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#yyds干货盘点# leetcode算法题:二叉搜索树中第K小的元素

发布时间:2022-09-21 19:42:59 217

题目:

给定一个二叉搜索树的根节点 root ,和一个整数 k ,请你设计一个算法查找其中第 k 个最小元素(从 1 开始计数)。

示例 1:

输入:root = [3,1,4,null,2], k = 1

输出:1

示例 2:

输入:root = [5,3,6,2,4,null,null,1], k = 3

输出:3

代码实现:

class Solution {
public int kthSmallest(TreeNode root, int k) {
// 中序遍历生成数值列表
List inorderList = new ArrayList();
inorder(root, inorderList);

// 构造平衡二叉搜索树
AVL avl = new AVL(inorderList);

// 模拟1000次插入和删除操作
int[] randomNums = new int[1000];
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
randomNums[i] = random.nextInt(10001);
avl.insert(randomNums[i]);
}
shuffle(randomNums); // 列表乱序
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
avl.delete(randomNums[i]);
}

return avl.kthSmallest(k);
}

private void inorder(TreeNode node, List inorderList) {
if (node.left != null) {
inorder(node.left, inorderList);
}
inorderList.add(node.val);
if (node.right != null) {
inorder(node.right, inorderList);
}
}

private void shuffle(int[] arr) {
Random random = new Random();
int length = arr.length;
for (int i = 0; i < length; i++) {
int randIndex = random.nextInt(length);
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[randIndex];
arr[randIndex] = temp;
}
}
}

// 平衡二叉搜索树(AVL树):允许重复值
class AVL {
Node root;

// 平衡二叉搜索树结点
class Node {
int val;
Node parent;
Node left;
Node right;
int size;
int height;

public Node(int val) {
this(val, null);
}

public Node(int val, Node parent) {
this(val, parent, null, null);
}

public Node(int val, Node parent, Node left, Node right) {
this.val = val;
this.parent = parent;
this.left = left;
this.right = right;
this.height = 0; // 结点高度:以node为根节点的子树的高度(高度定义:叶结点的高度是0)
this.size = 1; // 结点元素数:以node为根节点的子树的节点总数
}
}

public AVL(List vals) {
if (vals != null) {
this.root = build(vals, 0, vals.size() - 1, null);
}
}

// 根据vals[l:r]构造平衡二叉搜索树 -> 返回根结点
private Node build(List vals, int l, int r, Node parent) {
int m = (l + r) >> 1;
Node node = new Node(vals.get(m), parent);
if (l <= m - 1) {
node.left = build(vals, l, m - 1, node);
}
if (m + 1 <= r) {
node.right = build(vals, m + 1, r, node);
}
recompute(node);
return node;
}

// 返回二叉搜索树中第k小的元素
public int kthSmallest(int k) {
Node node = root;
while (node != null) {
int left = getSize(node.left);
if (left < k - 1) {
node = node.right;
k -= left + 1;
} else if (left == k - 1) {
break;
} else {
node = node.left;
}
}
return node.val;
}

public void insert(int v) {
if (root == null) {
root = new Node(v);
} else {
// 计算新结点的添加位置
Node node = subtreeSearch(root, v);
boolean isAddLeft = v <= node.val; // 是否将新结点添加到node的左子结点
if (node.val == v) { // 如果值为v的结点已存在
if (node.left != null) { // 值为v的结点存在左子结点,则添加到其左子树的最右侧
node = subtreeLast(node.left);
isAddLeft = false;
} else { // 值为v的结点不存在左子结点,则添加到其左子结点
isAddLeft = true;
}
}

// 添加新结点
Node leaf = new Node(v, node);
if (isAddLeft) {
node.left = leaf;
} else {
node.right = leaf;
}

rebalance(leaf);
}
}

// 删除值为v的结点 -> 返回是否成功删除结点
public boolean delete(int v) {
if (root == null) {
return false;
}

Node node = subtreeSearch(root, v);
if (node.val != v) { // 没有找到需要删除的结点
return false;
}

