【算法学习】前缀树Trie

Tire（前缀树）

一、定义：

• Trie（发音类似 “try”）或者说前缀树是一种树形数据结构，用于高效地存储和检索字符串数据集中的键。

• 其核心是使用「边」来代表有无字符，使用「点」来记录是否为「单词结尾」以及「其后续字符串的字符是什么」。

• Trie结构：

  • 与二叉查找树不同，键不是直接保存在节点中，而是由节点在树中的位置决定。一个节点的所有子孙都有相同的前缀，也就是这个节点对应的字符串，而根节点对应空字符串。一般情况下，不是所有的节点都有对应的值，只有叶子节点和部分内部节点所对应的键才有相关的值。

其中红色节点表示一个单词的结尾。

• Tire字典树的查找速度主要和它的元素（字符串）的长度相关O（w）。

二、插入字符串

public void insert(String word)：

我们从字典树的根开始查找前缀，对于当前字符对应的子节点，有两种情况：

• 子节点存在：沿着指针移动到子节点，继续寻找下一个字符。
• 子节点不存在：创建一个新的子节点，记录在children数组的对应位置上，然后沿着指针移动到子节点，继续搜索下一个字符。

重复以上步骤，直到处理字符串的最后一个字符，然后将当前节点标记为字符串的结尾。

三、查找前缀

public Trie searchPrefix(String prefix)：

我们从字典树的根开始查找前缀，对于当前字符对应的子节点，有两种情况：

• 子节点存在：沿着指针移动到子节点，继续搜索下一个字符。
• 子节点不存在：说明字典树中不包含该前缀，返回null空指针。

重复以上步骤，直到返回空指针或搜索完前缀的最后一个字符。

• 若搜索到了前缀的末尾，说明该字典树中存在该前缀。
• 另外，若前缀末尾对应的节点isEnd==true,则说明字典树中存在该字符串。

三、应用场景：

1、Trie树（又叫「前缀树」或「字典树」）是一种用于快速查询「某个字符串/字符前缀」是否存在的数据结构，这一数据结构有相当多的应用情景，例如自动补完和拼写检查。

2、在纯算法领域，前缀树算是一种比较常用的数据结构，但如果是在工程中，不考虑前缀匹配的话，基本上使用hash就可以满足要求了。

• 但考虑前缀匹配的话，工程上一般也不会使用Tire。（工程领域Tire的应用面不广）
  • 字符集大小不好确定（如下的题目只考虑了26个字母，字符集的大小限制在较小的26以内），因此可以使用Trie，但在工程中一般会兼容各种字符集，一旦字符集很大，Tire将会带来很大的空间浪费。
  • 另外，对于个别的超长字符Tire会进一步变深，如果这时Tire是存储在硬盘中的，Tire结构过深带来的影响是多次随机IO，随机IO成本极高。
  • Tire的特殊结构，也会在工程上为分布式存储带来困难。
• 工程上例如【联想输入】、【模糊匹配】、【全文检索】的典型场景主要是通过ES（ElasticSearch）解决的，而ES的实现主要是依靠【倒排索引】。

—>例如：Leetcode「208. 实现 Trie (前缀树)」

请你实现 Trie 类：

• Trie() 初始化前缀树对象。
• void insert(String word) 向前缀树中插入字符串 word 。
• boolean search(String word)如果字符串 word 在前缀树中，返回 true（即，在检索之前已经插入）；否则，返回 false 。
• boolean startsWith(String prefix)如果之前已经插入的字符串 word 的前缀之一为 prefix ，返回 true ；否则，返回 false 。

示例：

输入
["Trie", "insert", "search", "search", "startsWith", "insert", "search"]
[[], ["apple"], ["apple"], ["app"], ["app"], ["app"], ["app"]]

输出
[null, null, true, false, true, null, true]

解释
Trie trie = new Trie();
trie.insert("apple");
trie.search("apple");   // 返回 True
trie.search("app");     // 返回 False
trie.startsWith("app"); // 返回 True
trie.insert("app");
trie.search("app");     // 返回 True

class Trie {
    private Trie[] children;//指向子节点的指针数组children
    private boolean isEnd;//表明该节点是否为字符串的结尾

    public Trie() {
        children=new Trie[26];//于本题数组长度为26，即小写英文字母的数量
        isEnd=false;//初始化为false
    }
    
    public void insert(String word) {
        Trie node = this;
        for(int i=0;i<word.length();i++){
            char ch=word.charAt(i);
            int index=ch-'a';
            //子节点不存在，创建一个新的子节点，记录在children数组的对应位置上
            if(node.children[index]==null){
                node.children[index]=new Trie();
            }
            //沿着指针移动到子节点，继续搜索下一个字符
            node=node.children[index];
        }
        node.isEnd=true;
    }
    
    public boolean search(String word) {
        Trie node = searchPrefix(word);
        return node!=null&&node.isEnd;
    }
    
    public boolean startsWith(String prefix) {
        return searchPrefix(prefix)!=null;
    }
    
    public Trie searchPrefix(String prefix){
        Trie node = this;
        for(int i=0;i<prefix.length();i++){
            char ch=prefix.charAt(i);
            int index=ch-'a';
            //子节点不存在，说明字典树中不包含该前缀，返回空指针
            if(node.children[index]==null){
                return null;
            }
            //沿着指针移动到子节点
            node=node.children[index];
        }
        return node;
    }
}

