二叉树的进阶
- 二叉搜索树
- 概念
- 操作实现
- 创建树形结构
- 拷贝构造函数
- 构造函数
- 析构函数
- 赋值运算符重载
- 循环版本
- 查找
- 插入
- 删除
- 递归版本
- 查找
- 插入
- 删除
- 应用
- K模型
- KV模型
- 性能分析
- 二叉树进阶面试题
- 二叉树创建字符串
- 二叉树的分层遍历I
- 最近公共祖先
- 二叉搜索树与双向链表
- 前序遍历与中序遍历构造二叉树
- 中序遍历与后序遍历构造二叉树
- 二叉树的前序遍历(非递归)
- 二叉树的中序遍历(非递归)
- 二叉树的后序遍历(非递归)
二叉搜索树
概念
- 二叉搜索树:又称为二叉排序树或者二叉查找树,走中序遍历(左、根、右)打印二叉搜索树值为升序。
- 它可以空树。若它的左子树不为空,则左子树上所有节点的值都小于它的根节点的值。若它的右子树不为空,则右子树上所有节点的值都大于它的根节点的值。它的左右子树也分别为二叉搜索树。
操作实现
创建树形结构
template<class K>
struct BSTreeNode { //二叉树的节点typedef BSTreeNode<K> Node;Node* _left;K _key;Node* _right;BSTreeNode(const K& key) //构造函数:_left(nullptr), _right(nullptr), _key(key){}
};template<class K>
class BSTree { //二叉树结构private:Node* _root = nullptr;
};
拷贝构造函数
BSTree(const BSTree<K>& t) //拷贝构造函数也是构造函数,写了拷贝构造,相当于显示写了构造,不能调默认构造
{/*Node* cur = t._root; 不能采用insert,因为cur不知道是往哪边走,走错了,树形结构会改变,不走,就死循环了while (cur){Insert(cur->_key);}*/_root = CopyNode(t._root); //后序拷贝节点进行赋值
}Node* CopyNode(Node* root) //前序拷贝节点进行赋值
{if (root == nullptr) //递归的结束条件,满足,就会回退return nullptr;Node* newnode = new Node(root->_key);newnode->_left = CopyNode(root->_left); //递推newnode->_right = CopyNode(root->_right);return newnode;
}
- 拷贝构造函数不显示写,内置类型为值拷贝,自定义类型会去调用它自己的拷贝构造函数,BSTreet2(t1),不显示写拷贝构造,则t2和t1的_root指向同一块空间,若未显示写析构函数,程序不会崩溃,因为_root为Node*内置类型,最后由系统自动回收。若显示写析构函数,delete-》析构函数+free,会导致同一块空间被释放两次,造成程序崩溃。
- 此处不能调用insert函数,因为cur不知道该往哪边走,走右边,会导致树形结构发生改变,就不是二叉搜索树了,走左边,走到空的时候,无法回退到上一个节点的右边。
- 采用前序遍历(左、根、右),依次取t2对象中的节点,进行深拷贝。
构造函数
BSTree() = default; //强制生成默认构造
- BSTree t,编译器会去调用它的默认构造函数,若显示写了构造函数,编译器就不会自动生成默认构造函数,会导致编译器报错。拷贝构造函数是特殊的构造函数。
- 注意:BSTree() = default,强制生成默认构造。
析构函数
~BSTree() //析构
{Destroy(_root);
}void Destroy(Node* root) //销毁树
{if (root == nullptr)return;Destroy(root->_left); //后序遍历Destroy(root->_right);delete root;root = nullptr;
}
赋值运算符重载
BSTree<K>& operator=(BSTree<K> t) //赋值运算符{std:: swap(_root, t._root);return *this;}
循环版本
查找
//非递归版本bool Find(const K& key) //查找{Node* cur = _root; //遍历二叉树while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找cur = cur->_right;else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找cur = cur->_left;else //查找到了return true;}return false; //查找不到或者空树}
- a. 从根节点开始查找,比较,比根节点的值大,则往右边查找,比根节点的值小,则往左边查找,
- b.最多查找高度次。走到了空,这个值还没找到,这个值就不存在,则返回false。找到了就返回true。
插入
bool Insert(const K& key){Node* parent = nullptr; //记录好新增节点在二叉树中的父节点Node* cur = _root;while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找{parent = cur;cur = cur->_left;}elsereturn false; //二叉搜索数中不运行出现同值,否则构成不了二叉搜素树}//new:开空间+构造函数cur = new Node(key); //创建新节点,但此时cur值为随机值,cur为局部遍历,出了作用域就被销毁,若之后没有处理cur,会造成内存泄漏if (parent == nullptr) //空树{_root = cur;return true;}if (parent->_key > key) //新节点的链接parent->_left = cur;elseparent->_right = cur;return true;}
