BST的定义

在二叉查找树中:

  • 若任意节点的左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值;
  • 任意节点的右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值;
  • 任意节点的左、右子树也分别为二叉查找树。
  • 没有键值相等的节点。

image.png
动画效果请参考 BST
著作权归https://pdai.tech所有。 链接:https://www.pdai.tech/md/algorithm/alg-basic-tree-search.html

BST的实现

节点

BSTree是二叉树,它保护了二叉树的根节点mRoot;mRoot是BSTNode类型,而BSTNode是二叉查找树的节点,它是BSTree的内部类。BSTNode包含二叉查找树的几个基本信息:

  • key — 它是关键字,是用来对二叉查找树的节点进行排序的。
  • left — 它指向当前节点的左孩子。
  • right — 它指向当前节点的右孩子。
  • parent — 它指向当前节点的父结点。 ```java public class BSTree> {

    private BSTNode mRoot; // 根结点

    public class BSTNode> {

    1. T key; // 关键字(键值)
    2. BSTNode<T> left; // 左孩子
    3. BSTNode<T> right; // 右孩子
    4. BSTNode<T> parent; // 父结点
    5. public BSTNode(T key, BSTNode<T> parent, BSTNode<T> left, BSTNode<T> right) {
    6. this.key = key;
    7. this.parent = parent;
    8. this.left = left;
    9. this.right = right;
    10. }

    }

    …… }

  1. <a name="IFyf9"></a>
  2. ### 遍历
  3. 这里讲解前序遍历、中序遍历、后序遍历3种方式。
  4. <a name="iVqHq"></a>
  5. #### 前序遍历
  6. 若二叉树非空,则执行以下操作:
  7. - 访问根结点;
  8. - 先序遍历左子树;
  9. - 先序遍历右子树。
  10. ```java
  11. private void preOrder(BSTNode<T> tree) {
  12. if(tree != null) {
  13. System.out.print(tree.key+" ");
  14. preOrder(tree.left);
  15. preOrder(tree.right);
  16. }
  17. }
  18. public void preOrder() {
  19. preOrder(mRoot);
  20. }

中序遍历

若二叉树非空,则执行以下操作:

  • 中序遍历左子树;
  • 访问根结点;
  • 中序遍历右子树。 ```java private void inOrder(BSTNode tree) { if(tree != null) {
    1. inOrder(tree.left);
    2. System.out.print(tree.key+" ");
    3. inOrder(tree.right);
    } }

public void inOrder() { inOrder(mRoot); }

  1. <a name="b2AWu"></a>
  2. #### 后序遍历
  3. 若二叉树非空,则执行以下操作:
  4. - 后序遍历左子树;
  5. - 后序遍历右子树;
  6. - 访问根结点。
  7. ```java
  8. private void postOrder(BSTNode<T> tree) {
  9. if(tree != null)
  10. {
  11. postOrder(tree.left);
  12. postOrder(tree.right);
  13. System.out.print(tree.key+" ");
  14. }
  15. }
  16. public void postOrder() {
  17. postOrder(mRoot);
  18. }

看看下面这颗树的各种遍历方式:
image.png
对于上面的二叉树而言,

  • 前序遍历结果: 8 3 1 6 4 7 10 14 13
  • 中序遍历结果: 1 3 4 6 7 8 10 13 14
  • 后序遍历结果: 1 4 7 6 3 13 14 10 8

    查找

  • 递归版本的代码 ```java /*

    • (递归实现)查找”二叉树x”中键值为key的节点 */ private BSTNode search(BSTNode x, T key) { if (x==null)

      1. return x;

      int cmp = key.compareTo(x.key); if (cmp < 0)

      1. return search(x.left, key);

      else if (cmp > 0)

      1. return search(x.right, key);

      else

      1. return x;

