【C++进阶】二叉搜索树递归与非递归的模拟实现（附源码）

红太狼 2024-04-22 12:13 64阅读 0赞

## 一.什么是二叉搜索树 ##

二叉搜索树又称二叉排序树，它或者是一棵空树，或者是具有以下性质的二叉树:

![3361a89f43e44fbeb43677470c883814.png][]

根据二叉搜索树的性质，它的中序遍历结果就是一个升序列。

--------------------

## 二.二叉搜索树的模拟实现 ##

### 节点 Node ###

在实现二叉搜索树之前，要先定义一个节点，成员变量包括左指针（left），右指针（right）和一个值 （key）

template<class K>
    struct BSTNode
    {
    	BSTNode<K>* _left;
    	BSTNode<K>* _right;
    	K _key;
    
    	BSTNode(const K& key)  //构造函数
    		:_left(nullptr)
    		,_right(nullptr)
    		,_key(key)
    	{}
    };

### 打印 InOrder ###

打印二叉搜索树树，就是对树进行中序遍历。

这里有个小技巧，可以不用写 Getroot 函数就可以使用到类里面的成员变量：

就是在函数里再套一个函数；

具体看代码实现：

void InOrder()   //函数里面再套一个函数，真正实现中序遍历的是 _InOrder函数
    {
    	_InOrder(_root);
    	cout << endl;
    }
    
    void _InOrder(Node* root)
    {
    	if (root == nullptr)
    		return;
    
    	_InOrder(root->_left);
    	cout << root->_key << " ";
    	_InOrder(root->_right);
    }

### 插入 insert ###

在插入时，如果要插入的数据(key)已经存在，则返回false，若不存在，则完成插入操作，然后返回true。

其实这刚好也完成了去重的操作。

插入操作：

定义一个parent指针，记录当前节点的父节点，方便最后插入节点时的链接。

定义一个cur指针，用于遍历整个树。

根据二叉搜素树的性质：

当key小于节点的 \_key 时，更新parent，就到树的左边；

当key大于节点的 \_key 时，更新parent，就到树的右边；

当cur为空时，跳出循环，进行节点间的链接操作（同样遵循二叉搜索树的性质）

bool Insert(const K& key)
    {
    	if (_root == nullptr)  //注意树为空的情况
    	{
    		_root = new Node(key);
    		return true;
    	}
    
    	Node* parent = nullptr;
    	Node* cur = _root;
    	while (cur)
    	{
    		if (cur->_key < key)
    		{
    			parent = cur;
    			cur = cur->_right;
    		}
    		else if (cur->_key > key)
    		{
    			parent = cur;
    			cur = cur->_left;
    		}
    		else
    			return false;
    	}
    
    	cur = new Node(key);   
    	if (parent->_key<key)   //链接
    	{
    		parent->_right = cur;
    	}
    	else
    		parent->_left = cur;
    
    	return true;
    
    }

### 插入的递归实现 insertR ###

既然要递归，那么肯定要用到根节点，同样使用中序遍历那样的方式，函数里再套一个函数。

其实理论还是和非递归的一样，只不过换成了调用函数，但这里有个小窍门，就是我们可以传根节点的引用，这样就不用定义一个父节点指针了，根据引用的特性，引用是一个变量的别名，当我们递归到下一层时，此时传过来的root就是这一层的父节点，直接链接就行了。

bool insertR(const K& key)
    {
    	return _insertR(_root, key);
    }
    
    bool _insertR(Node*& root, const K& key)
    {
    	if (root == nullptr)
    	{
    		Node* newroot = new Node(key);
    		root = newroot;
    		return true;
    	}
    
    	if (root->_key < key)
    	{
    		return _insertR(root->_right, key);
    	}
    	else if (root->_key > key)
    	{
    		return _insertR(root->_left, key);
    	}
    	else
    		return false;
    }