- a.树为空,直接将赋值给_root。
- b.树不为空,从根节点查找,比较,比根节点的值大,则往右边查找,比根节点的值小,则往左边查找,直到走到了空,在进行插入。
- 注意:此处需要记录插入节点在二叉搜索树的父节点,因为cur = new Node(key),会改变cur的值,cur此时不在是二叉树中的节点,cur为局部变量,出了作用域要销毁,则cur指向的那块空间无法找到,会造成内存泄漏,所以需要将其与父节点进行链接。
删除
//叶子节点(无孩纸)、有一个孩纸—》将孩纸托付给父亲。 有两个孩纸-》替换法删除,找它的右子树的最左边节点值它的左节点一定为空)与它进行替换,转换成删别人bool erase(const K& key) //删除{Node* parent = _root; //记录删除节点 或者 替换节点的父亲Node* cur = _root; while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找{parent = cur;cur = cur->_left;}else //找到了,进行删除{if (cur->_left == nullptr) //右边有一个孩纸{if (cur == _root) //删除根节点,需要换头_root = cur->_right;if (parent->_left == cur) //删除节点在根节点的左右子树,链接父节点的方式也不同parent->_left = cur->_right;elseparent->_right = cur->_right;delete cur; cur = nullptr;return true;}else if (cur->_right == nullptr) {if (cur == _root) _root = cur->_left;if (parent->_left == cur)parent->_left = cur->_left;elseparent->_right = cur->_left;delete cur;cur = nullptr;return true;}else //左右有两个孩纸-》替换法删除,找它的右子树中最右节点(它的左节点一定为空){Node* rightmin = cur->_right;while (rightmin->_left)rightmin = rightmin->_left;cur->_key = rightmin->_key; //值进行替换if (parent->_right == rightmin) //删除节点可能在不同边,与父亲链接的情况也不同parent->_right = rightmin->_right;elseparent->_left = rightmin->_right;delete rightmin;rightmin = nullptr;return true;}}}return false;}
- a.删除的节点有三种情况:叶子节点(无孩纸)、有一个孩纸(只有左孩纸或者只有右孩纸)、有两个孩纸。
- b.叶子节点、有一个孩纸:将孩纸托付给父亲。
- c.有两个孩纸:替换法删除,找它的右子树的最左边节点(它的左树一定为空)的值与它进行替换,转换成删替换节点了。
特殊情况:1.无孩纸节点、只有一个孩纸节点:删除根节点,此时需要换头,让root的下一个孩纸的节点。 2.只有一个孩纸节点:将孩子托付给父亲,孩纸和父亲的左边或者右边链接都可能,要分类讨论删除的节点在父节点的哪边,删除节点在父节点的哪边,孩纸就链接到哪边 。 3.两个孩纸节点:找最右节点rightmin,rightmin右孩子与父节点的左边或者右边都可能链接,要分类讨论rightmin在父节点的哪边,rightmin在父节点的哪边,rightmin右孩子孩纸就链接到哪边。
递归版本
- 二叉搜索树的操作因为要从根开始操作,所以在调用递归函数时,就需传递_root,但在类外不能访问私有成员_root, 解决方法:a. 通过创造Node* Getroot()成员函数(public)返回root,类外根据返回值直接传参调用递归函数。 b. 将递归函数封装在无参成员函数(public)中,类外调用无参函数,从而间接调用递归函数。
查找
void FindR(const K& key)
{_FindR(_root, key); //查找
}bool _FindR(Node* root, const K& key)
{if (root == nullptr) //查找不到 或 空树return false;if (key > root->_key) //查找的值比根节点值大,去右子树查找return _FindR(root->_right);else if (key < root->_key) //查找的值比根节点值小,去左子树查找return _FindR(root->_left);else //找到了return true;
}
插入
bool _InsertR(Node*& root, const K& key){if (root == nullptr) //进行插入{root = new Node(key); //因为root为父亲孩纸的别名,直接就将父亲和新节点链接起来了return true;}if (key > root->_key) //查找的值比根节点值大,去右子树查找return _InsertR(root->_right, key);else if (key < root->_key) //查找的值比根节点值小,去左子树查找return _InsertR(root->_left, key);else //二叉搜索数中不运行出现同值,否则构成不了二叉搜素树return false;}
