第12 章 二叉搜尋樹

2021-08-03 04:42:12 字數 3825 閱讀 3708

搜尋樹結構支援許多動態集合操作,因此,使用一棵搜尋樹既可以作為乙個字典又可以作為乙個優先佇列。

二叉搜尋樹的基本操作所花費的時間與這棵樹的高度成正比。對於 n 個節點的乙個完全二叉樹來說,這些操作的最壞執行時間為θ(lgn)。然而,如果這棵樹是一條 n 個節點組成的線性鏈,那麼同樣的操作就要花費θ(n)的最壞執行時間。

一顆二叉搜尋樹是以一顆二叉樹來組織的,這樣一棵樹可以用乙個鍊錶資料結構來表示,其中每個節點就是乙個物件。除了 key 和衛星資料之外,每個節點還包含屬性left 、right、和p。如果某個孩子結點和父結點不存在,則相應屬性的值為nil。跟節點是樹中唯一父指標為nil的結點。

二叉搜尋樹:對任何節點 x,其左子樹(並不是左孩子)中的關鍵字最大不超過x.key,其右子樹中的關鍵字最小不低於x.key。不同的二叉樹可以代表同一組值的集合。

二叉搜尋樹按序輸出樹中的所有關鍵字的遞迴演算法:中序遍歷演算法。這樣命名的原因是輸出的子樹根的關鍵字位於其左子樹的關鍵字值和右子樹的關鍵字值之間。(類似地,先序遍歷中輸出的根的關鍵字在其左右子樹的關鍵字值之前,而後序遍歷輸出的根的關鍵字在其左右子樹的關鍵字值之後)。

inorder-tree-walk(t.root)

if x != nil

inorder-tree

-walk(x.left)

print x.key

inorder-tree

-walk(x.right)

定理 12.1 如果 x 是一顆有 n 個結點子樹的根,那麼呼叫inorder-tree-walk(x)需要θ(n)時間

查詢

在一顆二叉搜尋樹中查詢乙個具有給定關鍵字的結點。輸入乙個指向樹根的指標和乙個關鍵字 k。存在,返回乙個指向關鍵字為 k 的結點的指標;否則返回nil。

tree-search(x, k)

if x == nil or k == x.key

return x

if k < x.key

return tree-search(x.left, k)

else

return tree-search(x.right, k)

tree-seach的執行時間為o(h),其中 h 為這顆數的高度。

同樣可以採用while迴圈來展開遞迴,用一種迭代方式重寫這個過程。對於大多數計算機,迭代版本的效率要高的多。

iterative-tree-search(x, k)

while x!= nil and k != x.key

if k < x.key

x = x.left

else x = x.right

return x

最大關鍵字和最小關鍵字元素

tree-minimum(x)

while x.left != nil

x = x.left

return x

tree-maximum(x)

while x.right != nil

x = x.right

return x

這兩個過程在一顆高度為 h 的樹上均能在o(h)時間內完成。

後繼和前驅

tree-successor(x)(後繼)

if x.right != nil

return tree-minimum(x.right)

y = x.p

while y!= nil and x == y.right

x = y

y = y.p

return y

tree-successor的執行時間為o(h)。

定理12.2 在一顆高度為 h 的二叉樹搜尋樹上,動態集合上的操作search、minimun、maximun、successor和predecessor可以在o(h)時間內完成

插入乙個新結點帶來的樹修改要相對簡單些,而刪除的處理有些複雜。

插入

將乙個新值 v插入到乙個二叉搜尋數t中,呼叫tree-insert,該過程以結點z作為輸入,其中z.key = v,z.left = nil,z.right = nil。

tree-insert(t, z)

y = nil

x = t.root

while x != nil

y = x

if z.key

< x.key

x = x.left

else x = x.right

z.p = y

if y == nil

t.root = z

else

if z.key

< y.key

y.left = z

else y.right = z

tree-insert從樹根開始,指標 x 記錄一條向下的簡單路徑,並查詢替換的輸入項 z 的nil。該過程保持遍歷指標y 作為 x 的雙親。初始化後,第 3~7 行的while迴圈使得這兩個指標沿樹向下移動,向左或向右取決於z.key和x.key的比較,知道x變為nil。這個nil佔據的位置就是輸入項 z要放置的地方。需要遍歷指標 y,因為找到 nil時要知道z屬於那個節點。第 8~13 行設定相應的指標,使得 z 插入其中。

與其他搜尋數的原始操作一樣,過程tree-insert在一顆高度為h的樹上的執行時間為o(h)。

刪除

從一顆二叉搜尋樹 t 中刪除乙個結點 z 的整個策略分為三種基本情況,但只有一種情況棘手:

if u.p == nil

t.root = v

else if u == u.p. left

u.p.left = v

else u.p

.right = v

if v != nil

v.p = u.p

下面是從二叉搜尋樹中刪除結點 z 的刪除過程:

tree-delete(t, z)

if z.left == nil

transplant(t, z, z.right)

else

if z.right == nil

transplant(t, z, z.left)

else y = tree-minimum(z.right)

if y.p != z

transplant(t, y, y.right)

y.right = z.right

y.right.p = y

transplant(t, z, y)

y.left = z.left

y.left .p = y

tree-delete的花費時間為o(h)。

定理12.3在一顆高度為h 的二叉搜尋樹上,實現動態集合操作insert和delete的執行時間為o(h)。

二叉搜尋樹的高度h>= lgn.我們定義 n 個關鍵字的一顆隨機構建二叉搜尋樹為按隨機次序插入這些關鍵字到一顆初始為空樹中而生成的數。

定理 12.4一顆有 n 個不同關鍵字的隨機構建二叉搜尋樹的期望高度為o(lgn)。

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