非法情況,直接回傳false

七、二叉搜索樹的總結

??縱觀二叉搜索樹的查找、插入 和 洗掉,完全取決于二叉搜索樹的形狀,如果是完全二叉樹或者接近完全二叉樹,則這三個程序都是 O ( l o g 2 n ) O(log_2n) O(log2?n) 的,如果是斜樹,則三個程序近似操作線性表,為 O ( n ) O(n) O(n)


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??這篇文章的主要目的是講解二叉搜索樹的一些基礎概念,以及和二叉搜索樹相關的一些經典演算法,但是實際學習程序還是需要看個人的毅力和堅持,下圖代表的是 LeetCode 經典的二叉搜索樹的題集,其中樹是很重要的一個章節,涉及了諸多演算法,希望可以供讀者參考和學習,

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