删除
bool _EraseR(Node*& root, const K& key){if (root == nullptr)return false;if (key > root->_key) //查找的值比根节点值大,去右子树查找return _EraseR(root->_right, key);else if (key < root->_key) //查找的值比根节点值小,去左子树查找return _EraseR(root->_left, key);else //找到了,进行删除{Node* del = root; //记录删除的节点,防止父子链接时,该节点会被丢失if (root->_left == nullptr) //右边有一个孩纸root = root->_right;else if (root->_right == nullptr)root = root->_left;else //左右有两个孩纸-》替换法删除,找它的右子树中最右节点(它的左节点一定为空){Node* rightmin = root->_right; //不能加引用,因为引用不能改变转向,否则会导致树的结构发生改变while (rightmin->_left)rightmin = rightmin->_left;swap(root->_key, rightmin->_key); //值进行替换return _EraseR(root->_right, key);}delete del;del = nullptr;return true;}}
应用
K模型
K模型:只有key作为关键码,结构中只需要存储Key。关键码即需要搜索key存不存在。
- eg:小区车库,搜索车牌是否存在于小区车库体系中,控制车的进出。判断单词是拼写正确,搜索单词是否存在于单词库中。
KV模型
KV模型:每一个关键码key,都有与之对应的value,即<key, value>的键值对。
- eg:统计单词的个数,<word,count>。英汉词典,<English,chinese>。
- KV模型相比于K模型,只是在插入时多插入了value值,删除、查找都是对key进行操作,操作中的比较也是按key的值进行比较的。K模型类似于单身,KV模型类似于结婚。
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<algorithm>using namespace std;template<class K, class V> //KV模型
struct BSTreeNode { //二叉树的节点typedef BSTreeNode<K, V> Node;Node* _left;K _key;V _value;Node* _right;BSTreeNode(const K& key,const V& value) //构造函数:_left(nullptr), _right(nullptr), _key(key),_value(value){ }
};template<class K, class V>
class BSTree { //二叉树结构
public:typedef BSTreeNode<K, V> Node;~BSTree() //析构{Destroy(_root);}BSTree() = default; //强制生成默认构造BSTree(const BSTree<K, V>& t) //拷贝构造函数也是构造函数,写了拷贝构造,相当于显示写了构造,不能调默认构造{ /*Node* cur = t._root; 不能采用insert,因为cur不知道是往哪边走,走错了,树形结构会改变,不走,就死循环了while (cur){Insert(cur->_key);}*/_root = CopyNode(t._root); //前序拷贝节点进行赋值}BSTree<K, V>& operator=(BSTree<K, V> t) //赋值运算符{std:: swap(_root, t._root);return *this;}Node* Find(const K& key) //查找 {Node* cur = _root; //遍历二叉树while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找cur = cur->_right;else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找cur = cur->_left;else //查找到了 return cur; //注意:返回节点的指针,目的—》通过key查找到value}return nullptr; //查找不到或者空树}bool Insert(const K& key, const V& value) //插入{Node* parent = nullptr; //记录好新增节点在二叉树中的父节点Node* cur = _root;while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找{parent = cur;cur = cur->_left;}elsereturn false; //二叉搜索数中不运行出现同值,否则构成不了二叉搜素树}//new:开空间+构造函数cur = new Node(key, value); //创建新节点,但此时cur值为随机值,cur为局部遍历,出了作用域就被销毁,若之后没有处理cur,会造成内存泄漏if (parent == nullptr) //空树{_root = cur;return true;}if (parent->_key > key) //新节点的链接parent->_left = cur;elseparent->_right = cur;return true;}//叶子节点(无孩纸)、有一个孩纸—》将孩纸托付给父亲。 