### 删除 erase ###

删除就有点复杂了，它分几种情况：

首先查找元素是否在二叉搜索树中，如果不存在，则返回, 否则要删除的结点可能分下面四种情  
况：

1.要删除的结点无孩子结点  
 2. 要删除的结点只有左孩子结点  
 3. 要删除的结点只有右孩子结点  
 4. 要删除的结点有左、右孩子结点

前三种情况倒好解决，如果待删除的节点只有一个孩子，那么只需要把这个孩子根据二叉搜索树的性质托孤给它的父节点。

![63eac01fa786439dbe40322ac356e0eb.png][]

![c9ad204d1a1c4e2ca9bd76c26fe04a0f.png][]

很显然，当有两个孩子时，托孤就行不通了，那么我们可不可以重新找一个符合条件的节点来充当父节点 ？

答案当然是可以，这就是替换法。

替换法：

找左子树的最大节点（在最右边），或是右子树的最小节点（在最左边）。

代码实现：

bool erase(const K& key)
    {
    	Node* cur = _root;
    	Node* parent = nullptr;
    	while (cur)   //先查找待删除节点，没找到则返回false
    	{
    		if (cur->_key < key)
    		{
    			parent = cur;
    			cur = cur->_right;
    		}
    		else if (cur->_key > key)
    		{
    			parent = cur;
    			cur = cur->_left;
    		}
    		else   //找到了
    		{
    			if (cur->_left == nullptr)  //有一个孩子，且左子树为空
    			{
    				if (parent == nullptr)   //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
    				{
    					_root = cur->_right;
    					return true;
    				}
    
    			    if (parent->_left == cur)
    				{
    					parent->_left = cur->_right;
    				}
    				else
    					parent->_right = cur->_right;
    
    			}
    			else if (cur->_right == nullptr)  //有一个孩子，且右子树为空
    			{
    				if (parent == nullptr)     //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
    				{
    					_root = cur->_left;
    				}
    
    				if (parent->_left == cur)
    				{
    					parent->_left = cur->_left;
    				}
    				else
    					parent->_right = cur->_left;
    		
    				}
    			else //有两个孩子,替换法，这里是寻找左子树的最大节点
    			{
    				Node* parent = cur;
    				Node* leftmax = cur->_left;
    				while (leftmax->_right)   //找左子树最大的
    				{
    					parent = leftmax;
    					leftmax = leftmax->_right;
    				}
    
    				std::swap(leftmax->_key, cur->_key);  //交换值
    				if (parent->_left == leftmax)
    				{
    					parent->_left = leftmax->_left;
    				}
    				else
    					parent->_right = leftmax->_left;
    
    				cur = leftmax;
    			}
    
    				delete cur;  //删除节点
    				return true;
    		}
    
    	}
    
    			return false;   //没找到返回false
    }

### 删除的递归实现 eraseR ###

同样使用函数套函数的方式。同样传root的引用。

当有一个孩子或没有孩子的时候，可以直接链接，然后再删除；

当有两个孩子的时候，同样使用替换法，找到左子树的最大节点（或是右子树的最小节点），此时这个最大节点（或是最小节点）一定没有孩子，再递归一次，转换成没有孩子的情况。

bool eraseR(const K& key)
    {
    	return _eraseR(_root, key);
    }
    
    bool _eraseR(Node*& root, const K& key)
    {
    	if (root == nullptr)  //没找到
    		return false;
    			
    	if (root->_key < key)  //开始寻找待删除节点
    	{
    		return _eraseR(root->_right, key);
    	}
    	else if (root->_key > key)
    	{
    		return _eraseR(root->_left, key);
    	}
    	else  //找到了待删除节点
    	{
    		Node* del = root;
    		if (root->_left == nullptr)   //有一个叶节点或没有叶节点
    		{
    			root = root->_right;
    		}
    		else if (root->_right == nullptr)
    		{
    			root = root->_left;
    		}
    		else   //有两个叶节点
    		{
    			Node* leftmax = root->_left;
    			while (leftmax->_right)
    			{
    				leftmax = leftmax->_right;
    			}
    
    			std::swap(leftmax->_key, root->_key); 
    
    			return _eraseR(root->_left, key);  //注意这里要传root->left，不能传leftmax，否                
                                                   //则链接关系会对不上
    		}
    		delete del;   //删除节点
    		return true;
    	}
    }

