【数据结构（java）】---玩转二分搜索树

二叉搜索树

前言

二分法的数字游戏应该每个人都知道，通过猜测数字与目标数字的大小情况来猜出最终的数字。长度为n的数列，最多需要logn次就能才到真确的数字，即时间复杂度为O（logn）。

二分法的查找过程是，在一个有序的序列中，每次都会选择有效范围中间位置的元素来判断，每次判断后，可以排除一半的元素，直到找到目标元素或者该元素不存在，时间复杂度为O（logn）,既然线性结构能够做到查询的时间复杂度为O（logn），然而二叉搜索树查找的时间复杂度为O（logn）-O（n）并不存在查找优势，那为啥还需要二叉搜索树呢？

定义

二叉搜索的定义：

若存在左子树，左子树每个节点的值均小于该节点的值。
若存在右子树，右子树每个节点的值均大于该节点的值。
它的左右子树均是二叉搜索树

图示：

二叉搜索树的基本操作

查找

从根节点开始查找，当当前节点的值小于目标元素的值时，向当前节点的右子树遍历，若当前节点的值大于目标元素的值，就向当前节点的左子树遍历。重复上诉步骤若没找到目标元素，说明树中不存在目标元素，反之就能找到目标元素。
举例：在下图中找到值为9的目标节点，从根节点开始，它小于9因此在他的右子树找，右子树的根节点大于9，因此在它的左子树找，此时当前子树的根节点值等于4，就找了该节点。

代码实现

//根节点
    public Node root;
    
    //创建二叉树节点
    class Node{
     
        public int val;
        public Node left;
        public Node right;

        public Node(int val){
     
            this.val = val;
            this.left = null;
            this.right = null;
        }
    }
    //查找
    public Node search(int key){
     
        //从根节点开始遍历
        Node cur = root;
        while (cur != null){
     
            if (cur.val == key){
     
                return cur;//
            }else if (cur.val < key){
     
                cur =cur .right;//小于目标元素就向右子树遍历
            }else {
     
                cur = cur.left;//大于目标元素就向左子树遍历
            }
        }
        return null;
    }

时间复杂度分析：

时间复杂度：O（logn）级为树的高度。最坏的情况是当树为单支时时间复杂度为：O(n)

插入元素

二叉搜索树的插入操作，就是找到一个适合目标元素的位置，然后将该节点插入二叉搜索树中。插入的元素为叶子节点。
举例：在下面树中插入目标元素9，从根节点开始，9大于8,因此搜索右子树，9小于10,因此搜索10的左子树，但是10没有左子树，因此将9作为10的左子树插入。

代码实现

//插入
    public void insert(int val){
     
        Node newNode = new Node(val);
        if (root == null) {
     
            root = newNode;
        }else {
     
            Node cur = root;
            Node parent = null;
            while (cur!=null){
     
                if (cur.val < val){
     
                    parent = cur;
                    cur = cur.right;
                }else {
     
                    parent = cur;
                    cur = cur.left;
                }
            }
            if (parent.val > val){
     
                parent.left = newNode;
            }else {
     
                parent.right = newNode;
            }
        }
    }

时间复杂度：

与搜索一样，插入的时间复杂度为O(logn)

删除操作

1）找到要删除的目标元素
2）情况1：当目标元素的左子树为null
1.目标元素为根节点 root = root.right;
2.目标元素在父亲节点的右边 parent.right = cur.right;
3.目标元素在父亲节点的左边 parent.left = cur.right;进行上述操作就完成了删除步骤。

 情况2：目标元素的右子树为null;
 1.目标元素为根节点 root = root.left;
  2.目标元素在父亲节点的左边 parent.left = cur.left;
 3.目标元素在父亲节点的右边 parent.right = cur.left;进行上述操作就完成了删除步骤。   

 情况3：左右子树均不为null
 通过与右子树的最小值替换或左子树的最大值替换，删除右子树的最小值或右子树的最大值。
 1.找到右子树的最小值或者左子树的最大值
 2.将找到的值赋值给目标元素节点
 3.删除找到右子树的最小值节点或者左子树的最大值节点

代码实现

//删除
    public void remove(int key){
     

        Node cur = root;
        Node parent = null;
        //先找到该节点
        while (cur != null){
     
                if(cur.val == key){
     
                    removeKey(cur,parent);
                }else if (cur.val < key){
     
                    parent = cur;
                    cur = cur.right;
                }else {
     
                    parent = cur;
                    cur = cur.left;
                }
        }
    }

    private void removeKey(Node cur, Node parent) {
     
        //当该节点为左子树为空
        if (cur.left == null){
     
            if (cur == root){
     
                root = cur.right;
            }else if (parent.left == cur){
     
                parent.left = cur.right;
            }else {
     
                parent.right = cur.right;
            }
        }else if (cur.right == null){
     
            if (cur == root){
     
                root = cur.left;
            }else if (parent.left == cur){
     
                parent.left = cur.left;
            }else {
     
                parent.right = cur.right;
            }
        }else {
     
            //当左右子树都不为null时找到左子树的最大值 或者右子树的最小值(本代码找右子树的最大值)
            Node target = cur.right;
            Node targetParent = cur;

            while (target.left != null) {
     
                targetParent = target;
                target = target.left;
            }
            cur.val = target.val;


            if (targetParent.left == target){
     
                    targetParent.left = target.right;
                }else {
     
                targetParent.right = target.right;
            }

        }

    }

复杂度分析：

时间复杂度：O（logn）.