      }

public BSTNode search(T key) { return search(mRoot, key); }

  1. - 非递归版本的代码
  2. ```java
  3. /*
  4. * (非递归实现)查找"二叉树x"中键值为key的节点
  5. */
  6. private BSTNode<T> iterativeSearch(BSTNode<T> x, T key) {
  7. while (x!=null) {
  8. int cmp = key.compareTo(x.key);
  9. if (cmp < 0)
  10. x = x.left;
  11. else if (cmp > 0)
  12. x = x.right;
  13. else
  14. return x;
  15. }
  16. return x;
  17. }
  18. public BSTNode<T> iterativeSearch(T key) {
  19. return iterativeSearch(mRoot, key);
  20. }


最大值和最小值

image.png

  • 查找最大结点 ```java /*

    • 查找最大结点: 返回tree为根结点的二叉树的最大结点。 */ private BSTNode maximum(BSTNode tree) { if (tree == null)

      1. return null;

      while(tree.right != null)

      1. tree = tree.right;

      return tree; }

public T maximum() { BSTNode p = maximum(mRoot); if (p != null) return p.key;

  1. return null;

}

  1. - 查找最小结点
  2. ```java
  3. /*
  4. * 查找最小结点: 返回tree为根结点的二叉树的最小结点。
  5. */
  6. private BSTNode<T> minimum(BSTNode<T> tree) {
  7. if (tree == null)
  8. return null;
  9. while(tree.left != null)
  10. tree = tree.left;
  11. return tree;
  12. }
  13. public T minimum() {
  14. BSTNode<T> p = minimum(mRoot);
  15. if (p != null)
  16. return p.key;
  17. return null;
  18. }

前驱和后继

节点的前驱: 是该节点的左子树中的最大节点。 节点的后继: 是该节点的右子树中的最小节点。

  • 查找前驱节点 ```java /*

    • 找结点(x)的前驱结点。即,查找”二叉树中数据值小于该结点”的”最大结点”。 */ public BSTNode predecessor(BSTNode x) { // 如果x存在左孩子,则”x的前驱结点”为 “以其左孩子为根的子树的最大结点”。 if (x.left != null)

      1. return maximum(x.left);

      // 如果x没有左孩子。则x有以下两种可能: // (01) x是”一个右孩子”,则”x的前驱结点”为 “它的父结点”。 // (01) x是”一个左孩子”,则查找”x的最低的父结点,并且该父结点要具有右孩子”,找到的这个”最低的父结点”就是”x的前驱结点”。 BSTNode y = x.parent; while ((y!=null) && (x==y.left)) {

      1. x = y;
      2. y = y.parent;

      }

      return y; }

  1. ![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/22016332/1652717955501-45791730-9fde-4807-9f9c-0a08d01f228c.png#clientId=u6f6655c3-1b96-4&from=paste&height=439&id=uc94896fa&originHeight=549&originWidth=680&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=154003&status=done&style=none&taskId=uf5440235-3323-49ba-971d-7538e50aa93&title=&width=544)
  2. - 查找后继节点
  3. ```java
  4. /*
  5. * 找结点(x)的后继结点。即,查找"二叉树中数据值大于该结点"的"最小结点"。
  6. */
  7. public BSTNode<T> successor(BSTNode<T> x) {
  8. // 如果x存在右孩子,则"x的后继结点"为 "以其右孩子为根的子树的最小结点"。
  9. if (x.right != null)
  10. return minimum(x.right);
  11. // 如果x没有右孩子。则x有以下两种可能:
  12. // (01) x是"一个左孩子",则"x的后继结点"为 "它的父结点"。
  13. // (02) x是"一个右孩子",则查找"x的最低的父结点,并且该父结点要具有左孩子",找到的这个"最低的父结点"就是"x的后继结点"。
  14. BSTNode<T> y = x.parent;
  15. while ((y!=null) && (x==y.right)) {
  16. x = y;
  17. y = y.parent;
  18. }
  19. return y;
  20. }

