14.Java實現二分搜索樹

package com.cl.set;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

/**
 * 二分搜索樹
 * @param <E>
 */
public class BST<E extends Comparable<E>>{
    private class Node{
        private E e;
        private Node left,right;
        public Node(E e){
            this.e = e;
            this.left = this.right=null;
        }
    }

    private Node root;
    private int size;
    public BST() {
        root = null;
        size = 0;
    }

    public int size(){
        return size;
    }

    public boolean isEmpty(){
        return size==0;
    }

    /**
     * 二分搜索樹裏插入元素，不包含重複元素
     * @param e
     */
    public void addNonrRecursion(E e){
        Node cur = root,parent = null;
        while(cur!=null){
            parent=cur;
            if(cur.e.compareTo(e)<0){
                cur=cur.right;
            }else if(cur.e.compareTo(e)>0){
                cur=cur.left;
            }else{
                break;
            }
        }
        //結點存在
        if(cur!=null)
            return ;

        size++;
        cur= new Node(e);
        if(root==null){
            root=cur;
            return ;
        }
        if(parent.e.compareTo(e)>0){
            parent.left=cur;
        }else{
            parent.right=cur;
        }
    }

    public void add(E e){
       root =  add(root,e);
    }

    /**遞歸
     * 向以node爲根節點的樹插入元素e
     * @param node
     * @param e
     * @return:返回插入新結點後二分搜索樹的根
     */
    private Node add(Node node,E e){
        if(node==null){
            size++;
            return new Node(e);
        }
        //遞歸調用
        if(e.compareTo(node.e)<0)
            node.left=add(node.left,e);
        else if(e.compareTo(node.e)>0){
            node.right=add(node.right,e);
        }
        return node;
    }

    public boolean contains(E e){
        return contains(root,e);
    }

    /**
     * 以node爲根的結點是否包含元素
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private boolean contains(Node node,E e){
        if(node == null)
            return false;
        if(node.e.compareTo(e)==0){
            return true;
        }else if(e.compareTo(node.e)<0){
            return contains(node.left,e);
        }else{
            return contains(node.right,e);
        }
    }

    public void preOder(){
        preOrder(root);
    }

    /**
     * 以node爲根的結點前序遍歷
     * @param node
     */
    private void preOrder(Node node) {
      /*  if(node==null){
            return ;
        }*/
        if(node!=null) {
            System.out.println(node.e);
            preOrder(node.left);
            preOrder(node.right);
        }
    }

    public int getSize() {
        return size;
    }

    /**
     * 中序遍歷：結果是順序的
     */
     public  void inOrder(){
        inOrder(root);
    }

    /**
     * 中序遍歷node爲根的數
     * @param node
     */
    private void inOrder(Node node) {
        if(node!=null) {
            inOrder(node.left);
            System.out.println(node.e);
            inOrder(node.right);
        }
    }

    /**
     * 後續遍歷
     */
    public void postOrder(){
        postOrder(root);
    }

    private void postOrder(Node node) {
        if(node!=null) {
            postOrder(node.left);
            postOrder(node.right);
            System.out.println(node.e);
        }
    }

    /**
     * 層序遍歷
     */
    public void levelOrder(){
        Queue<Node> queue = new LinkedList<Node>();
        queue.add(root);
        while(!queue.isEmpty()){
            Node cur = queue.remove();
            System.out.println(cur.e);
            if(cur.left!=null){
                queue.add(cur.left);
            }
            if(cur.right!=null){
                queue.add(cur.right);
            }
        }
    }

    /**
     * 返回BST最小的結點值
     * @return
     */
    public E minmum(){
        if(size==0){
            throw new IllegalArgumentException("BST is empty");
        }
       return minmum(root).e;
    }

    /**
     * 找以node爲根的樹的最小結點
     * @param node
     * @return 返回最小的結點
     */
    private Node minmum(Node node) {
        if(node.left==null){
            return node;
        }
        return minmum(node.left);
    }

    /**
     * 返回BST最大結點的值
     * @return
     */
    public E maxmum(){
        if(size==0){
            throw new IllegalArgumentException("BST is empty");
        }
        return maxmum(root).e;
    }

    /**返回以node爲根的最大的結點
     *
     * @param node
     * @return
     */
    private Node maxmum(Node node) {
        if(node.right==null){
            return node;
        }
        return maxmum(node.right);
    }
    /**
     * 刪除最小值並返回

   * @return
     */
    public E removeMin(){
        E e = minmum();

        //刪除後的結果重新賦值給root
        root = removeMin(root);
        return e;
    }

    /**
     * 刪除以node爲根節點的樹的最小節點
     * @param node
     * @return：返回刪除後的子樹的根
     */
    private Node removeMin(Node node) {
        if(node.left==null){//找到最小值的結點
            Node rigthNode = node.right;//null或者非空
            node.right=null;
            size--;
            return rigthNode;
        }
        node.left = removeMin(node.left);
        return node;

    }

    /**
     * 刪除BST最大值
     * @return
     */
    public E removeMax(){
        E e = maxmum();
        root = removeMax(root);
        return e;
    }