/**
 * Your Trie object will be instantiated and called as such:
 * Trie obj = new Trie();
 * obj.insert(word);
 * boolean param_2 = obj.search(word);
 * boolean param_3 = obj.startsWith(prefix);
 */

复杂度分析：

• 时间：初始化为O（1），其余操作为O（|S|）,其中|S|为每次插入/查询的字符串长度。

• 空间：O(∣T∣⋅Σ)，其中 ∣T∣ 为所有插入字符串的长度之和，Σ为字符集的大小，本题 Σ=26。

四、扩展

实际需求中不可能只有26个字母，也许有大小写，也许有其他的符号，因此我们需要使用其他的数据结构。

第二版：

class Node{
	public boolean isWord;
	public Map<Character,Node> next;
}

• 此时暂时只考虑英文字符不考虑其他语言（中文等）。

1、根据第二版我们设计的Trie：

public class Trie {
    private class Node{
        public boolean isWord;
        public TreeMap<Character,Node> next;

        public Node(boolean isWord){
            this.isWord = isWord;
            this.next = new TreeMap<>();
        }

        public Node(){
            this(false);
        }
    }

    private Node root;
    private int size;

    public Trie(){
        this.root = new Node();
        this.size = 0;
    }

	/**
	 * 返回Trie节点数
	 */
    public int getSize(){
        return this.size;
    }
}

2、Trie的添加

向字典树中添加节点的步骤如图：

//添加单词
public void add(String word){
    Node curr = root;
    for(int i=0;i<word.length();i++){
        char c = word.charAt(i);
        if(curr.next.get(c)==null){
            curr.next.put(c,new Node());//没有该节点，直接添加新的
        }
        curr = curr.next.get(c);//有该节点，移动curr，继续查找下一节点
    }
    if(!curr.isWord){//如果之前已经存在该单词了size不能加1
        curr.isWord = true;
        size++;//Trie的节点数
    }
}

3、Trie的查找单词：

//查询单词
public boolean contains(String word){
    Node curr = root;
    for(int i=0;i<word.length();i++){
        char c = word.charAt(i);
        if(curr.next.get(c)==null){
            return false;//无下一个值的节点，直接返回false
        }
        curr = curr.next.get(c);
    }
    return curr.isWord;//单词到达末尾，根据isWord标志判断
}

4、判断前缀：

//查询在Trie中是否有单词以prefix为前缀
public boolean isPrefix(String prefix){
    Node curr = root;
    for(int i=0;i<prefix.length();i++){
        char c = prefix.charAt(i);
        if(curr.next.get(c)==null){
            return false;
        }
        curr = curr.next.get(c);
    }
    return true;
}

5、删除单词

删除节点有以下四种情况：

• 情况一：逐一将节点去除即可；
• 情况二：直接将isWord置为false即可；
• 情况三：逐一删除节点，如果待删除节点是另外一个单词结尾则停止删除；
• 情况四：逐一删除节点，但是如果待删除节点还有其他孩子节点则停止删除。

//删除单词
public void delete(String word){
    Stack<Node> preNodes = new Stack<>();
    //删除前查找是否存在这个单词，存在才能删除
    if(!contains(word)){
        return;//不存在该单词，直接返回
    }
    Node curr = root;
    for(int i=0;i<word.length();i++){
        char c = word.charAt(i);
        preNodes.push(curr);//添加前驱节点
        curr = curr.next.get(c);
    }
    if(curr.next.size()==0){//到了单词末尾，节点是叶子节点
        for(int i=word.length()-1;i>=0;i--){
            char c = word.charAt(i);
            Node pre = preNodes.pop();//获得前驱节点
            //判断是否为其他单词的结尾，是则停止删除节点【情况3】
            //判断待删除节点是否还有其他孩子，有则停止删除节点【情况4】
       if((i!=word.length()-1&&pre.next.get(c).isWord)||pre.next.get(c).next.size()!=0){
                break;
            }
            pre.next.remove(c);//删除节点【情况1】
        }
    }else{
        curr.isWord = false;//情况2
    }
    size--;
}

上面实现的Trie中，我们是使用TreeMap来保存节点的所有子节点，也可以用HashMap来保存，效率会更高：

public Node(boolean isWord){
            this.isWord = isWord;
            this.next = new HashMap<>();
        }

• Trie的查询效率非常高，但对空间的消耗还是很大的，是典型的空间换时间。