0 Binary Search Tree

定义

BST 的特性

  • 按照中序遍历（inorder traversal）打印各节点，会得到由小到大的顺序。

  • 在BST中搜索某值的平均时间复杂度为O(logN)，其中N为节点个数。类似二分查找（binary search），将待寻值与节点值比较，若不相等，则通过是小于还是大于，可断定该值只可能在左子树还是右子树，继续向该子树搜索。故一次比较平均排除半棵树。

BST 的作用

  • 通过中序遍历，可快速得到升序节点列表。

  • 在BST中查找元素，只需要平均O(logN)的时间，这与有序数组（sorted array）一样。但BST平均log(N)即可实现元素的增加和删除（参考链接），有序数组却需要O(N)

二叉搜索树(Binary Search Tree)的CRUD操作

二叉搜索树可以是一棵空树或者是一棵满足下列条件的二叉树:

  • 如果它的左子树不空，则左子树上所有节点值

    均小于

    它的根节点值。

  • 如果它的右子树不空，则右子树上所有节点值

    均大于

    它的根节点值。

  • 它的左右子树均为二叉搜索树(BST)。

  • 严格定义下BST中是没有值相等的节点的(No duplicate nodes)。

    根据上述特性，我们可以得到一个结论：BST中序遍历得到的序列是升序的。如下述BST的中序序列为：[1,3,4,6,7,8,10,13,14]

BST基本操作——增删改查(CRUD)

对于树节点的定义如下：

class TreeNode{
    int val;
    TreeNode left;
    TreeNode right;
    pubic TreeNode(int val) {
        this.val = val;
        this.left = this.right = null;
    }
}

基本操作之查找(Retrieve)

  • 思路

    • 查找值为val的节点，如果val小于根节点则在左子树中查找，反之在右子树中查找

  • 代码实现

public TreeNode searchBST(TreeNode root, int val) {
    if (root == null) {
        return null;
    }// 未找到值为val的节点
    if (val < root.val) {
        return searchBST(root.left, val);//val小于根节点值，在左子树中查找
    } else if (val > root.val) {
        return searchBST(root.right, val);//val大于根节点值，在右子树中查找
    } else {
        return root;//找到了
    }
}

基本操作之修改(Update)

  • 思路

    • 修改仅仅需要在查找到需要修改的节点之后，更新这个节点的值就可以了

  • 代码实现

public void updateBST(TreeNode root, int target, int val) {
    if (root == null) {
        return;
    }// 未找到target节点
    if (target < root.val) {
        updateBST(root.left, target, val);//target小于根节点值，在左子树中查找
    } else if (target > root.val) {
        updateBST(root.right, target, val);//target大于根节点值，在右子树中查找
    } else { //找到了
        root.val = val;
    }
}

基本操作之增加(Create)

  • 思路

    • 根节点为空，则待添加的节点为根节点

    • 如果待添加的节点值小于根节点，则在左子树中添加

    • 如果待添加的节点值大于根节点，则在右子树中添加

    • 我们统一在树的叶子节点(Leaf Node)后添加

  • 代码实现

public TreeNode insertNode(TreeNode root, TreeNode node) {
    if (root == null) {
        return node;
    }
    if (root.val > node.val) {
        root.left = insertNode(root.left, node);
    } else {
        root.right = insertNode(root.right, node);
    }
    return root;
}

基本操作之删除(Delete)

  • 思路(最为复杂)

    • 考虑待删除的节点为叶子节点，可以直接删除并修改父亲节点(Parent Node)的指针，需要区分待删节点是否为根节点

    • 考虑待删除的节点为单支节点(只有一棵子树——左子树 or 右子树)，与删除链表节点操作类似，同样的需要区分待删节点是否为根节点

    • 考虑待删节点有两棵子树，可以将待删节点与左子树中的最大节点进行交换，由于左子树中的最大节点一定为叶子节点，所以这时再删除待删的节点可以参考第一条

    • 详细的解释可以看

      http://www.algolist.net/Data_structures/Binary_search_tree/Removal

  • 代码实现

public TreeNode removeNode(TreeNode root, int value) {
    TreeNode dummy = new TreeNode(0);
    dummy.left = root;
    TreeNode parent = findNode(dummy, root, value);
    TreeNode node;
    if (parent.left != null && parent.left.val == value) {
        node = parent.left;
    } else if (parent.right != null && parent.right.val == value) {
        node = parent.right;
    } else {
        return dummy.left;
    }
    deleteNode(parent, node);
    return dummy.left;
}

private TreeNode findNode(TreeNode parent, TreeNode node, int value) {
    if (node == null) {
        return parent;
    }
    if (node.val == value) {
        return parent;
    }
    if (value < node.val) {
        return findNode(node, node.left, value);
    } else {
        return findNode(node, node.right, value);
    }
}

private void deleteNode(TreeNode parent, TreeNode node) {
    if (node.right == null) {
        if (parent.left == node) {
            parent.left = node.left;
        } else {
            parent.right = node.left;
        }
    } else {
        TreeNode temp = node.right;
        TreeNode father = node;
        while (temp.left != null) {
            father = temp;
            temp = temp.left;
        }
        if (father.left == temp) {
            father.left = temp.right;
        } else {
            father.right = temp.right;
        }
        if (parent.left == node) {
            parent.left = temp;
        } else {
            parent.right = temp;
        }
        temp.left = node.left;
        temp.right = node.right;
    }
}

常见的BST面试题

http://www.lintcode.com/en/tag/binary-search-tree/

BST是一种重要且基本的结构，其相关题目也十分经典，并延伸出很多算法。 在BST之上，有许多高级且有趣的变种,以解决各式各样的问题，例如:

  • 用于数据库或各语言标准库中索引的红黑树

  • 提升二叉树性能底线的伸展树

  • 优化红黑树的AA树

  • 随机插入的树堆

  • 机器学习kNN算法的高维快速搜索k-d树

  • …………

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