image.png

插入

image.png

  1. /*
  2. * 将结点插入到二叉树中
  3. *
  4. * 参数说明:
  5. * tree 二叉树的
  6. * z 插入的结点
  7. */
  8. private void insert(BSTree<T> bst, BSTNode<T> z) {
  9. int cmp;
  10. BSTNode<T> y = null;
  11. BSTNode<T> x = bst.mRoot;
  12. // 查找z的插入位置
  13. while (x != null) {
  14. y = x;
  15. cmp = z.key.compareTo(x.key);
  16. if (cmp < 0)
  17. x = x.left;
  18. else
  19. x = x.right;
  20. }
  21. z.parent = y;
  22. if (y==null)
  23. bst.mRoot = z;
  24. else {
  25. cmp = z.key.compareTo(y.key);
  26. if (cmp < 0)
  27. y.left = z;
  28. else
  29. y.right = z;
  30. }
  31. }
  32. /*
  33. * 新建结点(key),并将其插入到二叉树中
  34. *
  35. * 参数说明:
  36. * tree 二叉树的根结点
  37. * key 插入结点的键值
  38. */
  39. public void insert(T key) {
  40. BSTNode<T> z=new BSTNode<T>(key,null,null,null);
  41. // 如果新建结点失败,则返回。
  42. if (z != null)
  43. insert(this, z);
  44. }

删除

image.png
image.png

  1. /*
  2. * 删除结点(z),并返回被删除的结点
  3. *
  4. * 参数说明:
  5. * bst 二叉树
  6. * z 删除的结点
  7. */
  8. private BSTNode<T> remove(BSTree<T> bst, BSTNode<T> z) {
  9. BSTNode<T> x=null;
  10. BSTNode<T> y=null;
  11. if ((z.left == null) || (z.right == null) )
  12. y = z;
  13. else
  14. y = successor(z);
  15. if (y.left != null)
  16. x = y.left;
  17. else
  18. x = y.right;
  19. if (x != null)
  20. x.parent = y.parent;
  21. if (y.parent == null)
  22. bst.mRoot = x;
  23. else if (y == y.parent.left)
  24. y.parent.left = x;
  25. else
  26. y.parent.right = x;
  27. if (y != z)
  28. z.key = y.key;
  29. return y;
  30. }
  31. /*
  32. * 删除结点(z),并返回被删除的结点
  33. *
  34. * 参数说明:
  35. * tree 二叉树的根结点
  36. * z 删除的结点
  37. */
  38. public void remove(T key) {
  39. BSTNode<T> z, node;
  40. if ((z = search(mRoot, key)) != null)
  41. if ( (node = remove(this, z)) != null)
  42. node = null;
  43. }

打印

  1. /*
  2. * 打印"二叉查找树"
  3. *
  4. * key -- 节点的键值
  5. * direction -- 0,表示该节点是根节点;
  6. * -1,表示该节点是它的父结点的左孩子;
  7. * 1,表示该节点是它的父结点的右孩子。
  8. */
  9. private void print(BSTNode<T> tree, T key, int direction) {
  10. if(tree != null) {
  11. if(direction==0) // tree是根节点
  12. System.out.printf("%2d is root\n", tree.key);
  13. else // tree是分支节点
  14. System.out.printf("%2d is %2d's %6s child\n", tree.key, key, direction==1?"right" : "left");
  15. print(tree.left, tree.key, -1);
  16. print(tree.right,tree.key, 1);
  17. }
  18. }
  19. public void print() {
  20. if (mRoot != null)
  21. print(mRoot, mRoot.key, 0);
  22. }

销毁

  1. /*
  2. * 销毁二叉树
  3. */
  4. private void destroy(BSTNode<T> tree) {
  5. if (tree==null)
  6. return ;
  7. if (tree.left != null)
  8. destroy(tree.left);
  9. if (tree.right != null)
  10. destroy(tree.right);
  11. tree=null;
  12. }
  13. public void clear() {
  14. destroy(mRoot);
  15. mRoot = null;
  16. }

测试程序

下面对测试程序的流程进行分析!

