考察数据结构(8)

2019-07-13 16:36

创建好Node类后,紧接着创建BinaryTree类。BinaryTree类包含了一个私有字段——root——它是Node类型,表示二叉树的根。这个私有字段以公有字段的方式暴露出来。

BinaryTree类只有一个公共方法Clear(),它用来清除树中所有元素。Clear()方法只是简单地将根节点置为空null。代码如下: public class BinaryTree {

private Node root;

public BinaryTree() {

root = null; }

#region Public Methods public virtual void Clear() {

root = null; }

#endregion

#region Public Properties public Node Root { get {

return root; } set {

root = value; } }

#endregion }

下面的代码演示了怎样使用BinaryTree类来生成与图二所示的二叉树(a)相同的数据结构: BinaryTree btree = new BinaryTree(); btree.Root = new Node(1); btree.Root.Left = new Node(2); btree.Root.Right = new Node(3);

btree.Root.Left.Left = new Node(4); btree.Root.Right.Right = new Node(5);

btree.Root.Left.Left.Right = new Node(6); btree.Root.Right.Right.Right = new Node(7);

btree.Root.Right.Right.Right.Right = new Node(8);

注意,我们创建BinaryTree类的实例后,要创建根节点(root)。我们必须人工地为相应的左、右孩子添加新节点类Node的实例。例如,添加节点4,它是根节点的左节点的左节点,我们的代码是:

btree.Root.Left.Left = new Node(4);

回想一下我们在第一部分中提到的数组元素,使存放在连续的内存块中,因此定位时间为常量。因此,访问特定元素所耗费时间与数组增加的元素个数无关。

然而,二叉树却不是连续地存放在内存中,如图三所示。事实上,BinaryTree类的实例指向root Node类实例。而root Node类实例又分别指向它的左右孩子节点实例,以此类推。关键在于,

组成二叉树的不同的Node实例是分散地放在CLR托管堆中。他们没有必要像数组元素那样连续存放。

图三

如果我们要访问二叉树中的特定节点,我们需要搜索二叉树的每个节点。它不能象数组那样根据指定的节点直接访问。搜索二叉树要耗费线性时间,最坏情况是查询所有的节点。也就是说,当二叉树节点个数增加时,查找任意节点的步骤数也将相应地增加。

因此,如果二叉树的定位时间为线性,查询时间也为线性,那怎么说二叉树比数组更好呢?因为数组的查询时间虽然也是线性,但定位时间却是常量啊?是的,一般的二叉树确实不能提供比数组更好的性能。然而当我们有技巧地排列二叉树中的元素时,我们就能很大程度改善查询时间(当然,定位时间也会得到改善)。

用BSTs改善数据搜索时间

二叉搜索树是一种特殊的二叉树,它改善了二叉树数据搜索的效率。二叉搜索树有以下属性:对于任意一个节点n,其左子树下的每个后代节点的值都小于节点n的值;而其右子树下的每个后代节点的值都大于节点n的值。

所谓节点n的子树,可以将其看作是以节点n为根节点的树。因此,子树的所有节点都是节点n的后代,而子树的根则是节点n本身。图四演示了子树的概念和二叉搜索树的属性。

图四

图五显示了二叉树的两个例子。图右,二叉树(b),是一个二叉搜索树(BST),因为它符合二叉搜索树的属性。而二叉树(a),则不是二叉搜索树。因为节点10的右孩子节点8小于节点10,但却出现在节点10的右子树中。同样,节点8的右孩子节点4小于节点8,却出现在了它的右子树中。不管是在哪个位置,不符合二叉搜索树的属性规定,就不是二叉搜索树。例如,节点9的右子树只能包含值小于节点9的节点(8和4)。

图五

从二叉搜索树的属性可知,BST各节点存储的数据必须和另外的节点进行比较。给出任意两个节点,BST必须能够判断这两个节点的值是小于、大于还是等于。

现在,设想一下,我们要查找BST的某个特定的节点。例如图五中的二叉搜索树(b),我们要查找节点10。BST和一般的二叉树一样,都只有一个根节点。那么如果节点10存在于树中,搜索这棵树的最佳方案是什么?有没有比搜索整棵树更好的方法?

如果节点10存在于树中,我们从根开始。可以看到,根节点的值为7,小于我们要查找的节点值。因此,一旦节点10存在,必然存在其右子树。所以应该跳到节点11继续查找。此时,节点10小于节点11的值,必然存在于节点11的左子树中。移到节点11的左孩子,此时我们已经找到了目标节点,定位于此。

如果我们要查找的节点在树中不存在,会发生问题?例如我们查找节点9。重复上述操作,直到到达节点10,它大于节点9,那么如果节点9存在,必然是在节点10的左子树中。然而我们看到节点10根本就没有左孩子,因此节点9在树中不存在。

正式地,我们的搜索算法如下所示。假定我们要查找节点n,此时已指向BST的根节点。算法不断地比较数值的大小直到找到该节点,或指为空值。每一步我们都要处理两个节点:树中的节点c,要查找的节点n,并比较c和n的值。C的初始化值为BST根节点的值。然后执行以下步骤: 1、 如果c值为null,则n不在BST中;


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