一、介绍
二叉搜索树
(BST)是二叉树的一种特殊表示形式,它满足如下特性:
- 每个节点中的值必须
大于
(或等于)存储在其左侧子树中的任何值。 - 每个节点中的值必须
小于
(或等于)存储在其右子树中的任何值。
像普通的二叉树一样,我们可以按照前序、中序和后序来遍历一个二叉搜索树。
但是值得注意的是,对于二叉搜索树,我们可以通过中序遍历
得到一个递增的
有序序列。因此,中序遍历是二叉搜索树中最常用的遍历方法。
二、二叉搜索树的操作
二叉搜索树主要支持三个操作:搜索、插入和删除。
(1)搜索
根据BST的特性,对于每个节点:
- 如果目标值等于节点的值,则返回节点;
- 如果目标值小于节点的值,则继续在左子树中搜索;
- 如果目标值大于节点的值,则继续在右子树中搜索。
一个例子:搜索目标值为 4 的节点。
(2)插入
二叉搜索树中的另一个常见操作是插入一个新节点。
有许多不同的方法去插入新节点,这里只讨论一种使整体操作变化最小的经典方法。 它的主要思想是为目标节点找出合适的叶节点位置,然后将该节点作为叶节点插入。 因此,搜索将成为插入的起始。
与搜索操作类似,对于每个节点,我们将:
- 根据节点值与目标节点值的关系,搜索左子树或右子树;
- 重复步骤 1 直到到达外部节点;
- 根据节点的值与目标节点的值的关系,将新节点添加为其左侧或右侧的子节点。
一个例子:插入数组中的蓝色的值。
与搜索操作相同,我们可以递归或迭代地进行插入。
(3)删除
删除要比我们前面提到过的两种操作复杂许多,有许多不同的删除节点的方法,这里只讨论一种使整体操作变化最小的方法。我们的方案是用一个合适的子节点来替换要删除的目标节点。根据其子节点的个数,我们需考虑以下三种情况:
1. 如果目标节点没有子节点,我们可以直接移除该目标节点。
2. 如果目标节只有一个子节点,我们可以用其子节点作为替换。
3. 如果目标节点有两个子节点,我们需要用其中序后继节点或者前驱节点来替换,再删除该目标节点。
例1:目标节点没有子节点
例 2:目标节只有一个子节点
例 3:目标节点有两个子节点
三、总结
二叉搜索树的有优点是,即便在最坏的情况下,也允许你在O(h)
的时间复杂度内执行所有的搜索、插入、删除操作。通常来说,如果你想有序地存储数据或者需要同时执行搜索、插入、删除等多步操作,二叉搜索树这个数据结构是一个很好的选择。
问题描述:设计一个类,求一个数据流中第k大的数。
一个很显而易见的解法是,先将数组降序排列好,然后返回数组中第k个数。
但这个解法的缺点在于,为了在O(1)
时间内执行搜索操作,每次插入一个新值都需要重新排列元素的位置。从而使得插入操作的解法平均时间复杂度变为O(N)
。因此,算法总时间复杂度会变为O(N^2)
。
同时需要插入和搜索操作,考虑使用一个二叉搜索树结构存储数据。
对于二叉搜索树的每个节点来说,它的左子树
上所有结点的值均小于
它的根结点的值,右子树
上所有结点的值均大于
它的根结点的值。
1. 插入
2. 搜索
四、拓展--高度平衡的二叉搜索树
树结构中的常见用语:
- 节点的深度 - 从树的根节点到该节点的边数
- 节点的高度 - 该节点和叶子之间最长路径上的边数
- 树的高度 - 其根节点的高度
一个高度平衡的二叉搜索树
(平衡二叉搜索树
)是在插入和删除任何节点之后,可以自动保持其高度最小。也就是说,有N
个节点的平衡二叉搜索树,它的高度是logN
。并且,每个节点的两个子树的高度不会相差超过1。
为什么是
logN
呢?
- 一个高度为
h
的二叉树.
- 换言之,一个有
N
个节点,且高度为h
的二叉树:.
- 所以:
.
1、特点
普通二叉搜索树和一个高度平衡的二叉搜索树的例子:
根据定义, 我们可以判断出一个二叉搜索树是否是高度平衡的 (平衡二叉树)。我们可以计算节点总数和树的高度,以确定这个二叉搜索树是否为高度平衡的。
高度平衡的二叉树一个特性: 每个节点的两个子树的深度不会相差超过1。我们也可以根据这个性质,递归地验证树。
2、优势
二叉树及其相关操作中, 包括搜索、插入、删除。 当分析这些操作的时间复杂度时,树的高度是十分重要的考量因素。以搜索操作为例,如果二叉搜索树的高度为h
,则时间复杂度为O(h)
。二叉搜索树的高度的确很重要。
树的节点总数N
和高度h
之间的关系。 对于一个平衡二叉搜索树, 我们已经在前文中提过, 。但对于一个普通的二叉搜索树, 在最坏的情况下, 它可以退化成一个链。
因此,具有N
个节点的二叉搜索树的高度在logN
到N
区间变化。也就是说,搜索操作的时间复杂度可以从logN
变化到N
。这是一个巨大的性能差异。
所以说,高度平衡的二叉搜索树对提高性能起着重要作用。
3、实现
有许多不同的方法可以实现,这些实现方法的细节有所不同,但有相同的目标:
- 采用的数据结构应该满足二分查找属性和高度平衡属性。
- 采用的数据结构应该支持二叉搜索树的基本操作,包括在
O(logN)
时间内的搜索、插入和删除,即使在最坏的情况下也是如此。
我们提供了一个常见的的高度平衡二叉树列表供您参考:
本文不打算展开讨论这些数据结构实现的细节。
4、应用
高度平衡的二叉搜索树在实际中被广泛使用,因为它可以在O(logN)
时间复杂度内执行所有搜索、插入和删除操作。
平衡二叉搜索树的概念经常运用在Set和Map中。 Set和Map的原理相似。 我们将在下文中重点讨论Set这个数据结构。
- Set(集合)是另一种数据结构,它可以存储大量key(键)而不需要任何特定的顺序或任何重复的元素。 它应该支持的基本操作是将新元素插入到Set中,并检查元素是否存在于其中。
通常,有两种最广泛使用的集合:散列集合
(Hash Set)和树集合
(Tree Set)。
树集合
, Java中的Treeset
或者C++中的set
,是由高度平衡的二叉搜索树实现的。因此,搜索、插入和删除的时间复杂度都是O(logN)
。
散列集合
, Java中的HashSet
或者C++中的unordered_set
,是由哈希实现的, 但是平衡二叉搜索树也起到了至关重要的作用。当存在具有相同哈希键的元素过多时,将花费O(N)
时间复杂度来查找特定元素,其中N是具有相同哈希键的元素的数量。 通常情况下,使用高度平衡的二叉搜索树将把时间复杂度从 O(N)
改善到 O(logN)
。
哈希集和树集之间的本质区别在于树集中的键是有序
的。