// 处理当前结点既有左子树也有右子树的情况
// 若左子树比右子树高度低,则将当前结点替换为右子树最左侧的结点,并移除右子树最左侧的结点
// 若右子树比左子树高度低,则将当前结点替换为左子树最右侧的结点,并移除左子树最右侧的结点
if (node.left != null && node.right != null) {
Node replacement = null;
if (node.left.height <= node.right.height) {
replacement = subtreeFirst(node.right);
} else {
replacement = subtreeLast(node.left);
}
node.val = replacement.val;
node = replacement;
}

Node parent = node.parent;
delete(node);
rebalance(parent);
return true;
}

// 删除结点p并用它的子结点代替它,结点p至多只能有1个子结点
private void delete(Node node) {
if (node.left != null && node.right != null) {
return;
// throw new Exception("Node has two children");
}
Node child = node.left != null ? node.left : node.right;
if (child != null) {
child.parent = node.parent;
}
if (node == root) {
root = child;
} else {
Node parent = node.parent;
if (node == parent.left) {
parent.left = child;
} else {
parent.right = child;
}
}
node.parent = node;
}

// 在以node为根结点的子树中搜索值为v的结点,如果没有值为v的结点,则返回值为v的结点应该在的位置的父结点
private Node subtreeSearch(Node node, int v) {
if (node.val < v && node.right != null) {
return subtreeSearch(node.right, v);
} else if (node.val > v && node.left != null) {
return subtreeSearch(node.left, v);
} else {
return node;
}
}

// 重新计算node结点的高度和元素数
private void recompute(Node node) {
node.height = 1 + Math.max(getHeight(node.left), getHeight(node.right));
node.size = 1 + getSize(node.left) + getSize(node.right);
}

// 从node结点开始(含node结点)逐个向上重新平衡二叉树,并更新结点高度和元素数
private void rebalance(Node node) {
while (node != null) {
int oldHeight = node.height, oldSize = node.size;
if (!isBalanced(node)) {
node = restructure(tallGrandchild(node));
recompute(node.left);
recompute(node.right);
}
recompute(node);
if (node.height == oldHeight && node.size == oldSize) {
node = null; // 如果结点高度和元素数都没有变化则不需要再继续向上调整
} else {
node = node.parent;
}
}
}

// 判断node结点是否平衡
private boolean isBalanced(Node node) {
return Math.abs(getHeight(node.left) - getHeight(node.right)) <= 1;
}

// 获取node结点更高的子树
private Node tallChild(Node node) {
if (getHeight(node.left) > getHeight(node.right)) {
return node.left;
} else {
return node.right;
}
}

// 获取node结点更高的子树中的更高的子树
private Node tallGrandchild(Node node) {
Node child = tallChild(node);
return tallChild(child);
}

// 重新连接父结点和子结点(子结点允许为空)
private static void relink(Node parent, Node child, boolean isLeft) {
if (isLeft) {
parent.left = child;
} else {
parent.right = child;
}
if (child != null) {
child.parent = parent;
}
}

// 旋转操作
private void rotate(Node node) {
Node parent = node.parent;
Node grandparent = parent.parent;
if (grandparent == null) {
root = node;
node.parent = null;
} else {
relink(grandparent, node, parent == grandparent.left);
}

if (node == parent.left) {
relink(parent, node.right, true);
relink(node, parent, false);
} else {
relink(parent, node.left, false);
relink(node, parent, true);
}
}

// trinode操作
private Node restructure(Node node) {
Node parent = node.parent;
Node grandparent = parent.parent;

if ((node == parent.right) == (parent == grandparent.right)) { // 处理需要一次旋转的情况
rotate(parent);
return parent;
} else { // 处理需要两次旋转的情况:第1次旋转后即成为需要一次旋转的情况
rotate(node);
rotate(node);
return node;
}
}

// 返回以node为根结点的子树的第1个元素
private static Node subtreeFirst(Node node) {
while (node.left != null) {
node = node.left;
}
return node;
}

// 返回以node为根结点的子树的最后1个元素
private static Node subtreeLast(Node node) {
while (node.right != null) {
node = node.right;
}
return node;
}

// 获取以node为根结点的子树的高度
private static int getHeight(Node node) {
return node != null ? node.height : 0;
}

// 获取以node为根结点的子树的结点数
private static int getSize(Node node) {
return node != null ? node.size : 0;
}
}

 

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