資料結構之2 3 4樹

2021-09-23 17:35:28 字數 1550 閱讀 6921

2-3-4樹是一種階為4的b樹。它是一種自平衡的資料結構,可以在o(lgn)的時間內查詢、插入和刪除,這裡的n是樹中元素的數目。2-3-4樹和紅黑樹是等價的,也就是每個紅黑樹都可以轉化為一顆2-3-4樹,每個選擇操作也和2-3-4樹中的**操作對應。

2-3-4樹是這樣一種資料結構,滿足如下性質:

1) 每個節點每個節點有1、2或3個key,分別稱為2-node,3-node,4-node。

2) 每個節點的keys把區間進行了劃分,以4-nde為例,key1、key2、key3分別夾在subtree1, subtree2和subtree2, subtree3和subtree3, subtree4之間。

3) 4-node的子節點不能是4-node。

如下圖所示:

搜尋:

1. 從root開始

2. 比較當前節點的值

2.1 如果找到,就返回當前節點

2.2 如果沒有找到,就找出要搜尋的值屬於哪乙個子樹

3. 遞迴的搜尋子樹

在插入和刪除的關鍵是維持性質3),即4-node的節點不能是4-node

插入key

1.遞迴搜尋key

1.1 如果root是4-node(abc),則建乙個新的root(b),a,c成為它的兩個子樹

1.2 向下搜尋, 對於中途經過的每乙個node, 如果它是4-node則使用如下圖的變換分拆(注意到根據假設演算法不會產生4-node的子節點是4-node, 所以這個操作總是能進行的)

1.3 如果相應的key已存在, 則演算法結束, 不需要插入 

2. 注意到如果key不存在, 則1的遞迴搜尋一定停在葉節點

3. 在當前的葉節點插入

3.1 如果是2-node或3-node, 則插入當前節點把它變成3-node或4-node, 演算法結束   

3.2 如果是4-node, 則根據假設, 它的父節點一定不是4-node(即是2-node或者3-node)       

3.2.1 使用與1.2相同的變換分拆4-node       

3.2.2 插入相應節點(如圖所示, 一定是2-node)

要證明2-3-4上面的出入演算法一定形成乙個平衡樹,即從root開始往下到任乙個葉子的長度都是相等。

用數學歸納法:

1. 只有乙個節點的樹當然是平衡的

2. 假設插入了n個元素,樹還是平衡的,現在插入乙個新元素,要證明不會破壞平衡性:

演算法會改變tree的是1.1, 1.2, 3.1, 3.2。顯然1.2, 3.1, 3.2都不會改變樹的深度,考慮1.1,它令樹的路徑深度增加1,原來的樹是平衡的,深度增加後當然還是平衡的。

有n個元素的2-3-4樹的深度的粗略估計;最壞情況全是2-node,則深度是logn,最好情況全是4-node,深度為logn/2,故:

logn/2 <  depth  ≤  logn(左邊括號是不可能的,因為不存在4-node的子節點是4-node)。

想詳細了解**實現,請移步我這裡只提一些概念性的東西

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