hello-algo/codes/python/chapter_tree/binary_search_tree.py

"""
File: binary_search_tree.py
Created Time: 2022-12-20
Author: a16su (lpluls001@gmail.com)
"""

import sys
from pathlib import Path

sys.path.append(str(Path(__file__).parent.parent))
from modules import TreeNode, print_tree


class BinarySearchTree:
    """二叉搜索树"""

    def __init__(self):
        """构造方法"""
        # 初始化空树
        self._root = None

    def get_root(self) -> TreeNode | None:
        """获取二叉树根节点"""
        return self._root

    def search(self, num: int) -> TreeNode | None:
        """查找节点"""
        cur = self._root
        # 循环查找，越过叶节点后跳出
        while cur is not None:
            # 目标节点在 cur 的右子树中
            if cur.val < num:
                cur = cur.right
            # 目标节点在 cur 的左子树中
            elif cur.val > num:
                cur = cur.left
            # 找到目标节点，跳出循环
            else:
                break
        return cur

    def insert(self, num: int):
        """插入节点"""
        # 若树为空，则初始化根节点
        if self._root is None:
            self._root = TreeNode(num)
            return
        # 循环查找，越过叶节点后跳出
        cur, pre = self._root, None
        while cur is not None:
            # 找到重复节点，直接返回
            if cur.val == num:
                return
            pre = cur
            # 插入位置在 cur 的右子树中
            if cur.val < num:
                cur = cur.right
            # 插入位置在 cur 的左子树中
            else:
                cur = cur.left
        # 插入节点
        node = TreeNode(num)
        if pre.val < num:
            pre.right = node
        else:
            pre.left = node

    def remove(self, num: int):
        """删除节点"""
        # 若树为空，直接提前返回
        if self._root is None:
            return
        # 循环查找，越过叶节点后跳出
        cur, pre = self._root, None
        while cur is not None:
            # 找到待删除节点，跳出循环
            if cur.val == num:
                break
            pre = cur
            # 待删除节点在 cur 的右子树中
            if cur.val < num:
                cur = cur.right
            # 待删除节点在 cur 的左子树中
            else:
                cur = cur.left
        # 若无待删除节点，则直接返回
        if cur is None:
            return

        # 子节点数量 = 0 or 1
        if cur.left is None or cur.right is None:
            # 当子节点数量 = 0 / 1 时， child = null / 该子节点
            child = cur.left or cur.right
            # 删除节点 cur
            if cur != self._root:
                if pre.left == cur:
                    pre.left = child
                else:
                    pre.right = child
            else:
                # 若删除节点为根节点，则重新指定根节点
                self._root = child
        # 子节点数量 = 2
        else:
            # 获取中序遍历中 cur 的下一个节点
            tmp: TreeNode = cur.right
            while tmp.left is not None:
                tmp = tmp.left
            # 递归删除节点 tmp
            self.remove(tmp.val)
            # 用 tmp 覆盖 cur
            cur.val = tmp.val


"""Driver Code"""
if __name__ == "__main__":
    # 初始化二叉搜索树
    bst = BinarySearchTree()
    nums = [8, 4, 12, 2, 6, 10, 14, 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15]
    # 请注意，不同的插入顺序会生成不同的二叉树，该序列可以生成一个完美二叉树
    for num in nums:
        bst.insert(num)
    print("\n初始化的二叉树为\n")
    print_tree(bst.get_root())

    # 查找节点
    node = bst.search(7)
    print("\n查找到的节点对象为: {}，节点值 = {}".format(node, node.val))

    # 插入节点
    bst.insert(16)
    print("\n插入节点 16 后，二叉树为\n")
    print_tree(bst.get_root())

    # 删除节点
    bst.remove(1)
    print("\n删除节点 1 后，二叉树为\n")
    print_tree(bst.get_root())

    bst.remove(2)
    print("\n删除节点 2 后，二叉树为\n")
    print_tree(bst.get_root())

    bst.remove(4)
    print("\n删除节点 4 后，二叉树为\n")
    print_tree(bst.get_root())