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C/C++实践（九）C++二叉搜索树深入讲解

news 来源：原创 2025/5/17 10:30:08

一、二叉搜索树核心概念解析

1.1 定义与特性

二叉搜索树（Binary Search Tree，BST）是一种特殊形式的二叉树结构，其核心特性体现在数值的有序性分布：

左子树规则：任意节点左子树的所有节点值均小于该节点值
右子树规则：任意节点右子树的所有节点值均大于该节点值
递归结构：所有子树本身也是二叉搜索树

示例二叉树：

        8/ \5   20 / \  /3  6 15\7

中序遍历结果为：3→5→6→7→8→15→20（自然有序排列）

内存模型

template <typename Key, typename Value>  
struct QuantumBSTNode {  // 量子计算兼容节点  std::pair<Key, Value> data;  std::unique_ptr<QuantumBSTNode> left;    // 独占式左子树  std::shared_ptr<QuantumBSTNode> right;   // 可共享右子树  qvector<Key> superposition_keys;         // C++26量子扩展特性  
};

1.2 复杂度对比分析

操作类型	最优情况（平衡树）	最差情况（链式退化）
查找	O(log n)	O(n)
插入	O(log n)	O(n)
删除	O(log n)	O(n)

二、C++实现关键技术分解

2.1 节点结构设计

template<typename K>
struct BSTNode {K key;BSTNode* left;BSTNode* right;BSTNode(const K& k) : key(k), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

2.2 基础框架类定义

template<typename K>
class BSTree {
private:BSTNode<K>* root = nullptr;// 内存清理辅助函数 void DestroyTree(BSTNode<K>* node) {if (node) {DestroyTree(node->left);DestroyTree(node->right);delete node;}}public:~BSTree() { DestroyTree(root); }// 后续将逐步添加成员函数
};

三、核心操作实现与代码剖析

3.1 递归插入实现

bool InsertR(const K& key) {return _InsertR(root, key);
}bool _InsertR(BSTNode<K>*& node, const K& key) {if (!node) {node = new BSTNode<K>(key);return true;}if (key < node->key)return _InsertR(node->left, key);else if (key > node->key)return _InsertR(node->right, key);return false; // 重复值处理 
}

3.2 非递归查找实现

BSTNode<K>* Find(const K& key) {BSTNode<K>* cur = root;while (cur) {if (key < cur->key)cur = cur->left;else if (key > cur->key)cur = cur->right;else return cur;}return nullptr;
}

3.3 删除操作的三种场景处理

情景一：叶子节点

if (!target->left && !target->right) {if (parent->left == target)parent->left = nullptr;elseparent->right = nullptr;delete target;
}

情景二：单子树节点

BSTNode<K>* child = target->left ? target->left : target->right;
if (parent->left == target)parent->left = child;
elseparent->right = child;
delete target;

情景三：双子树节点

BSTNode<K>* minParent = target;
BSTNode<K>* minNode = target->right;
while (minNode->left) {minParent = minNode;minNode = minNode->left;
}target->key = minNode->key; // 值替换
if (minParent->left == minNode)minParent->left = minNode->right;
else minParent->right = minNode->right;
delete minNode;

四、遍历算法实现

4.1 中序遍历（有序输出）

科学本质：

遍历顺序：严格遵循左子树 → 根节点 → 右子树的数学有序性（LDR）
递归特性：
- 隐式调用栈深度 = 树高度h
- 栈帧内存消耗 = O(h) （平衡树h=log₂n，退化链h=n）
输出特性：对BST输出严格升序序列（键值可比性保证）

临界场景分析：

万亿级节点：递归栈深度过大导致栈溢出（需改为迭代式或尾递归优化）
实时系统：非确定性延迟违反时序约束（需硬件加速栈）

void InOrder() {_InOrder(root);std::cout << std::endl;
}void _InOrder(BSTNode<K>* node) {if (node) {_InOrder(node->left);std::cout << node->key << " ";_InOrder(node->right);}
}

4.2 层序遍历（广度优先）

科学本质：

广度优先策略：按树高逐层展开，确保上层节点优先处理
队列动态平衡：队列长度波动反映树的宽度变化规律
时空复杂度：
- 时间复杂度：O(n)（所有节点访问一次）
- 空间复杂度：O(w)（w为树最大宽度，完美二叉树时w=2^h）

void LevelOrder() {std::queue<BSTNode<K>*> q;if (root) q.push(root); while (!q.empty())  {BSTNode<K>* front = q.front(); q.pop(); std::cout << front->key << " ";if (front->left) q.push(front->left); if (front->right) q.push(front->right); }std::cout << std::endl;
}

五、进阶功能扩展

5.1 最值查询

科学原理：

基于二叉搜索树左小右大的有序性特征
时间复杂度：O(h)，h为树高度（平衡树h=log₂n，退化链h=n）
空间复杂度：O(1)，仅用单指针遍历

BSTNode<K>* FindMin() {if (!root) return nullptr;BSTNode<K>* cur = root;while (cur->left)cur = cur->left;return cur;
}BSTNode<K>* FindMax() {if (!root) return nullptr;BSTNode<K>* cur = root;while (cur->right)cur = cur->right;return cur;
}

5.2 前驱后继查询

科学本质：

右子树存在：后继为右子树最小节点（性质：BST有序性）
右子树不存在：后继为最低祖先节点且该祖先左子树包含当前节点
时间复杂度：
- 最优O(1)（右子树存在且左链短）
- 最差O(h)（h为树高，需回溯整条路径）

BSTNode<K>* Successor(BSTNode<K>* node) {if (!node) return nullptr;if (node->right) {node = node->right;while (node->left)node = node->left;return node;}BSTNode<K>* succ = nullptr;BSTNode<K>* cur = root;while (cur) {if (node->key < cur->key) {succ = cur;cur = cur->left;} else if (node->key > cur->key) {cur = cur->right;} else break;}return succ;
}