二叉树之二叉查找树

有了“结构定义良好”的二叉树，我们可以干很多事，我们可以创建具有特殊功能的二叉树，比如提供查找功能的二叉树，而且，对于一棵树，其结点的插入、删除等修改动作的完成是很高效的（但是实现起来未必方便......），二叉查找树就能为我们提供这样的功能，二叉查找树的定义是：如果一棵二叉树中的任意一个结点，该结点的左子树中的结点值总是不超过该结点的值，而其右子树中的任意结点的值都大于该结点的值，那么这可二叉树就是二叉查找树。如下图所示：

 该树就是一棵二叉查找树，既然二叉查找树具有以上性质，那么，要查询一个结点就很方便了，如果该值大于树结点的值，就向右查询，反之，向左查询，这里给出递归查询算法描述：

search(root,value)

1、　　if( root == null) return null; //没查找到

2、　　if( root.value == value) return root;//查找到了

3、　　if( root.value < value)  return search(root.left,value); //查找左子树

4、　　return search(root.right, value);//查找右子树

对于二叉查找树，它的查询路径是一条从根到目标结点的单一路径，即使使用递归，中间也没有“迂回”的路径，比如，我们要查询上图中的结点1，则其查询路径如下图：

二叉查找树插入结点也很方便，也可以用递归的形式进行结点的插入，插入算法的描述如下：

insertNode(root,value)

1、　　if( value>root.value )

2、　　　　if( root.right ==null)

3、　　　　　　root.right = new node( value);

4、　　　　else insertNode(root.right,value);

5、　　else

6、　　　　if( root.left == null)

7、　　　　　　root.left=new node( value);

8、　　　　else insertNode (root.left, value);

二叉查找树的结点删除操作就不那么简单了，根据删除结点位置的不同，需要考虑以下三种情况，如下图所示：

拉萨删除结点时，首先要判断结点所处的位置，这是最重要的，对于叶子结点，可以直接进行删除，而对于非叶子结点，其情况就稍微复杂了一点，但是，如果用语言进行描述的话，还是挺容易理解的，如果要删除一个非叶子结点，那么它的位置将由该结点的右子树中的最小值结点替换（也就是该结点的右子树中的“最左边”结点），而这个“最左边”结点(设为P)的位置将有P的右子树（如果有的话，没有就为空）替换（注意，P已经是最左端结点了，所以P不应该再有左孩子）。所以，删除结点的算法描述如下：

deleteNode(root,node)

1、if( node.left == null && node.right == null) //叶子结点

2、　　node=null; //直接删除

3、else 

4、　　y=succsssor(node);//结点y是node中序遍历的后继，记住，是中序遍历结果的后继！！！也就是node的右子树的最“左边”的结点，该节点可能是非叶结点，但是，该结点一定没有左孩子。

5、　　z=y.right; //用z记录y的右子树

6、　　node_father=findFather(root,node); //找到node结点的父结点

7、　　y_father = findFather(root,y); // 找到y结点的父结点

8、　　y_father.left=z; //将y结点的右子树作为y父结点的左孩子

9、　　node_father.left == node ? node_father.left = y : father.right = y；//如果node是node父结点的左孩子，则将y作为node父结点的左孩子，反之，将y作为node父结点的右孩子。

10、　　y.left=node.left；//将node的左子树作为y的左子树

11、　　y.right=node.right; //将node的右子树作为y的右子树

12、　　node=null; //删除node结点

根据以上算法描述，可以得出如下实现代码：

class TreeNode{
    public int value=-1;
    public TreeNode(int value){
        this.value=value;
    }
    public TreeNode left=null;
    public TreeNode right=null;
}
public class BST{
    public static void main(String[] args){
        int[] array={5,3,2,4,5,7,6,32,54,65};
        TreeNode root=createBinaryTree(array);
        System.out.println("先序遍历结果：");
        preprint(root);
        System.out.println("
先序遍历结果：");
        midprint(root);
        //删除值为7的结点
        System.out.println("

删除结点值为7的结点");
        root=deleteTreeNode(root,7);
        System.out.println("先序遍历结果：");
        preprint(root);
        System.out.println();
        System.out.println("中序遍历结果：");
        midprint(root);
        