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### 剩下接口 ###

剩下的操作（查找find ，拷贝构造，重载赋值运算符，析构函数）都很简单了，就不一一讲述，都放在源码里了。

--------------------

## 三.源码 ##

### Binary\_Search\_Tree.h ###

template<class K>
    struct BSTNode
    {
    	BSTNode<K>* _left;
    	BSTNode<K>* _right;
    	K _key;
    
    	BSTNode(const K& key)  //构造函数
    		:_left(nullptr)
    		,_right(nullptr)
    		,_key(key)
    	{}
    };
    
    template<class K>
    class BSTree
    {
        typedef BSTNode<K> Node;
    public:
        BSTree()  //构造函数
    		:_root(nullptr)
    	{}
        void InOrder()   //函数里面再套一个函数，真正实现中序遍历的是 _InOrder函数
        {
    	    _InOrder(_root);
    	    cout << endl;
        }
        bool Insert(const K& key)
        {
    	    if (_root == nullptr)  //注意树为空的情况
    	    {
    		    _root = new Node(key);
    		    return true;
    	    }
    
    	    Node* parent = nullptr;
    	    Node* cur = _root;
    	    while (cur)
    	    {
    		    if (cur->_key < key)
    		    {
    			    parent = cur;
    			    cur = cur->_right;
    		    }
    		    else if (cur->_key > key)
    		    {
    			    parent = cur;
    			    cur = cur->_left;
    		    }
    		    else
    			    return false;
    	    }
    
    	    cur = new Node(key);   
    	    if (parent->_key<key)   //链接
    	    {
    		    parent->_right = cur;
    	    }
    	    else
    		    parent->_left = cur;
    
    	    return true;
    
        }
    
        bool insertR(const K& key)   //插入的递归实现
        {
    	    return _insertR(_root, key);
        }
        
        bool erase(const K& key)
        {
    	    Node* cur = _root;
    	    Node* parent = nullptr;
    	    while (cur)   //先查找待删除节点，没找到则返回false
    	    {
    		    if (cur->_key < key)
    		    {
    		    	parent = cur;
    		    	cur = cur->_right;
    		    }
    		    else if (cur->_key > key)
    	    	{
    		    	parent = cur;
    	       		cur = cur->_left;
    		    }
    		    else   //找到了
    		    {
    		       	if (cur->_left == nullptr)  //有一个孩子，且左子树为空
    			    {
    			    	if (parent == nullptr)   //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
    			    	{
    				    	_root = cur->_right;
    				    	return true;
    			    	}
    
    			        if (parent->_left == cur)
    			    	{
    			       		parent->_left = cur->_right;
    			    	}
    			    	else
    					    parent->_right = cur->_right;
    
    			    }
    			    else if (cur->_right == nullptr)  //有一个孩子，且右子树为空
    			    {
    			    	if (parent == nullptr)     //如果待删除节点是根节点，那么parent为空
    			    	{
    			    		_root = cur->_left;
    			    	}
    
    				    if (parent->_left == cur)
    				    {
    				    	parent->_left = cur->_left;
    			    	}
    				    else
    				    	parent->_right = cur->_left;
    		
    				}
    			    else //有两个孩子,替换法，这里是寻找左子树的最大节点
    			    {
    			    	Node* parent = cur;
    			    	Node* leftmax = cur->_left;
    			    	while (leftmax->_right)   //找左子树最大的
    			    	{
    			    		parent = leftmax;
    			    		leftmax = leftmax->_right;
    			    	}
    
    			    	std::swap(leftmax->_key, cur->_key);  //交换值
    			    	if (parent->_left == leftmax)
    			    	{
    			    		parent->_left = leftmax->_left;
    				    }
    			    	else
    				    	parent->_right = leftmax->_left;
    
