【C++进阶】二叉搜索树递归与非递归的模拟实现（附源码）

aosei

发布于 2024-01-23 15:14:19

1260

发布于 2024-01-23 15:14:19

文章被收录于专栏：csdn-nagiYcsdn-nagiY

一.什么是二叉搜索树

二叉搜索树又称二叉排序树，它或者是一棵空树，或者是具有以下性质的二叉树:

根据二叉搜索树的性质，它的中序遍历结果就是一个升序列。

二.二叉搜索树的模拟实现

节点 Node

在实现二叉搜索树之前，要先定义一个节点，成员变量包括左指针（left），右指针（right）和一个值（key）

template<class K>
struct BSTNode
{
	BSTNode<K>* _left;
	BSTNode<K>* _right;
	K _key;

	BSTNode(const K& key)  //构造函数
		:_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_key(key)
	{}
};

打印 InOrder

打印二叉搜索树树，就是对树进行中序遍历。

这里有个小技巧，可以不用写 Getroot 函数就可以使用到类里面的成员变量：

就是在函数里再套一个函数；

具体看代码实现：

void InOrder()   //函数里面再套一个函数，真正实现中序遍历的是 _InOrder函数
{
	_InOrder(_root);
	cout << endl;
}

void _InOrder(Node* root)
{
	if (root == nullptr)
		return;

	_InOrder(root->_left);
	cout << root->_key << " ";
	_InOrder(root->_right);
}

插入 insert

在插入时，如果要插入的数据(key)已经存在，则返回false，若不存在，则完成插入操作，然后返回true。

其实这刚好也完成了去重的操作。

插入操作：

定义一个parent指针，记录当前节点的父节点，方便最后插入节点时的链接。

定义一个cur指针，用于遍历整个树。

根据二叉搜素树的性质：

当key小于节点的 _key 时，更新parent，就到树的左边；

当key大于节点的 _key 时，更新parent，就到树的右边；

当cur为空时，跳出循环，进行节点间的链接操作（同样遵循二叉搜索树的性质）

bool Insert(const K& key)
{
	if (_root == nullptr)  //注意树为空的情况
	{
		_root = new Node(key);
		return true;
	}

	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else if (cur->_key > key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else
			return false;
	}

	cur = new Node(key);   
	if (parent->_key<key)   //链接
	{
		parent->_right = cur;
	}
	else
		parent->_left = cur;

	return true;

}

插入的递归实现 insertR

既然要递归，那么肯定要用到根节点，同样使用中序遍历那样的方式，函数里再套一个函数。

其实理论还是和非递归的一样，只不过换成了调用函数，但这里有个小窍门，就是我们可以传根节点的引用，这样就不用定义一个父节点指针了，根据引用的特性，引用是一个变量的别名，当我们递归到下一层时，此时传过来的root就是这一层的父节点，直接链接就行了。

bool insertR(const K& key)
{
	return _insertR(_root, key);
}

bool _insertR(Node*& root, const K& key)
{
	if (root == nullptr)
	{
		Node* newroot = new Node(key);
		root = newroot;
		return true;
	}

	if (root->_key < key)
	{
		return _insertR(root->_right, key);
	}
	else if (root->_key > key)
	{
		return _insertR(root->_left, key);
	}
	else
		return false;
}

删除 erase

删除就有点复杂了，它分几种情况：

首先查找元素是否在二叉搜索树中，如果不存在，则返回, 否则要删除的结点可能分下面四种情况：

1.要删除的结点无孩子结点 2. 要删除的结点只有左孩子结点 3. 要删除的结点只有右孩子结点 4. 要删除的结点有左、右孩子结点

前三种情况倒好解决，如果待删除的节点只有一个孩子，那么只需要把这个孩子根据二叉搜索树的性质托孤给它的父节点。

很显然，当有两个孩子时，托孤就行不通了，那么我们可不可以重新找一个符合条件的节点来充当父节点？

答案当然是可以，这就是替换法。

替换法：

找左子树的最大节点（在最右边），或是右子树的最小节点（在最左边）。

代码实现：

bool erase(const K& key)
{
	Node* cur = _root;
	Node* parent = nullptr;
	while (cur)   //先查找待删除节点，没找到则返回false
	{
		if (cur->_key < key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else if (cur->_key > key)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else   //找到了
		{
			if (cur->_left == nullptr)  //有一个孩子，且左子树为空
			{
				if (parent == nullptr)   //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
				{
					_root = cur->_right;
					return true;
				}

			    if (parent->_left == cur)
				{
					parent->_left = cur->_right;
				}
				else
					parent->_right = cur->_right;