  • 新建”二叉查找树”root。
  • 向二叉查找树中依次插入1,5,4,3,2,6 。如下图所示:

image.png

  • 遍历和查找

插入1,5,4,3,2,6之后,得到的二叉查找树如下:
image.png

  1. 前序遍历结果: 1 5 4 3 2 6
  2. 中序遍历结果: 1 2 3 4 5 6
  3. 后序遍历结果: 2 3 4 6 5 1
  4. 最小值是1,而最大值是6
  • 删除节点4。如下图所示:

image.png

  • 重新遍历该二叉查找树。

中序遍历结果: 1 2 4 5 6

代码和测试代码

代码实现

  1. /**
  2. * Java 语言: 二叉查找树
  3. *
  4. * @author skywang
  5. * @date 2013/11/07
  6. */
  7. public class BSTree<T extends Comparable<T>> {
  8. private BSTNode<T> mRoot; // 根结点
  9. public class BSTNode<T extends Comparable<T>> {
  10. T key; // 关键字(键值)
  11. BSTNode<T> left; // 左孩子
  12. BSTNode<T> right; // 右孩子
  13. BSTNode<T> parent; // 父结点
  14. public BSTNode(T key, BSTNode<T> parent, BSTNode<T> left, BSTNode<T> right) {
  15. this.key = key;
  16. this.parent = parent;
  17. this.left = left;
  18. this.right = right;
  19. }
  20. public T getKey() {
  21. return key;
  22. }
  23. public String toString() {
  24. return "key:"+key;
  25. }
  26. }
  27. public BSTree() {
  28. mRoot=null;
  29. }
  30. /*
  31. * 前序遍历"二叉树"
  32. */
  33. private void preOrder(BSTNode<T> tree) {
  34. if(tree != null) {
  35. System.out.print(tree.key+" ");
  36. preOrder(tree.left);
  37. preOrder(tree.right);
  38. }
  39. }
  40. public void preOrder() {
  41. preOrder(mRoot);
  42. }
  43. /*
  44. * 中序遍历"二叉树"
  45. */
  46. private void inOrder(BSTNode<T> tree) {
  47. if(tree != null) {
  48. inOrder(tree.left);
  49. System.out.print(tree.key+" ");
  50. inOrder(tree.right);
  51. }
  52. }
  53. public void inOrder() {
  54. inOrder(mRoot);
  55. }
  56. /*
  57. * 后序遍历"二叉树"
  58. */
  59. private void postOrder(BSTNode<T> tree) {
  60. if(tree != null)
  61. {
  62. postOrder(tree.left);
  63. postOrder(tree.right);
  64. System.out.print(tree.key+" ");
  65. }
  66. }
  67. public void postOrder() {
  68. postOrder(mRoot);
  69. }
  70. /*
  71. * (递归实现)查找"二叉树x"中键值为key的节点
  72. */
  73. private BSTNode<T> search(BSTNode<T> x, T key) {
  74. if (x==null)
  75. return x;
  76. int cmp = key.compareTo(x.key);
  77. if (cmp < 0)
  78. return search(x.left, key);
  79. else if (cmp > 0)
  80. return search(x.right, key);
  81. else
  82. return x;
  83. }
  84. public BSTNode<T> search(T key) {
  85. return search(mRoot, key);
  86. }
  87. /*
  88. * (非递归实现)查找"二叉树x"中键值为key的节点
  89. */
  90. private BSTNode<T> iterativeSearch(BSTNode<T> x, T key) {
  91. while (x!=null) {
  92. int cmp = key.compareTo(x.key);
  93. if (cmp < 0)
  94. x = x.left;
  95. else if (cmp > 0)
  96. x = x.right;
  97. else
  98. return x;
  99. }
  100. return x;
  101. }
  102. public BSTNode<T> iterativeSearch(T key) {
  103. return iterativeSearch(mRoot, key);
  104. }
  105. /*
  106. * 查找最小结点: 返回tree为根结点的二叉树的最小结点。
  107. */
  108. private BSTNode<T> minimum(BSTNode<T> tree) {
  109. if (tree == null)
  110. return null;
  111. while(tree.left != null)
  112. tree = tree.left;
  113. return tree;
  114. }
  115. public T minimum() {
  116. BSTNode<T> p = minimum(mRoot);
  117. if (p != null)
  118. return p.key;
  119. return null;
  120. }
  121. /*
  122. * 查找最大结点: 返回tree为根结点的二叉树的最大结点。
  123. */
  124. private BSTNode<T> maximum(BSTNode<T> tree) {
  125. if (tree == null)
  126. return null;
  127. while(tree.right != null)
  128. tree = tree.right;
  129. return tree;
  130. }
  131. public T maximum() {
  132. BSTNode<T> p = maximum(mRoot);
  133. if (p != null)
  134. return p.key;
  135. return null;
  136. }
  137. /*
  138. * 找结点(x)的后继结点。即,查找"二叉树中数据值大于该结点"的"最小结点"。
  139. */
  140. public BSTNode<T> successor(BSTNode<T> x) {
  141. // 如果x存在右孩子,则"x的后继结点"为 "以其右孩子为根的子树的最小结点"。
  142. if (x.right != null)
  143. return minimum(x.right);
  144. // 如果x没有右孩子。则x有以下两种可能:
