第四周下:Symbol Tables

1. Symbol tables

  1. Symbol tables:插入键值对;给定一个key,可以搜索对应的value

  2. Conventions:

    • value不会是null
    • get() 返回null,如果key不存在
    • put() 重写旧的value,如果同一个key有一个新的value
  3. Binary search

    public Value get(Key key){
      if(isEmpty()){
        return null;
      }
      int i = rank(key);
      if(i < n && keys[i].compareTo(key) == 0){
        return vals[i];
      }else{
        return null;
      }
    }
    
    private int rank(Key key){
      int lo = 0, hi = n-1;
      while(lo <= hi){
        int mid = (lo + hi) / 2;
        int cmp = key.compareTo(keys[mid]);
        if(cmp < 0){
          hi = mid -1;
        }else if(cmp > 0){
          lo = mid + 1;
        }else{ // cmp == 0
          return mid;
        }
      }
      return lo;
    }
    

2. Binary search trees

  1. 定义(BST):对称排序的二叉树

    • 每个节点Node都有一个键值Key, 每个Key都比它左边的subtree大,比它右边的subtree小
    • Node:有一个key,一个value,两个引用指向left和right的subtree
    • Search: 如果比节点小,向左比;如果比节点大,向右比;一样大,search hit
    • Deletion:
      • 删除最小的:向左找,直到找到一个node,它的left-link是null(说明这个node是本tree最小),然后用这个node的right-link代替它,最后update数目
      • 普通删除:
        • 0 child:这个node的parent-link直接用null代替
        • 1 child:这个node的parent-link与它的child相连
        • 2 children:找的这个node的右边subtree的最小值,将这个最小值作为继承者,然后删除这个最小值
  2. BST performance:

    • N个独立不同的的Key以随机的顺序插入BST, 期望的compares( for a search/insert):~ 2 ln N.

      implemen guarantee average ordered ops? operations on keys
      sequential search (unordered list) Search: N
      insert: N
      delete: N
      Search: N/2
      insert: N
      delete: N/2
      No equals()
      binary search (ordered array) Search: lgN
      insert: N
      delete: N
      Search: lgN
      insert: N/2
      delete: N/2
      Yes compareTo()
      BST Search: N
      insert: N
      delete: N
      Search: 1.39lgN
      insert: 1.39lgN
      delete: \sqrt N
      Yes compareTo()
  1. BST implementation

    public class BST<Key extends Comparable<Key>, Value>{
       private Node root; // root of BST
    
       private class Node{
          private Key key;
          private Value val;
          private Node left;
          private Node right;
          private int count;
    
          public Node(Key key, Value val){
             this.key = key;
             this.val = val;
          }
       }
    
       // 寻找key,如有,重置value;若没有,添加新的node
       // 根据相应的Key返回相应的value,若没有这个key,返回null
       public void put(Key key, Value val){
          root = put(root, key, val);
       }
    
       private Node put(Node x, Key key, Value val){
          if(x == null){
             return new Node(key, val);
          }
          int cmp = key.compareTo(x.key);
          if(cmp < 0){
             x.left = put(x.left, key, val);
          }else if(cmp > 0){
             x.right = put(x.right, key, val);
          }else{ // cmp == 0
             x.val = val;
          }
          x.count = 1 + size(x.left) + size(x.right);
          return x;
       }
    
       // 根据相应的Key返回相应的value,若没有这个key,返回null
       // cost: #compares = 1 + depth of node
       public Value get(Key key){ 
          Node x = root;
          while(x != null){
             int cmp = key.compareTo(x.key);
             if(cmp < 0){
                x = x.left;
             }else if(cmp > 0){
                x = x.right;
             }else{ // cmp == 0
                return x.val;
             }
          }
          return null;
       }
    
       // 返回小于给定key的最大的key
       public Key floor(Key key){
          Node x = floor(root, key);
          if(x == null){
             return null;
          }
          return x.key;
       }
    
       private Node floor(Node x, Key key){
          if(x == null){
             return null;
          }
          int cmp = key.compareTo(x.key);
          if(cmp == 0){ // floor 就是这个key自己
             return x;
          }
          if(cmp < 0){ // 给定的key比root的key小,说明这个key的floor一定在root的left subtree
             return floor(x.left, key);
          }
          // cmp > 0, 可能这个root就是我的floor,也可能在这个root的right subtree有我的floor
          Node t = floor(x.right, key);
          if(t != null){
             return t;
          }else{
             return x;
          }
    
       }
    
       // 一共有几key
       public int size(){
          return size(root);
       }
    
       private int size(Node x){
          if(x == null){
             return 0;
          }
          return x.count;
       }
    
       // 一共有几个小于给定key的keys
       public int rank(Key key){
          return rank(key, root);
       }
    
       private int rank(Key key, Node x){
          if (x == null){
             return 0
          }
          int cmp = key.compareTo(x.key);
          if(cmp < 0){
             return rank(key, x.left);
          }else if(cmp > 0){
             return 1 + size(x.left) + rank(key, x.right);
          }else{ // cmp == 0
             return size(x.left);
          }
       }
    
       public void deletMin(){
          root = deleteMin(root);
       }
    
       private Node deleteMin(Node x){
          if(x.left == null){
             return x.right;
          }
          x.left = deleteMin(x.left);
          x.count = 1 + size(x.left) + size(x.right);
          return x;
       }
    
       public void delete(Key key){
          root = delete(root, key);
       }
    
       private Node delete(Node x, Key key){
          if(x == null){
             return null;
          }
          int cmp = key.compareTo(x.key);
          // search for key
          if(cmp < 0){
             x.left = delete(x.left, key);
          }else if(cmp > 0){
             x.right = delete(x.right, key);
          }else{
             if(x.right == null){
                return x.left; // no right child
             }
             if(x.left == null){
                return x.right; // no left child
             }
    
             // replace with successor
             Node t = x;
             x = min(t.right);
             x.right = deleteMin(t.right);
             x.left = t.left;
          }
          x.count = size(x.left) + size(x.right) + 1;
          return x;
       }
       
       // inorder traversal
       public Iterable<Key> keys(){
          Queue<key> q = new Queue<Key>();
          inorder(root, q);
          return q;
       }
    
       private void inorder(Node x, Queue<Key> q){
          if(x == null){
             return;
          }
          inorder(x.left, q);
          q.enqueue(x.key);
          inorder(x.right, q);
       }
    }
    
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