有两个孩纸-》替换法删除,找它的右子树的最左边节点值它的左节点一定为空)与它进行替换,转换成删别人bool erase(const K& key) //删除{Node* parent = _root; //记录删除节点 或者 替换节点的父亲Node* cur = _root; while (cur){if (key > cur->_key) //查找的值比根节点值大,往右进行查找{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (key < cur->_key) //查找的值比根节点值小,往左进行查找{parent = cur;cur = cur->_left;}else //找到了,进行删除{if (cur->_left == nullptr) //右边有一个孩纸{if (cur == _root) //删除根节点,需要换头_root = cur->_right;if (parent->_left == cur) //删除节点在根节点的左右子树,链接父节点的方式也不同parent->_left = cur->_right;elseparent->_right = cur->_right;delete cur; cur = nullptr;return true;}else if (cur->_right == nullptr) {if (cur == _root) _root = cur->_left;if (parent->_left == cur)parent->_left = cur->_left;elseparent->_right = cur->_left;delete cur;cur = nullptr;return true;}else //左右有两个孩纸-》替换法删除,找它的右子树中最右节点(它的左节点一定为空){Node* rightmin = cur->_right;while (rightmin->_left)rightmin = rightmin->_left;cur->_key = rightmin->_key; //值进行替换if (parent->_right == rightmin) //删除节点可能在不同边,与父亲链接的情况也不同parent->_right = rightmin->_right;elseparent->_left = rightmin->_right;delete rightmin;rightmin = nullptr;return true;}}}return false;}void InorderKV() //KV模型打印{_InorderKV(_root);cout << endl;}private:void _InorderKV(Node* root) //KV模型打印{if (root == nullptr)return;_InorderKV(root->_left);cout << root->_key << ' ' << root->_value << endl;_InorderKV(root->_right);}Node* _root = nullptr;
};
oid test5() //kv模型-》查找单词的个数
{ BSTree<string, int> t;string s[] = { "苹果", "香蕉", "葡萄","梨子","苹果","苹果","香蕉","苹果" };for (auto& e : s){auto it = t.Find(e); if (it)it->_value += 1;elset.Insert(e, 1);}t.InorderKV(); //KV模型打印
}int main()
{test5();return 0;
}
void test6() //kv模型-》英汉词典
{BSTree<string, string> dict;dict.Insert("see", "看");dict.Insert("eat", "吃");dict.Insert("left", "左");string str;while (cin >> str){auto it = dict.Find(str);if (it)cout << "中文翻译: " << it->_value << endl;elsecout << "单词不存在" << endl;}
}
- 相较于K模型,改动的地方为Insert(key, value)、Node* Find(root, key)(返回节点的指针,目的—》通过key查找到value)。
性能分析
- 最优情况:为完全二叉树 或 满二叉树时,O(n) = longn 。
- 最坏情况:为单支树时,O(n) = n = 高度。
二叉树进阶面试题
二叉树创建字符串
https://leetcode.cn/problems/construct-string-from-binary-tree/
class Solution {
public:string tree2str(TreeNode* root) {if(root == nullptr) //空树return "";//to_string 整形转字符串string ret = to_string(root->val); //第一个根节点不需要加左括号//左括号存在的条件:左子树不为空、右子树不为空if(root->left || root->right){ret += "(";ret += tree2str(root->left);ret += ")";}//右括号存在的条件:右子树不为空if(root->right){ret += "(";ret += tree2str(root->right);ret += ")";}return ret;}
};
二叉树的分层遍历I
https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal/
class Solution {
public:vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) {vector<vector<int>> ret;int levesize = 0; //每层元素个数queue<TreeNode*> q; //队列,先进先出if(root) //第一个元素需要先入队列{q.push(root);levesize = 1;}while(!q.empty()){vector<int> v;while(levesize--) //上一层出完,下一层的所有元素一定全部入队{TreeNode* tmp = q.front();q.pop();v.push_back(tmp->val);if(tmp->left) q.push(tmp->left);if(tmp->right)q.push(tmp->right);}levesize = q.size();ret.push_back(v);}return ret;}
};
最近公共祖先
https://leetcode.cn/problems/lowest-common-ancestor-of-a-binary-tree/
/*最近公共祖先:1.一个为它的左子树、另一个为它的右子树。2.一个在它的子树中。最坏情况:O(n^2)*/
class Solution {
public:bool InTree(TreeNode* root, TreeNode* x) //判断是否在该节点的子树中{if(root == nullptr)return false;return root == x || InTree(root->left, x) || InTree(root->right, x);}TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {if(root == nullptr) //空树return nullptr;if(p == root || q == root) //2return root;bool pInleft, pInright, qInleft, qInright;pInleft = InTree(root->left, p);pInright = !pInleft; //qInleft = InTree(root->left, q);qInright = !qInleft;if(pInleft && qInright || pInright && qInleft) //1return root;if(pInleft && qInleft) //都在左子树中,去左子树中进行查找return lowestCommonAncestor(root->left, p ,q);if(pInright && qInright) //都在右子树中,去右子树中进行查找return lowestCommonAncestor(root->right, p, q);return nullptr;}
};
二叉搜索树与双向链表
https://www.nowcoder.com/share/jump/3163217841710348438605
class Solution { //以中序遍历的方式,进行中序的创建
public:void _Convert(TreeNode* cur, TreeNode*& prev) //引用:变量在当前当栈帧的值,在其他栈帧仍保留{if(cur == nullptr) return ;_Convert(cur->left, prev); //左if(prev){ cur->left = prev; //当前节点的左指向前一个prev->right = cur; //前一个节点的右指向当前节点}prev = cur; _Convert(cur->right, prev); //右}TreeNode* Convert(TreeNode* pRootOfTree) {if(pRootOfTree == nullptr)return nullptr;TreeNode* prev = nullptr;_Convert(pRootOfTree, prev);while(pRootOfTree->left){pRootOfTree = pRootOfTree->left;}return pRootOfTree;}
};
前序遍历与中序遍历构造二叉树
https://leetcode.cn/problems/construct-binary-tree-from-preorder-and-inorder-traversal/
//当前问题,划分子问题:前序确定根,中序划分左右区间;返回条件:左右区间不存在就是空树
class Solution {
public: //index为引用,用于创建跟TreeNode* _buildTree(vector<int>& preorder, vector<int>& inorder, int& index, int begin, int end){if(begin > end) //无左、右子树-》空树return nullptr; TreeNode* root = new TreeNode(preorder[index++]); //前序确定根-》创建根int rooti = begin; //中序确定左右区间while(rooti <= end){if(inorder[rooti] == root->val)break;elserooti++;}//(左子树)[begin, roooti - 1] 、(当前节点)rooti、(右子树)[rooti + 1, end]root->left = _buildTree(preorder, inorder, index, begin, rooti - 1); root->right = _buildTree(preorder, inorder, index, rooti + 1, end); return root;}TreeNode* buildTree(vector<int>& preorder, vector<int>& inorder) {int index = 0;TreeNode* root = _buildTree(preorder, inorder, index, 0, inorder.size() - 1);return root;}