			}
			else if (cur->_right == nullptr)  //有一个孩子，且右子树为空
			{
				if (parent == nullptr)     //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
				{
					_root = cur->_left;
				}

				if (parent->_left == cur)
				{
					parent->_left = cur->_left;
				}
				else
					parent->_right = cur->_left;
		
				}
			else //有两个孩子,替换法，这里是寻找左子树的最大节点
			{
				Node* parent = cur;
				Node* leftmax = cur->_left;
				while (leftmax->_right)   //找左子树最大的
				{
					parent = leftmax;
					leftmax = leftmax->_right;
				}

				std::swap(leftmax->_key, cur->_key);  //交换值
				if (parent->_left == leftmax)
				{
					parent->_left = leftmax->_left;
				}
				else
					parent->_right = leftmax->_left;

				cur = leftmax;
			}

				delete cur;  //删除节点
				return true;
		}

	}

			return false;   //没找到返回false
}

删除的递归实现 eraseR

同样使用函数套函数的方式。同样传root的引用。

当有一个孩子或没有孩子的时候，可以直接链接，然后再删除；

当有两个孩子的时候，同样使用替换法，找到左子树的最大节点（或是右子树的最小节点），此时这个最大节点（或是最小节点）一定没有孩子，再递归一次，转换成没有孩子的情况。

bool eraseR(const K& key)
{
	return _eraseR(_root, key);
}

bool _eraseR(Node*& root, const K& key)
{
	if (root == nullptr)  //没找到
		return false;
			
	if (root->_key < key)  //开始寻找待删除节点
	{
		return _eraseR(root->_right, key);
	}
	else if (root->_key > key)
	{
		return _eraseR(root->_left, key);
	}
	else  //找到了待删除节点
	{
		Node* del = root;
		if (root->_left == nullptr)   //有一个叶节点或没有叶节点
		{
			root = root->_right;
		}
		else if (root->_right == nullptr)
		{
			root = root->_left;
		}
		else   //有两个叶节点
		{
			Node* leftmax = root->_left;
			while (leftmax->_right)
			{
				leftmax = leftmax->_right;
			}

			std::swap(leftmax->_key, root->_key); 

			return _eraseR(root->_left, key);  //注意这里要传root->left，不能传leftmax，否                
                                               //则链接关系会对不上
		}
		delete del;   //删除节点
		return true;
	}
}

剩下接口

剩下的操作（查找find ，拷贝构造，重载赋值运算符，析构函数）都很简单了，就不一一讲述，都放在源码里了。

三.源码

Binary_Search_Tree.h

template<class K>
struct BSTNode
{
	BSTNode<K>* _left;
	BSTNode<K>* _right;
	K _key;

	BSTNode(const K& key)  //构造函数
		:_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_key(key)
	{}
};

template<class K>
class BSTree
{
    typedef BSTNode<K> Node;
public:
    BSTree()  //构造函数
		:_root(nullptr)
	{}
    void InOrder()   //函数里面再套一个函数，真正实现中序遍历的是 _InOrder函数
    {
	    _InOrder(_root);
	    cout << endl;
    }
    bool Insert(const K& key)
    {
	    if (_root == nullptr)  //注意树为空的情况
	    {
		    _root = new Node(key);
		    return true;
	    }

	    Node* parent = nullptr;
	    Node* cur = _root;
	    while (cur)
	    {
		    if (cur->_key < key)
		    {
			    parent = cur;
			    cur = cur->_right;
		    }
		    else if (cur->_key > key)
		    {
			    parent = cur;
			    cur = cur->_left;
		    }
		    else
			    return false;
	    }

	    cur = new Node(key);   
	    if (parent->_key<key)   //链接
	    {
		    parent->_right = cur;
	    }
	    else
		    parent->_left = cur;

	    return true;

    }

    bool insertR(const K& key)   //插入的递归实现
    {
	    return _insertR(_root, key);
    }
    
    bool erase(const K& key)
    {
	    Node* cur = _root;
	    Node* parent = nullptr;
	    while (cur)   //先查找待删除节点，没找到则返回false
	    {
		    if (cur->_key < key)
		    {
		    	parent = cur;
		    	cur = cur->_right;
		    }
		    else if (cur->_key > key)
	    	{
		    	parent = cur;
	       		cur = cur->_left;
		    }
		    else   //找到了
		    {
		       	if (cur->_left == nullptr)  //有一个孩子，且左子树为空
			    {
			    	if (parent == nullptr)   //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
			    	{
				    	_root = cur->_right;
				    	return true;
			    	}

			        if (parent->_left == cur)
			    	{
			       		parent->_left = cur->_right;
			    	}
			    	else
					    parent->_right = cur->_right;

