【算法与数据结构】二叉搜索树的Java实现

　　为了更加深入了解二叉搜索树，博主自己用Java写了个二叉搜索树，有兴趣的同学可以一起探讨探讨。

　　首先，二叉搜索树是啥？它有什么用呢？

　　二叉搜索树， 也称二叉排序树，它的每个节点的数据结构为1个父节点指针，1个左孩子指针，1个有孩子指针，还有就是自己的数据部分了，因为只有左右两孩子，所以才叫二叉树，在此基础上，该二叉树还满足另外一个条件：每个结点的左孩子都不大于该结点&&每个结点的右孩子都大于该结点。这样，我们队这棵树进行中序遍历，就能把key从小到大排序了……

　　那么问题来了，我都有线性表有链表了，我还要它干啥？两个字！效率！

　　相比线性表，你要搜索一个key，就要执行一次线性时间，算法复杂度为O(n)；而用二叉搜索树，算法效率是O(lgn)！这是很诱人的数字。下面我用Java实现以下二叉搜索树，你自然就明白为什么算法复杂度是O(lgn)了。

　　其次，写一个数据结构，自然而然也要实现对这个数据结构的增、删、查、改了。

　　下面是我的思路：

1. 创建树：我是通过一个一个结点的插入来建立一棵二叉搜索树。
2. 搜索结点：从根节点开始，进行key的比较，小了就往左走，大了就往右走，最后到了叶子结点都还没有的话，那么该树就不存在要搜索的结点了。
3. 修改结点：修改其实就是查询，在查询之后把结点的数据部分给改了而已，这里我就不重复去实现了。
4. 删除结点：这个应该就是最难的了，所以我有必要详细讲，先上图（不好意思，懒得用软件画图了，将就将就下哈）：

当我们要删除一个结点时，分如下几种情况：

• 此结点是叶子结点，这个最简单啦，直接把结点给释放掉就行了。（如图删除9）
• 此结点只有左孩子，这个也简单啦，直接把左子树替换过来就行了。（如图删除3）
• 此结点只有右孩子，同上。（如图删除8）
• 此结点有左右孩子，当出现这种情况时（如图删除7），我们就要找出该结点的后继结点（因为右子树肯定存在，所以找肯定在右子树中），然后把这个后继结点替换到要删除的结点中，然后继续执行对这个后继结点的删除操作（递归删除操作就行了）。

 

　　发现没？现在我的解题思路是自顶向下去分析……自顶向下，逐级求精是一个很伟大的思想！

 

　　现在问题来了！后继结点怎么求？我们来分析一下，当求一个结点的后继结点时，分为以下两种情况：

• 当该结点有右孩子时，后继结点就在右子树中，就是该右子树的最小结点
• 当该结点没有右孩子时，那后继结点就满足这个条件：该后继结点是该结点的祖先&&该结点位于该结点的左子树中（如图中的9的后继结点是12）

　　哎呀呀！问题又来了！最小结点咋办！很简单！

　　当求一棵树的最小结点时，那么就要从这颗树的根节点开始，一直往左子树走，就能找到它的最小结点了！

　　好了，现在问题逐步解决了！删除结点的功能也就完成了！

　　最后，没代码说个锤子，咱上代码！

 

首先，写个测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] datas={12,4,5,7,4,8,3,2,6,9};
        BinTree tree=new BinTree(datas);
        tree.preOrderTraverse();//先序遍历
        tree.midOrderTraverse();//中序遍历
        tree.postOrderTraverse();//后序遍历
        tree.insert(15);    //插入结点
        tree.search(7);        //查询结点
        tree.search(100);    //查询一个不存在的结点
        tree.getMax();        //获取最大值
        tree.getMin();        //获取最小值
        tree.getPre(7);        //前驱结点
        tree.getPre(2);        //最前的前驱结点
        tree.getPost(7);    //后继结点
        tree.getPost(15);    //最后的后继结点
        tree.delete(5);        //删除结点
        tree.delete(0);        //删除一个不存在的结点
    }
}