};
中序遍历与后序遍历构造二叉树
https://leetcode.cn/problems/construct-binary-tree-from-inorder-and-postorder-traversal/
//中序(左、根、右):划分左右区间,后序(左、右、根):从后往前依次是根、右子树的根、左子树的根
class Solution {
public:TreeNode* _bulidTree(vector<int>& inorder, vector<int>& postorder, int& prev, int begin, int end){if(begin > end) //区间不存在,空树return nullptr;TreeNode* root = new TreeNode(postorder[prev--]); int rooti = begin;while(rooti <= end){if(inorder[rooti] == root->val)break;elserooti++;}root->right = _bulidTree(inorder, postorder, prev, rooti + 1, end); root->left = _bulidTree(inorder, postorder, prev, begin, rooti - 1);return root;}TreeNode* buildTree(vector<int>& inorder, vector<int>& postorder) {int prev = postorder.size() - 1;TreeNode* root = _bulidTree(inorder, postorder, prev, 0, inorder.size() - 1);return root;}
};
二叉树的前序遍历(非递归)
https://leetcode.cn/problems/binary-tree-preorder-traversal/
class Solution {
/*前序遍历(根、左、右):当前问题:访问左路节点(根、左),子问题:访问左路节点的右子树(右)
结束条件:左路节点的右树全部访问完*/
public:vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {vector<int> v; stack<TreeNode*> st; //存储左路节点,栈中有剩余表示还有节点的右子树未访问TreeNode* cur = root; //cur指向谁,表示访问那棵树的开始while(cur || !st.empty()) //结束条件,二者缺一不可{while(cur) //访问左路节点{v.push_back(cur->val); //入栈前先"访问"根st.push(cur);cur = cur->left;}TreeNode* tmp = st.top(); st.pop();cur = tmp->right; //访问左路节点的右子树——子问题}return v;}
};
二叉树的中序遍历(非递归)
https://leetcode.cn/problems/binary-tree-inorder-traversal/
//与前序遍历相同,唯一不同的是:根在出栈后进行存储
class Solution {
public:vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {vector<int> v;stack<TreeNode*> st;TreeNode* cur = root;while(cur || !st.empty()){while(cur){st.push(cur);cur = cur->left;}TreeNode* tmp = st.top();st.pop();v.push_back(tmp->val);cur = tmp->right;}return v;}
};
二叉树的后序遍历(非递归)
https://leetcode.cn/problems/binary-tree-postorder-traversal/
class Solution {
public:vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {vector<int> v;stack<TreeNode*> st; TreeNode* cur = root;TreeNode* prev = nullptr; //记录被访问的前一个节点while(cur || !st.empty()){while(cur) //访问左路节点{st.push(cur);cur = cur->left;}TreeNode* tmp = st.top(); //表示tmp节点的左子树已经访问完了/*1.当前节点的右子树为空 或者 当前节点的右子树为上一个被访问的节点2.否则,就子问题访问当前节点的右子树*/if(tmp->right == nullptr || prev == tmp->right){st.pop();v.push_back(tmp->val);prev = tmp;}else {cur = tmp->right;}/*注意:else不能省略,结果有误,因为根节点是最后进行删除的,若此时根节点已经删除,cur=tmp->right,尽管栈已经pop为空栈了,但只是删除了树节点的指针,树的结点仍存在,导致继续访问2、3,直到cur为空,最终结果就为[3, 2, 1, 3, 1]*/}return v;}
};