更新二叉树结构

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冉文杰
2017-03-21 11:22:10 +08:00
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@@ -231,7 +231,7 @@ http://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/Algorithms.html
### 编程网站
[leetcode](http://leetcode.com/)
[openjudge]http://openjudge.cn/ 开放在线程序评测平台,可以床架自己的OJ小组
[openjudge](http://openjudge.cn/) 开放在线程序评测平台,可以床架自己的OJ小组
[九度OJ](http://ac.jobdu.com/index.php)
这有个[ACM训练方案](http://www.java3z.com/cwbwebhome/article/article19/res041.html)
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@@ -0,0 +1,16 @@
## B树
平衡查找树,一种多路查找树。
能保证数据插入和删除情况下,任然保持执行效率。
一个M阶的B树满足:
1. 每个节点最多M个子节点
2. 除跟节点和叶节点外,其它每个节点至少有M/2个孩子
3. 根节点至少2个节点
4. 所有叶节点在同一层,叶节点不包含任何关键字信息
5. 有k个关键字的页节点包含k+1个孩子
也就是说:`根节点到每个叶节点的路径长度都是相同的。`
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* 二叉查找树
* 赫夫曼编码 Huffman
* 字典树trie(前缀树,单词查找树)
* 伸展树
* 后缀树
## 二叉查找树
* AVL树
* 红黑树
二叉查找树(Binary search tree),也叫`有序二叉树(Ordered binary tree)`,`排序二叉树(Sorted binary tree)`。是指一个空树或者具有下列性质的二叉树:
* B树
* B+树 mysql索引使用B+树的数据结构
* B*树
* R树
* Treap 树
1. 若任意节点的左子树不为空,则左子树上所有的节点值小于它的根节点值
2. 若任意节点的右子树不为空,则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值
3. 任意节点左右子树也为二叉查找树
4. 没有键值相等的节点
```
typedef int ElemType;
typedef struct BiSearchTree{
ElemType key;
struct BiSearchTree *lChild;
struct BiSearchTree *rChild;
}BiSearchTree;
BiSearchTree *bisearch_tree_insert(BiSearchTree *tree,ElemType node);
int bisearch_tree_delete(BiSearchTree **tree,ElemType node);
int bisearch_tree_search(BiSearchTree *tree,ElemType node);
```
删除节点,需要重建排序树
1) 删除节点是叶子节点(分支为0),结构不破坏
2)删除节点只有一个分支(分支为1),结构也不破坏
3)删除节点有2个分支,此时删除节点
思路一: 选左子树的最大节点,或右子树最小节点替换
```
int bisearch_tree_delete(BiSearchTree **tree,ElemType node){
if (NULL==tree) {
return -1;
}
// 查找删除目标节点
BiSearchTree *target=*tree,*parent=NULL;
while (NULL!=target) {
if (node<target->key) {
parent=target;
target=target->lChild;
}else if(node==target->key){
break;
}else{
parent=target;
target=target->rChild;
}
}
if (NULL==target) {
printf("树为空,或想要删除的节点不存在\n");
return -1;
}
//该节点为叶子节点,直接删除
if (!target->rChild && !target->lChild)
{
if (NULL==parent) {////只有一个节点的二叉查找树
*tree=NULL;
}else{
if (target->key>parent->key) {
parent->rChild=NULL;
}else{
parent->lChild=NULL;
}
}
free(target);//父节点处理,不然野指针,造成崩溃
}
else if(!target->rChild){ //右子树空则只需重接它的左子树,用左子树替换掉当前要删除的节点
BiSearchTree *del=target->lChild;
target->key = target->lChild->key;
target->lChild=target->lChild->lChild;
target->rChild=target->lChild->rChild;
free(del);
}
else if(!target->lChild){ //左子树空只需重接它的右子树
BiSearchTree *del=target->rChild;
target->key = target->rChild->key;
target->lChild=target->rChild->lChild;
target->rChild=target->rChild->rChild;
free(del);
}
else{ //左右子树均不空,p,t 2个指针一前以后,将左子树最大的节点(肯定是一个最右的节点)替换到删除的节点后,还需要处理左子树最大节点的左子树
BiSearchTree *p=target,*t=target->lChild;
while (t->rChild) {
p = t;
t=t->rChild;
}// 找到左子树最大的,是删除节点的直接“前驱”
target->key = t->key;
if (p!=target) {
p->rChild = t->lChild;
}else{
target->lChild = t->lChild;
}
free(t);
}
return 0;
}
```
## 伸展树 (splay tree)
伸展树是一种自平衡的二叉排序树。为什么需要这些自平衡的二叉排序树?
