Дерево поиска, наивная реализация

Бинарное дерево поиска из 9 элементов

Бинарное дерево поиска (англ. binary search tree, BST) - структура данных для работы с динамическими множествами.

Бинарное дерево поиска обладает следующим свойством: если [math]x[/math] - узел бинарного дерева с ключом [math]k[/math], то все узлы в левом поддереве должны иметь ключи, меньшие [math]k[/math], а в правом поддереве большие [math]k[/math].

Операции в бинарном дереве поиска

Обход дерева поиска

Для вывода всех ключей бинарного дерева поиска в отсортированном порядке используется простой алгоритм (англ. inorder tree traversal).

inorderTreeWalk(Node x)
   if x != null
      inorderTreeWalk(x.left)
      print(x.key)
      inorderTreeWalk(x.right)

Данный алгоритм выполняет обход за время [math]O(n)[/math], поскольку процедура вызывается ровно два раза для каждого узла дерева. Корректность данного алгоритма следует из свойств бинарного дерева поиска.

Поиск элемента

Поиск элемента 4

Для поиска элемента в бинарном дереве поиска можно воспользоваться следующей процедурой, которая принимает в качестве параметров корень дерева и искомый ключ. Для каждого узла функция сравнивает значение его ключа с искомым ключом. Если ключи одинаковы, то функция возвращает текущий узел, в противном случае функция вызывается рекурсивно для левого или правого поддерева. Узлы, которые посещает функция образуют нисходящий путь от корня, так что время ее работы [math]O(h)[/math], где [math]h[/math] - высота дерева.

treeSearch(Node x, key k)
   if x == null or k == x.key
      return x
   if k < x.key
      return treeSearch(x.left, k)
   else
      return treeSearch(x.right, k)

Поиск минимума и максимума

Чтобы найти минимальный элемент в бинарном дереве поиска, необходимо просто следовать указателям left от корня дерева, пока не встретится значение null. Если у вершины есть левое поддерево, то по свойству бинарного дерева поиска в нем хранятся все элементы с меньшим ключом. Если его нет, значит эта вершина и есть минимальная. Аналогично ищется и максимальный элемент. Для этого нужно следовать правым указателям.

treeMinimum(Node x)
  while x.left != null
     x = x.left
  return x

treeMaximum(Node x)
  while x.right != null
     x = x.right
  return x

Данные функции принимают корень дерева, и возвращают минимальный(максимальный) элемент в дереве. Обе процедуры выполняются за время [math]O(h)[/math].

Поиск следующего и предыдущего элемента

Если у узла есть правое поддерево, то следующий за ним элемент будет минимальным элементом в этом поддереве. Если у него нет правого поддерева, то нужно следовать вверх, пока не встретим узел, который является левым дочерним узлом своего родителя. Поиск предыдущего выполнятся аналогично. Если у узла есть левое поддерево, то следующий за ним элемент будет максимальным элементом в этом поддереве. Если у него нет левого поддерева, то нужно следовать вверх, пока не встретим узел, который является правым дочерним узлом своего родителя.

treeNext(Node x)
   if x.right != null
      return treeMinimum(x.right)
   y = x.parent
   while y != null and x == y.right
      x = y
      y = y.parent
   return y

treePrev(Node x)
   if x.left != null
      return treeMaximum(x.left)
   y = x.parent
   while y != null and x == y.left
      x = y
      y = y.parent
   return y

Обе операции выполняются за время [math]O(h)[/math].

Вставка

Операция вставки работает аналогично поиску элемента, только при обнаружении нулевого указателя нужно подвесить на него вставляемый элемент. Приведем итеративную реализацию этого алгоритма.

treeInsert(Node x, Node z) // корень дерева, вставляемый элемент
   Node y = null
   while x != null
      y = x
      if z.key > x.key
         x = x.right
      else
         x = x.left
   z.parent = y
   if z.key > y.key
      y.right = z
   else
      y.left = z

Время работы алгоритма [math]O(h)[/math].

Удаление

Для удаления узла из бинарного дерева поиска нужно рассмотреть три возможные ситуации. Если у узла нет дочерних узлов, то у его родителя нужно просто заменить указатель на null. Если у узла есть только один дочерний узел, то нужно создать новую связь между родителем удаляемого узла и его дочерним узлом. Наконец, если у узла два дочерних узла, то нужно найти следующий за ним элемент(у этого элемента не будет левого потомка) и переместить его на место удаляемого узла. Время работы алгоритма [math]O(h)[/math].

Случай	Иллюстрация
Удаление листа
Удаление узла с одним дочерним узлом
Удаление узла с двумя дочерними узлами
Удаление корня

treeDelete(Node t, Node z) // корень дерева, удаляемый элемент
   Node x, y
   if z.left == null or z.right == null
      y = z
   else
      y = treeNext(z)
   if y.left != null
      x = y.left
   else
      x = y.right
   if x != null
      x.parent = y.parent
   if y.parent == null
      t = x
   else
      if y == y.parent.left
         y.parent.left = x
      else
         y.parent.right = x
   if y != z
      z.key = y.key
      z.data = y.data
   return y
      

Литература

1. Кормен, Т., Лейзерсон, Ч., Ривест, Р., Штайн, К. Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Под ред. И. В. Красикова. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2005. — 1296 с. — ISBN 5-8459-0857-4