    			    	cur = leftmax;
    			    }
    
    			    	delete cur;  //删除节点
    				    return true;
    		    }
    
    	    }
    			return false;   //没找到返回false
        }
        
        bool eraseR(const K& key)   //删除的递归实现
        {
        	return _eraseR(_root, key);
        }
    
        bool find(const K& key)   //查找
    	{
    		Node* cur = _root;
    		while (cur)
    		{
    			if (cur->_key < key)
    			{
    				cur = cur->_right;
    			}
    			else if (cur->_key > key)
    			{
    				cur = cur->_left;
    			}
    			else
    				return true;
    		}
    
    		return false;
    	}
    
        bool findR(const K& key)   //查找的递归实现
    	{
    		return _findR(_root, key);
    	}
        ~BSTree()   //析构函数
    	{
    		destroy(_root);
    	}
    
    	BSTree(const BSTree<K>& bst)  //拷贝构造
    	{
    		_root = copy(bst._root);
    	}
    
    	BSTree<K>& operator=(BSTree<K> bst)  //赋值重载
    	{
    		std::swap(_root, bst._root);
    
    		return *this;
    	}
    private:
        void _InOrder(Node* root)
        {
    	    if (root == nullptr)
    	    	return;
    
    	    _InOrder(root->_left);
    	    cout << root->_key << " ";
    	    _InOrder(root->_right);
        }
        
        bool _insertR(Node*& root, const K& key)
        {
    	    if (root == nullptr)
    	    {
    		    Node* newroot = new Node(key);
    		    root = newroot;
    		    return true;
    	    }
    
    	    if (root->_key < key)
    	    {
    		    return _insertR(root->_right, key);
    	    }
    	    else if (root->_key > key)
    	    {
    		    return _insertR(root->_left, key);
    	    }
    	    else
    		    return false;
        }
        
        bool _eraseR(Node*& root, const K& key)
        {
    	    if (root == nullptr)  //没找到
    		    return false;
    			
    	    if (root->_key < key)  //开始寻找待删除节点
    	    {
    		    return _eraseR(root->_right, key);
        	}
    	    else if (root->_key > key)
    	    {
    	    	return _eraseR(root->_left, key);
    	    }
    	    else  //找到了待删除节点
    	    {
    		    Node* del = root;
    		    if (root->_left == nullptr)   //有一个叶节点或没有叶节点
    		    {
    			    root = root->_right;
    	    	}
    		    else if (root->_right == nullptr)
    		    {
    			    root = root->_left;
    	    	}
    		    else   //有两个叶节点
    		    {
    			    Node* leftmax = root->_left;
    			    while (leftmax->_right)
    			    {
    				    leftmax = leftmax->_right;
    			    }
    
    			    std::swap(leftmax->_key, root->_key); 
    
    			 return _eraseR(root->_left, key);  //注意这里要传root->left，不能传leftmax，否                
                                                   //则链接关系会对不上
    		    }
    		    delete del;   //删除节点
    		    return true;
    	    }
        }
    
        Node* copy(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr)
    			return nullptr;
    		Node* copyroot = new Node(root->_key);
    		copyroot->_left = copy(root->_left);
    		copyroot->_right = copy(root->_right);
    		return copyroot;
    	}
    	bool _findR(Node* root, const K& key)
    	{
    		if (root == nullptr)
    			return false;
    		if (root->_key < key)
    			return _findR(root->_right, key);
    		else if (root->_key > key)
    			return _findR(root->_left, key);
    		else
    			return true;
    	}
        
        void destroy(Node* root)  //后序删除
    	{
    		if (root == nullptr)
    			return;
    		destroy(root->_left);
    		destroy(root->_right);
    		delete root;
    		root = nullptr;
    	}
    private:
        Node* _root;
    };

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> **??本篇文章到此就结束了， 若有错误或是建议的话，欢迎小伙伴们指出；?️?**
> 
> **??希望小伙伴们能支持支持博主啊，你们的支持对我很重要哦；??**
> 
> **??谢谢你的阅读。??**

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