n个节点的完全二叉树,其查找,删除的复杂度都是O(logN),但是如果频繁的插入删除,导致二叉树退化成一个n个节点的单链表,也就是`插入,查找复杂度趋于O(N)`,为了克服这个缺点,出现了很多二叉查找树的变形,如AVL树,红黑树,以及接下来介绍的 伸展树(splay tree)。
## AVL树
## 红黑树
## B树
平衡查找树,一种多路查找树。
能保证数据插入和删除情况下,任然保持执行效率。
一个M阶的B树满足:
1. 每个节点最多M个子节点
2. 除跟节点和叶节点外,其它每个节点至少有M/2个孩子
3. 根节点至少2个节点
4. 所有叶节点在同一层,叶节点不包含任何关键字信息
5. 有k个关键字的页节点包含k+1个孩子
也就是说:
根节点到每个叶节点的路径长度都是相同的。
## B+树
mysql索引使用B+树的数据结构
## B*树
## R树
## Treap 树
## 赫夫曼编码 Huffman
这是一个经典的压缩算法。通过`字符出现的频率`,`优先级`,`二叉树`进行的压缩算法。
对一个字符串,计算每个字符出现的次数,把这些字符放到优先队列(priority queue)
这这个priority queue转出二叉树
需要一个字符编码表来解码,通过二叉树建立huffman编码和解码的字典表
原始串:
二级制编码:
huffman编码:
###存储结构和基本操作
```
struct node{
char *huffCode; // 叶子节点的huff编码
int weight;
struct node *left,right;
}
```
###构建赫夫曼树
原则:出现频率越多的会在越上层,编码也越短,出现频率越少的在越下层,编码也越长。
不存在某一个编码是另一个编码的前缀,字符都在叶节点上,所以不会存在一个编码是另一个编码的前缀
二叉树每个节点要么是叶子节点,要么是双分支节点(且左分支编码为0,右分支编码为1)
###压缩
1. 扫描输入文件,统计各个字符出现的次数,对结构排序 (hash统计每个字符出现的次数)
2. 根据排序结构,构建赫夫曼树 (贪心策略,每次选频率值最低的2个节点合并,需要优先队列帮组(priority queue,又叫最小堆))
3. 对树进行遍历(左分支编码为0,右分支编码为1),得到各个字符的huffman编码,存到hash表中(这个就是编解码表,也可直接存储到节点中,如上面的char *huffCode)
4. 重新对文件扫描,根据hash表进行压缩
压缩的文件为了能够解压缩,需要一个文件头,用来重建赫夫曼树,包括:
被编码的文本长度 unsigned int size
字符频率表 unsigned char freqs[NUM_CHARS]
###解压缩
1. 读取文件头
2. 遍历编码后的bits,从赫夫曼树的根节点出发,遇到0,进入左子树,遇到1进入右子树,直到叶节点
## 字典树trie(前缀树,单词查找树)
### trie基本
字典树,英文名Trie树,Trie一词来自retrieve,发音为/tri:/ “tree”,也有人读为/traɪ/ “try”,
又称单词查找树,Trie树,是一种树形结构(多叉树)。
trie,又称为前缀树或字典树,是一种有序树,用于保存关联数组。
1. 除根节点不包含字符,每个节点都包含一个字符
2. 从根节点到某一个节点,路径上经过的字符连接起来,为该节点对应的字符串
3. 每个节点的所有子节点包含的字符都不相同(保证每个节点对应的字符串都不一样)
比如:
```
/ \
/ | \
t a i
/ \ \
o e n
/|\ /
a d n n
```
上面的Trie树,可以表示字符串集合{“a”, “to”, “tea”, “ted”, “ten”, “i”, “in”, “inn”} 。
trie树把每个关键字保存在一条路径上,而不是一个节点中
两个有公共前缀的关键字,在Trie树中前缀部分的路径相同,所以Trie树又叫做前缀树(Prefix Tree)。
### trie树存储结构和基本操作
最简单实现 ---- 26个字母表 a-z (没有考虑数字,大小写,其他字符如=-*/)
子树用数组存储,浪费空间;如果系统中存在大量字符串,且这些字符串基本没有公共前缀,trie树将消耗大量内存
如果用链表存储,查询时需要遍历链表,查询效率有所降低
```
define ALPHABET_NUM 26
typedef struct trie_node{
char value;
bool isKey;/*是否代表一个关键字*/
int count; /*可用于词频统计,表示关键字出现的次数*/
struct Node *subTries[ALPHABET];
}*Trie
Trie Trie_create();
int Trie_insert(Trie trie,char *word); // 插入一个单词
