Сортировка с помощью двоичного дерева

Сортировка с помощью двоичного дерева (сортировка двоичным деревом, сортировка деревом, древесная сортировка, сортировка с помощью бинарного дерева, англ. tree sort) — универсальный алгоритм сортировки, заключающийся в построении двоичного дерева поиска по ключам массива (списка), с последующей сборкой результирующего массива путём обхода узлов построенного дерева в необходимом порядке следования ключей. Данная сортировка является оптимальной при получении данных путём непосредственного чтения из потока (например, файла, сокета или консоли).

Пример двоичного дерева

АлгоритмПравить

Построение двоичного дерева.
Сборка результирующего массива путём обхода узлов в необходимом порядке следования ключей.

ЭффективностьПравить

Процедура добавления объекта в бинарное дерево имеет среднюю алгоритмическую сложность порядка $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(log(n))$ . Соответственно, для n объектов сложность будет составлять $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(n\,log(n))$ , что относит сортировку с помощью двоичного дерева к группе «быстрых сортировок». Однако, сложность добавления объекта в разбалансированное дерево может достигать $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(n)$ , что может привести к общей сложности порядка $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(n^{2})$ .

При физическом развёртывании древовидной структуры в памяти требуется не менее чем $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $4n$ ячеек дополнительной памяти (каждый узел должен содержать ссылки на элемент исходного массива, на родительский элемент, на левый и правый лист), однако, существуют способы уменьшить требуемую дополнительную память.

Примеры реализацииПравить

В простой форме функционального программирования на Haskell данный алгоритм будет выглядеть так:

data Tree a = Leaf | Node (Tree a) a (Tree a)

insert :: Ord a => a -> Tree a -> Tree a
insert x Leaf = Node Leaf x Leaf
insert x (Node t y t') | x <= y = Node (insert x t) y t'
insert x (Node t y t') | x > y = Node t y (insert x t')

flatten :: Tree a -> [a]
flatten Leaf = []
flatten (Node t x t') = flatten t ++ [x] ++ flatten t'

treesort :: Ord a => [a] -> [a]
treesort = flatten . foldr insert Leaf

Реализация на C++14:

#include <memory>
#include <cassert>
#include <algorithm>

#include <vector>
#include <iostream>

using namespace std;

// класс, представляющий бинарное дерево
class BinaryTree
{
protected:
  // узел бинарного дерева
  struct BinaryTreeNode
  {
    shared_ptr<BinaryTreeNode> left, right; // левое и правое поддерево
    int key; // ключ
  };

  shared_ptr<BinaryTreeNode> m_root; // корень дерева
  
protected:
  // рекурсивная процедура вставки ключа
  // cur_node - текущий узел дерева, с которым сравнивается вставляемый узел
  // node_to_insert - вставляемый узел
  void insert_recursive(const shared_ptr<BinaryTreeNode>& cur_node, const shared_ptr<BinaryTreeNode>& node_to_insert)
  {
      assert(cur_node != nullptr);
      // сравнение
      bool insertIsLess = node_to_insert->key < cur_node->key;
      if(insertIsLess)
      {
        // вставка в левое поддерево
        if(cur_node->left == nullptr)
          cur_node->left = node_to_insert;
        else
          insert_recursive(cur_node->left, node_to_insert);
      }
      else
      {
        // вставка в правое поддерево
        if(cur_node->right == nullptr)
          cur_node->right = node_to_insert;
        else
          insert_recursive(cur_node->right, node_to_insert);
      }
  }

public:
  void insert(int key)
  {
    shared_ptr<BinaryTreeNode> node_to_insert(new BinaryTreeNode);
    node_to_insert->key = key;

    if(m_root == nullptr)
    {
        m_root = node_to_insert;
        return;
    }

    insert_recursive(m_root, node_to_insert);
  }

public:
  typedef function<void(int key)> Visitor;

protected:
  // рекурсивная процедура обхода дерева
  // cur_node - посещаемый в данный момент узел
  void visit_recursive(const shared_ptr<BinaryTreeNode>& cur_node, const Visitor& visitor)
  {
    assert(cur_node != nullptr);

