二叉搜索树(2019-06-09)

1、定义

二叉搜索树又称二叉查找树,亦称为二叉排序树。设x为二叉查找树中的一个节点,x节点包含关键字key,节点x的key值记为key[x]。如果y是x的左子树中的一个节点,则key[y] <= key[x];如果y是x的右子树的一个节点,则key[y] >= key[x]。

2、性质

(1)若左子树不空,则左子树上所有节点的值均小于它的根节点的值;
(2)若右子树不空,则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值;
(3)左、右子树也分别为二叉搜索树;
如图1为一颗二叉搜索树

图1

图2所示不是一颗二叉搜索树


图2

3、创建二叉树

现有序列:A = {61, 87, 59, 47, 35, 73, 51, 98, 37, 93}。
根据序列构造二叉搜索树过程如下:
i = 0;A[0] = 61;作为根节点;
i = 1,A[1] = 87,87 > 61,且节点61右孩子为空,故81为61节点的右孩子;
i = 2,A[2] = 59,59 < 61,且节点61左孩子为空,故59为61节点的左孩子;
i = 3,A[3] = 47,47 < 59,且节点59左孩子为空,故47为59节点的左孩子;
以此类推,构建完毕后,如图3


图3

4、查找

4.1、查找步骤

(1)如果树是空的,则查找结束,无匹配。
(2)如果被查找的值和节点的值相等,查找成功。
(3)如果被查找的值小于节点的值,递归查找左子树,
(4)如果被查找的值大于节点的值,递归查找右子树,

4.2、代码

/* 递归查找二叉排序树T中是否存在key, */
/* 指针f指向T的双亲,其初始调用值为NULL */
/* 若查找成功,则指针p指向该数据元素节点,并返回TRUE */
/* 否则指针p指向查找路径上访问的最后一个节点并返回FALSE */

bool searchBST(BSTNode* T, int key, BSTNode* f, BSTNode **p)
{  
    if (!T) /*  查找不成功 */
    { 
        *p = f;  
        return false; 
    }
    else if (key == T->key) /*  查找成功 */
    { 
        *p = T;  
        return true; 
    } 
    else if (key < T->key) 
        return searchBST(T->lchild, key, T, p);  /*  在左子树中继续查找 */
    else  
        return searchBST(T->rchild, key, T, p);  /*  在右子树中继续查找 */
}

5、插入

5.1、插入过程

(1)先检测该元素是否在树中已经存在。如果已经存在,则不进行插入;
(2)若元素不存在,则进行查找过程,并将元素插入在查找结束的位置。

5.2图解过程

图5

图6

图7

6、平衡二叉树

6.1、定义

二叉搜索树一定程度上可以提高搜索效率,但是当原序列有序,例如序列A = {1,2,3,4,5,6},构造二叉搜索树如图8。依据此序列构造的二叉搜索树为右斜树,同时二叉树退化成单链表,搜索效率降低为O(n)。


图8

在此二叉搜索树中查找元素6需要查找6次。
二叉搜索树的查找效率取决于树的高度,因此保持树的高度最小,即可保证树的查找效率。同样的序列A,改为图9方式存储,查找元素6时只需比较3次,查找效率提升一倍。


图9

总结:可以看出当节点数目一定,保持树的左右两端保持平衡,树的查找效率最高。这种左右子树的高度相差不超过1的树为平衡二叉树。

6.2、平衡因子

定义:某节点的左子树与右子树的高度(深度)差即为该节点的平衡因子(BF,Balance Factor),平衡二叉树中不存在平衡因子大于1的节点。在一棵平衡二叉树中,节点的平衡因子只能取-1、1或者0。

6.3 左旋与右旋

左旋:
如图10所示的平衡二叉树

图10

如在此平衡二叉树插入节点62,树结构变为:

图11

可以得出40节点的左子树高度为1,右子树高度为3,此时平衡因子为-2,树失去平衡。为保证树的平衡,此时需要对节点40做出旋转,因为右子树高度高于左子树,对节点进行左旋操作,流程如下:
(1)节点的右孩子替代此节点位置
(2)右孩子的左子树变为该节点的右子树
(3)节点本身变为右孩子的左子树

图解过程:

图12
图13

右旋:

右旋操作与左旋类似,操作流程为:
(1)节点的左孩子代表此节点
(2)节点的左孩子的右子树变为节点的左子树
(3)将此节点作为左孩子节点的右子树。

图解过程:

图14
图15
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