然后，二叉搜索树：

public class BinTree {
    Node root=null;
    private class Node{
        Node parent=null;
        Node leftChild=null;
        Node rightChild=null;
        int key;
        public Node(int data) {
            this.key=data;
        }
    }
    public BinTree(int[] datas) {
        buildTree(datas);
    }
    private void buildTree(int[] datas) {
        for (int i = 0; i < datas.length; i++) {
            Node node=new Node(datas[i]);
            insertNode(node);
        }
    }
    private void insertNode(Node node) {    //插入结点
        Node next=this.root;    
        Node cur=null;    //用来保存当前结点
        while(next!=null){    //当到达叶子结点时，确认位置！
            cur=next;
            if(node.key>=cur.key){
                next=next.rightChild;
            }else{
                next=next.leftChild;
            }
        }
        node.parent=cur;    //插入该结点！
        if(cur==null){
            this.root=node;  //该树为空树，所以这个是根节点
        }else if(node.key>=cur.key){
            cur.rightChild=node;
        }else{
            cur.leftChild=node;
        }
    }
    /*
     * 插入一个数
     */
    public void insert(int data){    
        Node node=new Node(data);
        System.out.println("插入结点："+data);
        insertNode(node);
        this.midOrderTraverse();
    }
    
    /*
     * 先序遍历
     */
    public void preOrderTraverse(){    
        System.out.println("先序遍历：");
        preOrderTraverse(root);
        System.out.println();
    }
    private void preOrderTraverse(Node node){    //先序遍历
        if(node!=null){
            System.out.print("-"+node.key+"-");
            preOrderTraverse(node.leftChild);
            preOrderTraverse(node.rightChild);
        }
    }
    /*
     * 中序遍历
     */
    public void midOrderTraverse(){    
        System.out.println("中序遍历：");
        midOrderTraverse(root);
        System.out.println();
    }
    private void midOrderTraverse(Node node){    //中序遍历
        if(node!=null){
            midOrderTraverse(node.leftChild);
            System.out.print("-"+node.key+"-");
            midOrderTraverse(node.rightChild);
        }
        
    }
    
    /*
     * 后序遍历
     */
    public void postOrderTraverse(){
        System.out.println("后序遍历：");
        postOrderTraverse(root);
        System.out.println();
    }
    private void postOrderTraverse(Node node){     //后序遍历
        if(node!=null){
            System.out.print("-"+node.key+"-");
            postOrderTraverse(node.leftChild);
            postOrderTraverse(node.rightChild);
        }
    }
    
    /*
     * 搜索结点
     */
    public void search(int data){    
        System.out.println("您要查找的是："+data);
        Node node;
        if((node=searchNode(new Node(data)))==null){
            System.out.println("树中没有该结点！");
        }else{
            System.out.println("查找"+node.key+"成功！");
        }
    }
    
    private Node searchNode(Node node){    //private供内部调用，搜索结点
        if(node==null){
            System.out.println("输入为空，查找失败！");
        }else{
            if(root==null){
                System.out.println("该树为空树！");
            }else{                        //开始查找
                boolean isFound=false;    
                Node x=root;
                Node y=null;
                while(!isFound&&x!=null){    //当查到或者到了叶子节点还没查到时，终结！
                    y=x;
                    if(node.key==x.key){    
                        isFound=true;
                    }else{                    //通过比较大小往下面查找
                        if(node.key>x.key){    
                            x=x.rightChild;
                        }else{
                            x=x.leftChild;
                        }
                    }
                }
                if(isFound){    //没找到的话，在最后返回null
                    return y;
                }
            }
        }
        return null;
    }
    
    /*
     * 获取最大值
     */
    public void  getMax(){    
        Node node;
        if((node=getMaxNode(root))==null){
            System.out.println("该树为空！");
        }else{
            System.out.println("最大的结点是："+node.key);
        }
        
    }
    
    private Node getMaxNode(Node node){    //获取最大值
        if(node!=null){
            Node x=node;
            Node y=null;
            while(x!=null){    //一直往右遍历直到底就是最大值了！
                y=x;
                x=x.rightChild;
            }
            return y;
        }
        return null;
    }
    
    /*
     * 获取最小值
     */
    public void getMin(){    
        Node node;
        if((node=getMinNode(root))==null){
            System.out.println("该树为空！");
        }else{
            System.out.println("最小的结点是："+node.key);
        }
    }
    private Node getMinNode(Node node){    //获取最小值
        if(node!=null){
            Node x=node;
            Node y=null;
            while(x!=null){    //一直往左遍历直到底就是最小值了！
                y=x;
                x=x.leftChild;
            }
            return y;
        }
        return null;
    }
    