    // сначала посещаем левое поддерево
    if(cur_node->left != nullptr)
      visit_recursive(cur_node->left, visitor);

    // посещаем текущий элемент
    visitor(cur_node->key);

    // посещаем правое поддерево
    if(cur_node->right != nullptr)
      visit_recursive(cur_node->right, visitor);
  }

public:
  void visit(const Visitor& visitor)
  {
    if(m_root == nullptr)
      return;
    visit_recursive(m_root, visitor);
  }
};

int main()
{
  BinaryTree tree;
  // добавление элементов в дерево
  vector<int> data_to_sort = {10, 2, 7, 3, 14, 7, 32};
  for(int value : data_to_sort)
  {
    tree.insert(value);
  }
  // обход дерева
  tree.visit([](int visited_key)
  {
    cout<<visited_key<<" ";
  });
  cout<<endl;

  // результат выполнения: 2 3 7 7 10 14 32
  return 0;
}

Полная реализация на C++11:

#include <algorithm>
#include <cstddef>
#include <utility>

template<typename T>
void tree_sort(T array[], std::size_t size) noexcept
{
    struct tree_t
    {
        tree_t(T &&_value = T())
        {
            left = right = nullptr;
            value = std::forward<T>(_value);
        }

        T* operator()(T array[])
        {
            if (this->left) array = this->left->operator()(array);
            *array++ = std::move(this->value);
            if (this->right) array = this->right->operator()(array);
            return array;
        }

        tree_t *left, *right;
        T value;
    } root(std::move(array[0]));

    for (std::size_t idx = 1; idx < size; idx++)
    {
        bool inserted = false;
        tree_t *p_root = &root;
        while (!inserted)
        {
            if (array[idx] < p_root->value)
            {
                if (p_root->left) p_root = p_root->left;
                else
                {
                    p_root->left = new tree_t(std::move(array[idx]));
                    inserted = true;
                }
            }
            else
            {
                if (p_root->right) p_root = p_root->right;
                else
                {
                    p_root->right = new tree_t(std::move(array[idx]));
                    inserted = true;
                }
            }
        }
    }

    root(array);
}

Пример создания бинарного дерева и сортировки на языке Java:

// Скомпилируйте и введите java TreeSort
class Tree {
   public Tree left;            // левое и правое поддеревья и ключ
   public Tree right;
   public int key;

   public Tree(int k) {        // конструктор с инициализацией ключа
      key = k;
   }

/*  insert (добавление нового поддерева (ключа))
    сравнить ключ добавляемого поддерева (К) с ключом корневого узла (X).
    Если K>=X, рекурсивно добавить новое дерево в правое поддерево.
    Если K<X, рекурсивно добавить новое дерево в левое поддерево.
    Если поддерева нет, то вставить на это место новое дерево
*/
   public void insert( Tree aTree) {
     if ( aTree.key < key )
        if ( left != null ) left.insert( aTree );
        else left = aTree;
     else
        if ( right != null ) right.insert( aTree );
        else right = aTree;
   }

/*  traverse (обход)
    Рекурсивно обойти левое поддерево.
    Применить функцию f (печать) к корневому узлу.
    Рекурсивно обойти правое поддерево.
*/
   public void traverse(TreeVisitor visitor) {
      if ( left != null) 
            left.traverse( visitor );

      visitor.visit(this);

      if ( right != null ) 
            right.traverse( visitor );
   }
}

interface TreeVisitor {
  public void visit(Tree node);
};

class KeyPrinter  implements TreeVisitor {
  public void visit(Tree node) {
      System.out.println( " " + node.key );
  }
};

class TreeSort {
  public static void main(String args[]) {
     Tree myTree;
     myTree = new Tree( 7 );       // создать дерево (с ключом)
     myTree.insert( new Tree( 5 ) );  // присоединять поддеревья
     myTree.insert( new Tree( 9 ) );
     myTree.traverse(new KeyPrinter());
  }
}

См. такжеПравить

Двоичное дерево поиска