int Trie_search(Trie trie,char *word);// 查找一个单词
int Trie_delete(Trie trie,char *word);// 删除一个单词
Trie Trie_create(){
trie_node* pNode = new trie_node();
pNode->count = 0;
for(int i=0; i<ALPHABET_SIZE; ++i)
pNode->children[i] = NULL;
return pNode;
}
void trie_insert(trie root, char* key)
{
trie_node* node = root;
char* p = key;
while(*p)
{
if(node->children[*p-'a'] == NULL)
{
node->children[*p-'a'] = create_trie_node();
}
node = node->children[*p-'a'];
++p;
}
node->count += 1;
}
/**
* 查询:不存在返回0,存在返回出现的次数
*/
int trie_search(trie root, char* key)
{
trie_node* node = root;
char* p = key;
while(*p && node!=NULL)
{
node = node->children[*p-'a'];
++p;
}
if(node == NULL)
return 0;
else
return node->count;
}
```
trie树的增加和删除都比较麻烦,但索引本身就是写少读多,是否考虑添加删除的复杂度上升,依靠具体场景决定。
### trie 问题
它的优点是:
1. 插入和查询的效率很高,都是O(m),其中 m 是待插入/查询的字符串的长度
2. Trie树可以对关键字按字典序排序
3. 利用字符串的公共前缀来最大限度地减少无谓的字符串比较,提高查询效率
缺点:
1. trie 树比较费内存空间,在处理大数据时会内存吃紧
2. 当hash函数较好时,Hash查询效率比 trie 更优
[知乎这里](http://www.zhihu.com/question/27168319)有个问题:`10万个串找给定的串是否存在`, 对trie和hash两种方案给出了讨论。
[DATrie](https://github.com/kmike/datrie) 是使用python实现的双数组trie树, 双数组可以减少内存的使用量 。有关 double-array trie,可以参考[这篇论文](http://linux.thai.net/~thep/datrie/datrie.html)
### trie应用
典型应用是:前缀查询,字符串查询,排序
* 用于统计,排序和保存大量的字符串(但不仅限于字符串)
* 经常被搜索引擎系统用于文本词频统计
* 排序大量字符串
* 用于索引结构
* 敏感词过滤
### 实际应用问题
1. 给你100000个长度不超过10的单词。对于每一个单词,我们要判断他出没出现过,如果出现了,求第一次出现在第几个位置
分析思路一:trie树 ,找到这个字符串查询操作就可以了,如何知道出现的第一个位置呢?我们可以在trie树中加一个字段来记录当前字符串第一次出现的位置。
2. 已知n个由小写字母构成的平均长度为10的单词,判断其中是否存在某个串为另一个串的前缀子串
3. 给出N 个单词组成的熟词表,以及一篇全用小写英文书写的文章,请你按最早出现的顺序写出所有不在熟词表中的生词。
分析:trie树查询单词的应用。先建立N个熟词的前缀树,然后按文章的单词一次查询。
4. 给出一个词典,其中的单词为不良单词。单词均为小写字母。再给出一段文本,文本的每一行也由小写字母构成。判断文本中是否含有任何不良单词。例如,若rob是不良单词,那么文本problem含有不良单词。
分析:先用不良单词建立trie树,然后过滤文本(每个单词都在trie树上查询,查询的复杂度O(1),效率非常高),这正是`敏感词过滤系统(或垃圾评论系统)`的原理。
5. 给你N 个互不相同的仅由一个单词构成的英文名,让你将它们按字典序从小到大排序输出
分析:这是trie树排序的典型应用,建立N个单词的trie树,然后线序遍历整个树,就可以达到效果。
## 后缀树(suffix tree)
###后缀树的应用
可以解决很多字符串的问题
1. 查找字符串S1是否在字符串S中
2. 指定字符串S1在字符串S中出现的次数
3. 字符串S中的最长重复子串
4. 2个字符串的最长公共部分
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## 二叉查找树
二叉查找树(Binary search tree),也叫`有序二叉树(Ordered binary tree)`,`排序二叉树(Sorted binary tree)`。是指一个空树或者具有下列性质的二叉树:
1. 若任意节点的左子树不为空,则左子树上所有的节点值小于它的根节点值
2. 若任意节点的右子树不为空,则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值
3. 任意节点左右子树也为二叉查找树
4. 没有键值相等的节点
```
typedef int ElemType;
typedef struct BiSearchTree{
ElemType key;
struct BiSearchTree *lChild;
struct BiSearchTree *rChild;
}BiSearchTree;
BiSearchTree *bisearch_tree_insert(BiSearchTree *tree,ElemType node);
int bisearch_tree_delete(BiSearchTree **tree,ElemType node);
int bisearch_tree_search(BiSearchTree *tree,ElemType node);
```
删除节点,需要重建排序树
1) 删除节点是叶子节点(分支为0),结构不破坏
2)删除节点只有一个分支(分支为1),结构也不破坏
3)删除节点有2个分支,此时删除节点
思路一: 选左子树的最大节点,或右子树最小节点替换
```
int bisearch_tree_delete(BiSearchTree **tree,ElemType node){
if (NULL==tree) {
return -1;
}
// 查找删除目标节点
BiSearchTree *target=*tree,*parent=NULL;
while (NULL!=target) {
if (node<target->key) {
parent=target;
target=target->lChild;
}else if(node==target->key){
break;
}else{
parent=target;
target=target->rChild;
}
}
if (NULL==target) {
printf("树为空,或想要删除的节点不存在\n");
return -1;
}
//该节点为叶子节点,直接删除
if (!target->rChild && !target->lChild)
{
if (NULL==parent) {////只有一个节点的二叉查找树
*tree=NULL;
}else{
if (target->key>parent->key) {
parent->rChild=NULL;
}else{
parent->lChild=NULL;
}
}
free(target);//父节点处理,不然野指针,造成崩溃
}
else if(!target->rChild){ //右子树空则只需重接它的左子树,用左子树替换掉当前要删除的节点
BiSearchTree *del=target->lChild;
target->key = target->lChild->key;
target->lChild=target->lChild->lChild;
target->rChild=target->lChild->rChild;
free(del);
}
else if(!target->lChild){ //左子树空只需重接它的右子树
BiSearchTree *del=target->rChild;
target->key = target->rChild->key;
target->lChild=target->rChild->lChild;
target->rChild=target->rChild->rChild;
free(del);
}
else{ //左右子树均不空,p,t 2个指针一前以后,将左子树最大的节点(肯定是一个最右的节点)替换到删除的节点后,还需要处理左子树最大节点的左子树
BiSearchTree *p=target,*t=target->lChild;
while (t->rChild) {
p = t;
t=t->rChild;
}// 找到左子树最大的,是删除节点的直接“前驱”
target->key = t->key;
if (p!=target) {
p->rChild = t->lChild;
}else{
target->lChild = t->lChild;
}
free(t);
}
return 0;
}
```
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View File
@@ -0,0 +1,7 @@
## 伸展树 (splay tree)
伸展树是一种自平衡的二叉排序树。为什么需要这些自平衡的二叉排序树?