    }
    static TreeNode createBinaryTree(int[] array){
        TreeNode root=new TreeNode(array[0]);
        for(int i=1;i<array.length;i++){
            addTreeNode(root,array[i]);
        }
        return root;
    }
    static TreeNode deleteTreeNode(TreeNode root,int value){//删除结点值为value的结点
        TreeNode node=findNode(root,value);//首先找到该结点
        TreeNode nodeFather=null,leftSubTreeMax=null,rightSubTreeMin=null;
        TreeNode orignode=node;//待删除的结点
        if(node!=null){//该结点存在
            nodeFather=findFather(root,node);
            if(nodeFather==null){//说明该节点是该树的根节点
                if(node.right!=null){//待删除的结点具有右子树，则将待删除的结点的右子树中的最小值作为根
                    rightSubTreeMin=findRightSubTreeMinValue(node.right);
                    TreeNode father_rightSubTreeMin=findFather(root,rightSubTreeMin);
                    if(father_rightSubTreeMin==node){//待删除的结点是根节点
                        rightSubTreeMin.left=node.left;    
                    }else{
                        father_rightSubTreeMin.left=rightSubTreeMin.right;
                        rightSubTreeMin.left=node.left;
                        rightSubTreeMin.right=node.right;
                    }
                    root=rightSubTreeMin;
                }else{//待删除的结点没有右子树,则需要将待删除的结点的左子树中的最大值作为根节点
                    leftSubTreeMax=findLeftSubTreeMaxValue(node.left);
                    TreeNode father_leftSubTreeMax=findFather(root,leftSubTreeMax);
                    leftSubTreeMax.left=node.left;
                    leftSubTreeMax.right=node.right;
                    father_leftSubTreeMax.right=null;
                    root=leftSubTreeMax;                    
                }
            }else{//找到待删除结点的父结点，这里的变化比较复杂
                //找到node结点的右子树中的最小值
                rightSubTreeMin=findRightSubTreeMinValue(node.right);                
                //rightSubTreeMin.right取代rightSubTreeMin的位置
                //找到node结点的右子树中的最小值结点的父结点，并将该结点的右孩子作为该节点的父结点的左孩子
                TreeNode father_rightSubTreeMin=findFather(root,rightSubTreeMin);
                //注意判断，如果被删除结点的右孩子没有左子树，这时候直接用被删除结点的右孩子取代该节点
                if(father_rightSubTreeMin==node){
                    rightSubTreeMin.left=node.left;                    
                }else{
                    father_rightSubTreeMin.left=rightSubTreeMin.right;
                    rightSubTreeMin.right=node.right;
                    rightSubTreeMin.left=node.left;
                }
                if(nodeFather.left==node){
                    nodeFather.left=rightSubTreeMin;
                }else{
                    nodeFather.right=rightSubTreeMin;
                }
            }
        }    
        orignode=null;
        return root;
    }
    static TreeNode findLeftSubTreeMaxValue(TreeNode root){//寻找左子树的最右边的叶子结点
        if(root.right==null){
            return root;
        }else{//左子树中的最大值肯定是在最“右边”
            return findLeftSubTreeMaxValue(root.right);
        }
    }
    static TreeNode findRightSubTreeMinValue(TreeNode root){//寻找右子树的最左边的叶子结点
        if(root.left==null){
            return root;
        }else{//右子树中的最小值肯定是在最“左边”
            return findRightSubTreeMinValue(root.left);
        }
    }
    static void addTreeNode(TreeNode root,int value){//添加结点
        TreeNode temp=root;
        while(temp!=null){
            if(temp.value<=value){//结点值小于新插入结点值
                if(temp.right!=null){//判断是否已到叶子结点
                    temp=temp.right;
                }else{//如果已经到了叶子结点，讲该结点插到这个位置，同时停止循环
                    temp.right=new TreeNode(value);
                    break;
                }
            }else{
                if(temp.left!=null){
                    temp=temp.left;
                }else{
                    temp.left=new TreeNode(value);
                    break;
                }
            }
        }
    }
    static TreeNode findFather(TreeNode root,TreeNode node){//寻找结点的父结点
        if(root==node){//根节点，没有父结点，返回空
            return null;
        }
        if(root.left==node || root.right==node){
            return root;
        }else{
            if(root.value<=node.value){
                return findFather(root.right,node);
            }else{
                return findFather(root.left,node);
            }
        }
    }
    static TreeNode findNode(TreeNode root,int value){//寻找值为value的结点，如果有多个，则返回第一个
        if(root!=null && root.value==value){//寻找到该点
            return root;
        }
        if(root==null){//没有找到该节点，返回空
            return root;
        }else{
            if(root.value<=value){
                return findNode(root.right,value);
            }else{//这里左孩子的值全部小于等于父结点的值
                return findNode(root.left,value);
            }
        }
    }
    static void preprint(TreeNode root){//先序遍历二叉树
        if(root!=null){
            System.out.print(root.value+" ");
            preprint(root.left);
            preprint(root.right);
        }
    }
    static void midprint(TreeNode root){//中序遍历二叉树
        if(root!=null){
            midprint(root.left);
            System.out.print(root.value+" ");
            midprint(root.right);
        }
    }
}

地方撒发射点最后输出结果是：

先序遍历结果：
5 3 2 4 5 7 6 32 54 65
先序遍历结果：
2 3 4 5 5 6 7 32 54 65

删除结点值为7的结点
先序遍历结果：
5 3 2 4 5 32 6 54 65
中序遍历结果：
2 3 4 5 5 6 32 54 65

二叉查找树并非是一个最优的查找结构，因为有时候它可能转换成线性的，比如下图所示：

这时候查找就成了线性查找，因为二叉树的查找时间复杂度是O(h),也即和树的高度有关，故而再创建树的时候需要优化，使得树的高度尽可能地矮。红黑树就是一种很好的优化策略，它能保证对一个结点的查找时间为O(lgn) 。