二叉查找树(5) - 判断一棵二叉树是否为BST
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1.左右孩子递归检查
2.左右子树递归
3.限定值范围递归
4.使用中序遍历
在本系列的第一篇文章中,已经介绍过了二叉查找树(BST)的一些性质:
节点的左子树中任意节点值小于根节点
节点的右子树中任意节点值大于根节点
左右子树都必须是二叉查找树,不允许存在重复节点
基于上面的这些性质,自然的就得到了这种判断方式:树中的每个节点都有一个特定的值。
假设树的节点定义为:
struct Node {int key;Node* left;Node* right;
};
1.左右孩子递归检查
对于每个节点,检测它的左孩子节点是否小于它,且右孩子节点是否大于它。
bool isBST(Node* node) {if (node == NULL)return true;//如果左孩子大于根节点,则不是BSTif (node->left != NULL && node->left->key > node->key)return false;//如果右孩子节点小于根节点,则不是BSTif (node->right != NULL && node->right->key < node->key)return false;//递归的判断if (!isBST(node->left) || !isBST(node->right))return false;//检测完毕,所有条件通过,则是BSTreturn true;
}
此方法虽然实现简单,但是,却是错误的。如下面例子所示,节点4处于根节点3的左子树中,但是函数检测到这棵树是BST。
3
/ \
2 5
/ \
1 4
2.左右子树递归
对于每个节点,检测左子树中的最大值是否比它小,而右子树的最小值比它大。
//如果是BST,则返回true
bool isBST(Node* node) {if (node == NULL)return true;//如果左子树最大值大于根节点,则返回falseif (node->left != NULL && maxValue(node->left) > node->key)return false;//如果右子树最小值小于根节点,则返回falseif (node->right != NULL && minValue(node->right) < node->key)return false;//递归判断if (!isBST(node->left) || !isBST(node->right))return(false);//所有检测都通过,是BSTreturn true;
}
其中,maxValue以及minValue函数,分别返回一颗非空树中的最大值和最小值。
此方法虽然正确,但是效率比较低,会多次重复的遍历树中的众多节点。
3.限定值范围递归
方法2因为要重复的遍历树中的部分数据,效率比较低,更好的方案是每个节点只遍历一次。
方法3的巧妙之处在于限定了子树中节点值的范围,从而每个节点只需访问一次。节点值的初始范围可限定为INT_MIN以及INT_MAX。
//判断是否为BST
bool isBST(Node* node)
{return(isBSTUtil(node, INT_MIN, INT_MAX));
}
//如果是一颗二叉查找树,且值范围在[min,max],则返回true
bool isBSTUtil(Node* node, int min, int max)
代码实现如下。
#include <iostream>struct Node {int key;Node* left;Node* right;
};bool isBSTUtil(Node* node, int min, int max);//判断是否为BST
bool isBST(Node* node) {return(isBSTUtil(node, INT_MIN, INT_MAX));
}//如果是一颗二叉查找树,且值范围在[min, max],则返回true
bool isBSTUtil(Node* node, int min, int max) {//空树也是BSTif (node == NULL)return true;//如果节点值违反了最大/最小约束条件,则不是BSTif (node->key < min || node->key > max)return false;//递归检查子树return isBSTUtil(node->left, min, node->key - 1) &&isBSTUtil(node->right, node->key + 1, max);
}// 创建一个新的BST节点
Node* createNewNode(int item) {Node* temp = new Node;temp->key = item;temp->left = temp->right = NULL;return temp;
}int main() {/* tree1的定义4/ \2 5/ \1 3*/Node* root = createNewNode(4);root->left = createNewNode(2);root->right = createNewNode(5);root->left->left = createNewNode(1);root->left->right = createNewNode(3);if (isBST(root))std::cout << "tree1 is BST\n";elsestd::cout << "tree1 is not BST\n";/* tree2的定义4/ \2 5/ /1 3*/root = createNewNode(4);root->left = createNewNode(2);root->left->left = createNewNode(1);root->right = createNewNode(5);root->right->left = createNewNode(3);if (isBST(root))std::cout << "tree2 is BST\n";elsestd::cout << "tree2 is not BST\n";return 0;
}
运行结果:
tree1 is BST
tree2 is not BST
时间复杂度:O(n)
辅助空间:如果不考虑函数调用栈的大小,则为O(1), 否则为O(n)
4.使用中序遍历
1) 对树进行中序遍历,将结果保存在temp数组中。
3) 检测temp数组中元素是否为升序排列。如果是,则这棵树为BST。
时间复杂度:O(n)
方法4还可以进一步的优化,我们可以避免使用这个额外的数组。在中序遍历时,可以保存前驱节点,如果当前节点小于前驱节点,则这棵树不是BST。
#include <iostream>struct Node {int key;Node* left;Node* right;
};//判断是否为BST
bool isBST(Node* root) {static Node* prev = NULL;// 中序遍历这棵树,并保存前驱节点至prev中if (root) {if (!isBST(root->left))return false;// 检测节点值的合法性if (prev != NULL && root->key <= prev->key)return false;prev = root;//右子树return isBST(root->right);}return true;
}// 创建一个新的BST节点
Node* createNewNode(int item) {Node* temp = new Node;temp->key = item;temp->left = temp->right = NULL;return temp;
}int main() {/* tree1的定义4/ \2 5/ \1 3*/Node* root = createNewNode(4);root->left = createNewNode(2);root->right = createNewNode(5);root->left->left = createNewNode(1);root->left->right = createNewNode(3);if (isBST(root))std::cout << "tree1 is BST\n";elsestd::cout << "tree1 is not BST\n";/* tree2的定义4/ \2 5/ /1 3*/root = createNewNode(4);root->left = createNewNode(2);root->left->left = createNewNode(1);root->right = createNewNode(5);root->right->left = createNewNode(3);if (isBST(root))std::cout << "tree2 is BST\n";elsestd::cout << "tree2 is not BST\n";return 0;
}
运行结果:
tree1 is BST
tree2 is not BST
更多参考:
http://en.wikipedia.org/wiki/Binary_search_tree
http://cslibrary.stanford.edu/110/BinaryTrees.html
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