n个节点的完全二叉树,其查找,删除的复杂度都是O(logN),但是如果频繁的插入删除,导致二叉树退化成一个n个节点的单链表,也就是`插入,查找复杂度趋于O(N)`,为了克服这个缺点,出现了很多二叉查找树的变形,如AVL树,红黑树,以及接下来介绍的 伸展树(splay tree)。
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View File
@@ -0,0 +1,13 @@
## 后缀树(suffix tree)
###后缀树的应用
可以解决很多字符串的问题
1. 查找字符串S1是否在字符串S中
2. 指定字符串S1在字符串S中出现的次数
3. 字符串S中的最长重复子串
4. 2个字符串的最长公共部分
+147
View File
@@ -0,0 +1,147 @@
## 字典树trie
### trie基本
`字典树`,英文名`Trie树`,Trie一词来自retrieve,发音为/tri:/ “tree”,也有人读为/traɪ/ “try”,
又称`单词查找树` 或 `前缀树`,Trie树,是一种树形结构(多叉树)。
trie,又称为前缀树或字典树,是一种有序树,用于保存关联数组。
1. 除根节点不包含字符,每个节点都包含一个字符
2. 从根节点到某一个节点,路径上经过的字符连接起来,为该节点对应的字符串
3. 每个节点的所有子节点包含的字符都不相同(保证每个节点对应的字符串都不一样)
比如:
```
/ \
/ | \
t a i
/ \ \
o e n
/|\ /
a d n n
```
上面的Trie树,可以表示字符串集合{“a”, “to”, “tea”, “ted”, “ten”, “i”, “in”, “inn”} 。
trie树把每个关键字保存在一条路径上,而不是一个节点中
两个有公共前缀的关键字,在Trie树中前缀部分的路径相同,所以Trie树又叫做前缀树(Prefix Tree)。
### trie树存储结构和基本操作
最简单实现 ---- 26个字母表 a-z (没有考虑数字,大小写,其他字符如=-*/)
子树用数组存储,浪费空间;如果系统中存在大量字符串,且这些字符串基本没有公共前缀,trie树将消耗大量内存
如果用链表存储,查询时需要遍历链表,查询效率有所降低
```
define ALPHABET_NUM 26
typedef struct trie_node{
char value;
bool isKey;/*是否代表一个关键字*/
int count; /*可用于词频统计,表示关键字出现的次数*/
struct Node *subTries[ALPHABET];
}*Trie
Trie Trie_create();
int Trie_insert(Trie trie,char *word); // 插入一个单词
int Trie_search(Trie trie,char *word);// 查找一个单词
int Trie_delete(Trie trie,char *word);// 删除一个单词
Trie Trie_create(){
trie_node* pNode = new trie_node();
pNode->count = 0;
for(int i=0; i<ALPHABET_SIZE; ++i)
pNode->children[i] = NULL;
return pNode;
}
void trie_insert(trie root, char* key)
{
trie_node* node = root;
char* p = key;
while(*p)
{
if(node->children[*p-'a'] == NULL)
{
node->children[*p-'a'] = create_trie_node();
}
node = node->children[*p-'a'];
++p;
}
node->count += 1;
}
/**
* 查询:不存在返回0,存在返回出现的次数
*/
int trie_search(trie root, char* key)
{
trie_node* node = root;
char* p = key;
while(*p && node!=NULL)
{
node = node->children[*p-'a'];
++p;
}
if(node == NULL)
return 0;
else
return node->count;
}
```
trie树的增加和删除都比较麻烦,但索引本身就是写少读多,是否考虑添加删除的复杂度上升,依靠具体场景决定。
### trie 问题
它的优点是:
1. 插入和查询的效率很高,都是O(m),其中 m 是待插入/查询的字符串的长度
2. Trie树可以对关键字按字典序排序