    /*
     * 获取前驱结点
     */
    public void getPre(int data){    
        Node node=null;
        System.out.println(data+"的前驱结点：");
        if((node=getPreNode(searchNode(new Node(data))))==null){
            System.out.println("该结点不存在或无前驱结点！");
        }else{
            System.out.println(data+"的前驱结点为："+node.key);
        }
    }
    
    private Node getPreNode(Node node){    //获取前驱结点
        if(node==null){
            return null;
        }
        if(node.leftChild!=null){    //当有左孩子时，前驱结点就是左子树的最大值
            return getMaxNode(node.leftChild);
        }else{//当不存在左孩子时，前驱结点就是——它的祖先，而且，它在这个祖先的右子树中。这句话自己画图就能理解了
            Node x=node;
            Node y=node.parent;
            while(y!=null&&x==y.leftChild){
                x=y;
                y=y.parent;
            }
            return y;
        }
    }
    
    /*
     * 获取后继结点
     */
    public void getPost(int data){    
        Node node=null;
        System.out.println(data+"的后继结点：");
        if((node=getPostNode(searchNode(new Node(data))))==null){
            System.out.println("该结点不存在或无后继结点！");
        }else{
            System.out.println(data+"的后继结点为："+node.key);
        }
    }
    
    private Node getPostNode(Node node){    //获取后继结点
        if(node==null){
            return null;
        }
        if(node.rightChild!=null){    //当有右孩子时，前驱结点就是右子树的最小值
            return getMinNode(node.rightChild);
        }else{//当不存在右孩子时，后继结点就是——它的祖先，而且，它在这个祖先的左子树中。这句话自己画图就能理解了
            Node x=node;
            Node y=node.parent;
            while(y!=null&&x==y.rightChild){
                x=y;
                y=y.parent;
            }
            return y;
        }
    }
    
    
    /*
     * 删除结点
     */
    public void delete(int data){    
        Node node;
        if((node=searchNode(new Node(data)))==null){//注意！这里不能new结点！你必须从树中找该结点！new就是初始化了
            System.out.println("二叉树中不存在此结点！");
            return;
        }
        deleteNode(node);
        System.out.println("删除结点"+data+"后：");
        this.midOrderTraverse();
    }
    
    
    private void deleteNode(Node node){
        if(node==null){
            System.out.println("删除结点不能为空！");
            return;
        }
        replacedNode(node);
    }
    
    private void replacedNode(Node node) {    //替换结点
        if(node.leftChild!=null
                &&node.rightChild!=null){    //当有左右孩子时，用后继结点替换
            replacedNodeOfPost(node);
        }
        else
        {
            if(node.leftChild!=null){    //当只有左孩子时，直接用左子树替换
                node=node.leftChild;
            }else if(node.rightChild!=null){    //只有右孩子时，直接有子树替换
                node=node.rightChild;
            }else{            //当没有左右孩子时，就直接释放了这个结点
                freeNode(node);
            }
        }
    }
    
    
    private void freeNode(Node node) {    //释放该结点，断掉其与父结点的链接
        if(node==node.parent.leftChild){
            node.parent.leftChild=null;
        }else{
            node.parent.rightChild=null;
        }
    }
    
    private void replacedNodeOfPost(Node node) {    
        Node y=this.getPostNode(node);    //找后继结点
        node.key=y.key;
        replacedNode(y);    //替换了key之后，再一次递归把现在这个结点给替换了！
    }
    
}

最后是测试结果：

------------------分割线-------------------------

先序遍历：
-12--4--3--2--5--4--7--6--8--9-
中序遍历：
-2--3--4--4--5--6--7--8--9--12-
后序遍历：
-12--4--3--2--5--4--7--6--8--9-
插入结点：15
中序遍历：
-2--3--4--4--5--6--7--8--9--12--15-
您要查找的是：7
查找7成功！
您要查找的是：100
树中没有该结点！
最大的结点是：15
最小的结点是：2
7的前驱结点：
7的前驱结点为：6
2的前驱结点：
该结点不存在或无前驱结点！
7的后继结点：
7的后继结点为：8
15的后继结点：
该结点不存在或无后继结点！
删除结点5后：
中序遍历：
-2--3--4--4--6--7--8--9--12--15-
二叉树中不存在此结点！