			    }
			    else if (cur->_right == nullptr)  //有一个孩子，且右子树为空
			    {
			    	if (parent == nullptr)     //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
			    	{
			    		_root = cur->_left;
			    	}

				    if (parent->_left == cur)
				    {
				    	parent->_left = cur->_left;
			    	}
				    else
				    	parent->_right = cur->_left;
		
				}
			    else //有两个孩子,替换法，这里是寻找左子树的最大节点
			    {
			    	Node* parent = cur;
			    	Node* leftmax = cur->_left;
			    	while (leftmax->_right)   //找左子树最大的
			    	{
			    		parent = leftmax;
			    		leftmax = leftmax->_right;
			    	}

			    	std::swap(leftmax->_key, cur->_key);  //交换值
			    	if (parent->_left == leftmax)
			    	{
			    		parent->_left = leftmax->_left;
				    }
			    	else
				    	parent->_right = leftmax->_left;

			    	cur = leftmax;
			    }

			    	delete cur;  //删除节点
				    return true;
		    }

	    }
			return false;   //没找到返回false
    }
    
    bool eraseR(const K& key)   //删除的递归实现
    {
    	return _eraseR(_root, key);
    }

    bool find(const K& key)   //查找
	{
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_key < key)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			else if (cur->_key > key)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			else
				return true;
		}

		return false;
	}

    bool findR(const K& key)   //查找的递归实现
	{
		return _findR(_root, key);
	}
    ~BSTree()   //析构函数
	{
		destroy(_root);
	}

	BSTree(const BSTree<K>& bst)  //拷贝构造
	{
		_root = copy(bst._root);
	}

	BSTree<K>& operator=(BSTree<K> bst)  //赋值重载
	{
		std::swap(_root, bst._root);

		return *this;
	}
private:
    void _InOrder(Node* root)
    {
	    if (root == nullptr)
	    	return;

	    _InOrder(root->_left);
	    cout << root->_key << " ";
	    _InOrder(root->_right);
    }
    
    bool _insertR(Node*& root, const K& key)
    {
	    if (root == nullptr)
	    {
		    Node* newroot = new Node(key);
		    root = newroot;
		    return true;
	    }

	    if (root->_key < key)
	    {
		    return _insertR(root->_right, key);
	    }
	    else if (root->_key > key)
	    {
		    return _insertR(root->_left, key);
	    }
	    else
		    return false;
    }
    
    bool _eraseR(Node*& root, const K& key)
    {
	    if (root == nullptr)  //没找到
		    return false;
			
	    if (root->_key < key)  //开始寻找待删除节点
	    {
		    return _eraseR(root->_right, key);
    	}
	    else if (root->_key > key)
	    {
	    	return _eraseR(root->_left, key);
	    }
	    else  //找到了待删除节点
	    {
		    Node* del = root;
		    if (root->_left == nullptr)   //有一个叶节点或没有叶节点
		    {
			    root = root->_right;
	    	}
		    else if (root->_right == nullptr)
		    {
			    root = root->_left;
	    	}
		    else   //有两个叶节点
		    {
			    Node* leftmax = root->_left;
			    while (leftmax->_right)
			    {
				    leftmax = leftmax->_right;
			    }

			    std::swap(leftmax->_key, root->_key); 

			 return _eraseR(root->_left, key);  //注意这里要传root->left，不能传leftmax，否                
                                               //则链接关系会对不上
		    }
		    delete del;   //删除节点
		    return true;
	    }
    }

    Node* copy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return nullptr;
		Node* copyroot = new Node(root->_key);
		copyroot->_left = copy(root->_left);
		copyroot->_right = copy(root->_right);
		return copyroot;
	}
	bool _findR(Node* root, const K& key)
	{
		if (root == nullptr)
			return false;
		if (root->_key < key)
			return _findR(root->_right, key);
		else if (root->_key > key)
			return _findR(root->_left, key);
		else
			return true;
	}
    
    void destroy(Node* root)  //后序删除
	{
		if (root == nullptr)
			return;
		destroy(root->_left);
		destroy(root->_right);
		delete root;
		root = nullptr;
	}
private:
    Node* _root;
};

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2023-08-16，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

源码