  145. // (01) x是"一个左孩子",则"x的后继结点"为 "它的父结点"。
  146. // (02) x是"一个右孩子",则查找"x的最低的父结点,并且该父结点要具有左孩子",找到的这个"最低的父结点"就是"x的后继结点"。
  147. BSTNode<T> y = x.parent;
  148. while ((y!=null) && (x==y.right)) {
  149. x = y;
  150. y = y.parent;
  151. }
  152. return y;
  153. }
  154. /*
  155. * 找结点(x)的前驱结点。即,查找"二叉树中数据值小于该结点"的"最大结点"。
  156. */
  157. public BSTNode<T> predecessor(BSTNode<T> x) {
  158. // 如果x存在左孩子,则"x的前驱结点"为 "以其左孩子为根的子树的最大结点"。
  159. if (x.left != null)
  160. return maximum(x.left);
  161. // 如果x没有左孩子。则x有以下两种可能:
  162. // (01) x是"一个右孩子",则"x的前驱结点"为 "它的父结点"。
  163. // (01) x是"一个左孩子",则查找"x的最低的父结点,并且该父结点要具有右孩子",找到的这个"最低的父结点"就是"x的前驱结点"。
  164. BSTNode<T> y = x.parent;
  165. while ((y!=null) && (x==y.left)) {
  166. x = y;
  167. y = y.parent;
  168. }
  169. return y;
  170. }
  171. /*
  172. * 将结点插入到二叉树中
  173. *
  174. * 参数说明:
  175. * tree 二叉树的
  176. * z 插入的结点
  177. */
  178. private void insert(BSTree<T> bst, BSTNode<T> z) {
  179. int cmp;
  180. BSTNode<T> y = null;
  181. BSTNode<T> x = bst.mRoot;
  182. // 查找z的插入位置
  183. while (x != null) {
  184. y = x;
  185. cmp = z.key.compareTo(x.key);
  186. if (cmp < 0)
  187. x = x.left;
  188. else
  189. x = x.right;
  190. }
  191. z.parent = y;
  192. if (y==null)
  193. bst.mRoot = z;
  194. else {
  195. cmp = z.key.compareTo(y.key);
  196. if (cmp < 0)
  197. y.left = z;
  198. else
  199. y.right = z;
  200. }
  201. }
  202. /*
  203. * 新建结点(key),并将其插入到二叉树中
  204. *
  205. * 参数说明:
  206. * tree 二叉树的根结点
  207. * key 插入结点的键值
  208. */
  209. public void insert(T key) {
  210. BSTNode<T> z=new BSTNode<T>(key,null,null,null);
  211. // 如果新建结点失败,则返回。
  212. if (z != null)
  213. insert(this, z);
  214. }
  215. /*
  216. * 删除结点(z),并返回被删除的结点
  217. *
  218. * 参数说明:
  219. * bst 二叉树
  220. * z 删除的结点
  221. */
  222. private BSTNode<T> remove(BSTree<T> bst, BSTNode<T> z) {
  223. BSTNode<T> x=null;
  224. BSTNode<T> y=null;
  225. if ((z.left == null) || (z.right == null) )
  226. y = z;
  227. else
  228. y = successor(z);
  229. if (y.left != null)
  230. x = y.left;
  231. else
  232. x = y.right;
  233. if (x != null)
  234. x.parent = y.parent;
  235. if (y.parent == null)
  236. bst.mRoot = x;
  237. else if (y == y.parent.left)
  238. y.parent.left = x;
  239. else
  240. y.parent.right = x;
  241. if (y != z)
  242. z.key = y.key;
  243. return y;
  244. }
  245. /*
  246. * 删除结点(z),并返回被删除的结点
  247. *
  248. * 参数说明:
  249. * tree 二叉树的根结点
  250. * z 删除的结点
  251. */
  252. public void remove(T key) {
  253. BSTNode<T> z, node;
  254. if ((z = search(mRoot, key)) != null)
  255. if ( (node = remove(this, z)) != null)
  256. node = null;
  257. }
  258. /*
  259. * 销毁二叉树
  260. */
  261. private void destroy(BSTNode<T> tree) {
  262. if (tree==null)
  263. return ;
  264. if (tree.left != null)
  265. destroy(tree.left);
  266. if (tree.right != null)
  267. destroy(tree.right);
  268. tree=null;
  269. }
  270. public void clear() {
  271. destroy(mRoot);
  272. mRoot = null;
  273. }
  274. /*
  275. * 打印"二叉查找树"
  276. *
  277. * key -- 节点的键值
  278. * direction -- 0,表示该节点是根节点;
  279. * -1,表示该节点是它的父结点的左孩子;
  280. * 1,表示该节点是它的父结点的右孩子。
  281. */
  282. private void print(BSTNode<T> tree, T key, int direction) {
  283. if(tree != null) {
  284. if(direction==0) // tree是根节点
  285. System.out.printf("%2d is root\n", tree.key);
  286. else // tree是分支节点
  287. System.out.printf("%2d is %2d's %6s child\n", tree.key, key, direction==1?"right" : "left");
  288. print(tree.left, tree.key, -1);
  289. print(tree.right,tree.key, 1);
  290. }
  291. }
  292. public void print() {
  293. if (mRoot != null)
  294. print(mRoot, mRoot.key, 0);
  295. }
  296. }