    /**
     * 刪除以node爲根的子樹的最大值
     * @param node
     * @return，返回刪除後的樹的根結點
     */
    private Node removeMax(Node node) {
        if(node.right==null){
            Node nodeLeft = node.left;
            node.left=null;
            size--;
            return nodeLeft;
        }
        node.right = removeMax(node.right);
        return node;
    }

    /**
     * (通過被刪除結點的後繼s,取代被刪除結點的方式)刪除任意一個結點e
     * @param e
     */
    public void removeBySuccessor(E e){
        root = removeBySuccessor(root,e);
    }

    /**
     * 通過被刪除結點的後繼s,取代被刪除結點的方式，刪除以node爲根的樹中e結點
     * @param node
     * @param e
     * @return：返回刪除後的樹的根
     */
    private Node removeBySuccessor(Node node, E e) {
        //沒找到
        if(node==null){
            return null;
        }

        if(e.compareTo(node.e)<0){
            node.left = removeBySuccessor(node.left,e);
            return node;
        }else if(e.compareTo(node.e)>0){
            node.right=removeBySuccessor(node.right,e);
            return node;
        }else {//e==node.e,找到刪除的結點
            //左子樹空
            if(node.left==null){
                Node rightNoe = node.right;
                node.right=null;
                size--;
                return rightNoe;
            }else if(node.right==null){//右子樹空
                Node leftNode = node.left;
                node.left=null;
                size--;
                return leftNode;
            }else{//都不空
                //找到比待刪除結點的右子樹中最小的結點
                //用這個結點刪除待刪除的結點
                Node successor = minmum(node.right);
                //removeMin裏有一次size--
                successor.right = removeMin(node.right);
                successor.left = node.left;
                node.left=node.right=null;
                return successor;
            }
        }
    }

    /**
     * （通過被刪除結點的前驅,取代被刪除結點的方式）刪除結點e
     * @param e
     */
    public void removeByPredicessor(E e){
        root = removeByPredicessor(root,e);

    }

    /**
     * 通過被刪除結點的前驅,取代被刪除結點的方式，刪除以node爲根的結點樹中的e
     * @param node
     * @param e
     * @return:刪除結點以後的樹根
     */
    private Node removeByPredicessor(Node node, E e) {
        if(node==null){
            return null;
        }

        if(e.compareTo(node.e)<0){
            node.left = removeByPredicessor(node.left,e);
            return  node;
        }else if(e.compareTo(node.e)>0){
            node.right = removeByPredicessor(node.right,e);
            return node;
        }else{
            if(node.left==null){
                Node right = node.right;
                node.right=null;
                size--;
                return right;
            }else if(node.right==null){
                Node left = node.left;
                node.left=null;
                size--;
                return left;
            }else {
                Node prediccessor = maxmum(node.left);
                prediccessor.left = removeMax(node.left);
                prediccessor.right = node.right;
                node.left = node.right = null;
                return prediccessor;
            }
        }
    }

    /**
     * 尋找e的最大下限
     * @param e
     * @return
     */
    public E floor(E e){
        return floor(root,e);

    }

    /**
     * 以node爲根的樹中尋找其最大下限
     * @param node
     * @param e
     * @return 返回最大下限的值
     */
    private E floor(Node node, E e) {
        if(node==null||e.compareTo(minmum(node).e)<0){
            return null;
        }
        if(node.e.compareTo(e)==0)
            return node.e;
        else if(e.compareTo(node.e)<0){
            return floor(node.left,e);
        }else{
            E temp = floor(node.right,e);
            if(temp!=null){
                return temp;
            }else{
                return node.e;
            }
        }

    }

    /**
     * 找e的最小上限
     * @param e
     * @return
     */
    public E ceil(E e){
        return ceil(root,e);
    }

    /**
     * 返回以node爲根的樹中，e的最小上限
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private E ceil(Node node, E e) {
        if(node==null||e.compareTo(maxmum(node).e)>0)
            return null;
        //相等，找到最小上限
        if(node.e.compareTo(e)==0)
            return node.e;
        //node的值比e小，e的上限在node的右子樹
        else if(e.compareTo(node.e)>0){
            return ceil(node.right,e);
        }else{//node的值比e大，e的最小上限是node.e或者其左子樹中有比node.e小，且大於e的結點
            E temp = ceil(node.left,e);
            if(temp==null)
                return node.e;
            return temp;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder ret = new StringBuilder();
        generateBSTString(root,0,ret);
        return ret.toString();
    }

    /**
     * 生成以node爲根節點，深度爲depth的描述二叉樹的字符串 ret
     * @param node
     * @param depth
     * @param ret
     */
    private void generateBSTString(Node node, int depth, StringBuilder ret) {
        if(node==null){
            ret.append(generateDepthString(depth)+"null\n");
            return ;
        }
        ret.append(generateDepthString(depth)+node.e+"\n");
        generateBSTString(node.left,depth+1,ret);
        generateBSTString(node.right,depth+1,ret);
    }

    private String generateDepthString(int depth) {
        StringBuilder ret = new StringBuilder();
        for(int i=0;i<depth;i++){
            ret.append("--");
        }
        return ret.toString();
    }
}