3. 利用字符串的公共前缀来最大限度地减少无谓的字符串比较,提高查询效率
缺点:
1. trie 树比较费内存空间,在处理大数据时会内存吃紧
2. 当hash函数较好时,Hash查询效率比 trie 更优
[知乎这里](http://www.zhihu.com/question/27168319)有个问题:`10万个串找给定的串是否存在`, 对trie和hash两种方案给出了讨论。
[DATrie](https://github.com/kmike/datrie) 是使用python实现的双数组trie树, 双数组可以减少内存的使用量 。有关 double-array trie,可以参考[这篇论文](http://linux.thai.net/~thep/datrie/datrie.html)
### trie应用
典型应用是:前缀查询,字符串查询,排序
* 用于统计,排序和保存大量的字符串(但不仅限于字符串)
* 经常被搜索引擎系统用于文本词频统计
* 排序大量字符串
* 用于索引结构
* 敏感词过滤
### 实际应用问题
1. 给你100000个长度不超过10的单词。对于每一个单词,我们要判断他出没出现过,如果出现了,求第一次出现在第几个位置
分析思路一:trie树 ,找到这个字符串查询操作就可以了,如何知道出现的第一个位置呢?我们可以在trie树中加一个字段来记录当前字符串第一次出现的位置。
2. 已知n个由小写字母构成的平均长度为10的单词,判断其中是否存在某个串为另一个串的前缀子串
3. 给出N 个单词组成的熟词表,以及一篇全用小写英文书写的文章,请你按最早出现的顺序写出所有不在熟词表中的生词。
分析:trie树查询单词的应用。先建立N个熟词的前缀树,然后按文章的单词一次查询。
4. 给出一个词典,其中的单词为不良单词。单词均为小写字母。再给出一段文本,文本的每一行也由小写字母构成。判断文本中是否含有任何不良单词。例如,若rob是不良单词,那么文本problem含有不良单词。
分析:先用不良单词建立trie树,然后过滤文本(每个单词都在trie树上查询,查询的复杂度O(1),效率非常高),这正是`敏感词过滤系统(或垃圾评论系统)`的原理。
5. 给你N 个互不相同的仅由一个单词构成的英文名,让你将它们按字典序从小到大排序输出
分析:这是trie树排序的典型应用,建立N个单词的trie树,然后线序遍历整个树,就可以达到效果。
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View File
@@ -0,0 +1,49 @@
## 赫夫曼编码 Huffman
这是一个经典的压缩算法。通过`字符出现的频率`,`优先级`,`二叉树`进行的压缩算法。
对一个字符串,计算每个字符出现的次数,把这些字符放到优先队列(priority queue)
这这个priority queue转出二叉树
需要一个字符编码表来解码,通过二叉树建立huffman编码和解码的字典表
原始串:
二级制编码:
huffman编码:
###存储结构和基本操作
```
struct node{
char *huffCode; // 叶子节点的huff编码
int weight;
struct node *left,right;
}
```
###构建赫夫曼树
原则:出现频率越多的会在越上层,编码也越短,出现频率越少的在越下层,编码也越长。
不存在某一个编码是另一个编码的前缀,字符都在叶节点上,所以不会存在一个编码是另一个编码的前缀
二叉树每个节点要么是叶子节点,要么是双分支节点(且左分支编码为0,右分支编码为1)
###压缩
1. 扫描输入文件,统计各个字符出现的次数,对结构排序 (hash统计每个字符出现的次数)
2. 根据排序结构,构建赫夫曼树 (贪心策略,每次选频率值最低的2个节点合并,需要优先队列帮组(priority queue,又叫最小堆))
3. 对树进行遍历(左分支编码为0,右分支编码为1),得到各个字符的huffman编码,存到hash表中(这个就是编解码表,也可直接存储到节点中,如上面的char *huffCode)
4. 重新对文件扫描,根据hash表进行压缩
压缩的文件为了能够解压缩,需要一个文件头,用来重建赫夫曼树,包括:
被编码的文本长度 unsigned int size
字符频率表 unsigned char freqs[NUM_CHARS]
###解压缩
1. 读取文件头
2. 遍历编码后的bits,从赫夫曼树的根节点出发,遇到0,进入左子树,遇到1进入右子树,直到叶节点
+1 -1
View File
@@ -18,7 +18,7 @@
```
typedef int Value
typedef struct Entry{
struct Entry *next,prev;
struct Entry *next,*prev;
Value value;
}DoubleLink;