测试代码

  1. /**
  2. * Java 语言: 二叉查找树
  3. *
  4. * @author skywang
  5. * @date 2013/11/07
  6. */
  7. public class BSTreeTest {
  8. private static final int arr[] = {1,5,4,3,2,6};
  9. public static void main(String[] args) {
  10. int i, ilen;
  11. BSTree<Integer> tree=new BSTree<Integer>();
  12. System.out.print("== 依次添加: ");
  13. ilen = arr.length;
  14. for(i=0; i<ilen; i++) {
  15. System.out.print(arr[i]+" ");
  16. tree.insert(arr[i]);
  17. }
  18. System.out.print("\n== 前序遍历: ");
  19. tree.preOrder();
  20. System.out.print("\n== 中序遍历: ");
  21. tree.inOrder();
  22. System.out.print("\n== 后序遍历: ");
  23. tree.postOrder();
  24. System.out.println();
  25. System.out.println("== 最小值: "+ tree.minimum());
  26. System.out.println("== 最大值: "+ tree.maximum());
  27. System.out.println("== 树的详细信息: ");
  28. tree.print();
  29. System.out.print("\n== 删除根节点: "+ arr[3]);
  30. tree.remove(arr[3]);
  31. System.out.print("\n== 中序遍历: ");
  32. tree.inOrder();
  33. System.out.println();
  34. // 销毁二叉树
  35. tree.clear();
  36. }
  37. }

测试结果

  1. == 依次添加: 1 5 4 3 2 6
  2. == 前序遍历: 1 5 4 3 2 6
  3. == 中序遍历: 1 2 3 4 5 6
  4. == 后序遍历: 2 3 4 6 5 1
  5. == 最小值: 1
  6. == 最大值: 6
  7. == 树的详细信息:
  8. is root
  9. is 1's right child
  10. is 5's left child
  11. is 4's left child
  12. is 3's left child
  13. is 5's right child
  14. == 删除根节点: 3
  15. == 中序遍历: 1 2 4 5 6