代码: 兵马未动,粮草先行
作者: 传说中的汽水枪
如有错误,请留言指正,欢迎一起探讨.
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目录
一. 2-3-4树的定义
二. 2-3-4树数据结构定义
三. 2-3-4树的可以得到几个推论
四. 2-3-4树节点keys/subNodes相关方法定义与解释
五. 2-3-4树节点性质属性相关方法定义
六. 2-3-4树查找逻辑解释和代码实现
七. 2-3-4树插入逻辑解释和代码实现
八. 2-3-4树删除逻辑解释和代码实现
九. 2-3-4树辅助功能和测试
摘要
网上有一大堆介绍了2-3-4树这种数据结构,但是没有给出代码实现,本系列文章是实现2-3-4树的查找/插入/删除操作!
一. 2-3-4树的定义
2-3-4树是一种阶为4的B树。它是一种自平衡的数据结构，可以保证在O(lgn)的时间内完成查找、插入和删除操作。它主要满足以下性质：
（1）每个节点每个节点有1、2或3个key，分别称为2（孩子）节点，3（孩子）节点，4（孩子）节点。
（2）所有叶子节点到根节点的长度一致（也就是说叶子节点都在同一层）。
（3）每个节点的key从左到右保持了从小到大的顺序，两个key之间的子树中所有的key一定大于它的父节点的左key，小于父节点的右key。
(摘自:http://blog.csdn.net/xiaokang123456kao/article/details/54379868)
此系列文章,不考虑key相同的情况.
二. 2-3-4树数据结构定义
定义了3个类, 分别是: TwoThreeFourTree, Node, DataItem
Node和DataItem是TwoThreeFourTree的类中类
图一: 3个分别指的相关数据
Java代码一
/**
*
* @Description : 2-3-4树
* @author : Rush.D.Xzj
* @CreateDate : 2017-07-25 18:06:09
*
*/
public class TwoThreeFourTree { /**根节点*/
private Node root; /**TwoThreeFourTree.LOG*/
private static final Log LOG = LogFactory.getLog(TwoThreeFourTree.class); /**
*
* @Description : 2-3-4树的节点
* @author : Rush.D.Xzj
* @CreateDate : 2017-07-05 18:08:30
*
*/
public class Node {
public static final int MAX_CHILD_COUNT = 4; /**最大的字节点个数*/
private int maxChildCount; /**父节点*/
private Node parent; /**count = 0, 2, 3, 4*/
private List<Node> subNodes; /**count = 1, 2, 3, 此数据的数目不可能为空!*/
/**在非叶子节点的情况下, keys.size() + 1 = subNodes.size()*/
private List<DataItem> keys; public Node(DataItem dataItem) {
this.subNodes = new ArrayList<Node>();
this.keys = new ArrayList<DataItem>();
this.parent = null;
this.keys.add(dataItem);
this.maxChildCount = MAX_CHILD_COUNT;
}
public Node(int key) {
this.subNodes = new ArrayList<Node>();
this.keys = new ArrayList<DataItem>();
this.parent = null;
this.keys.add(new DataItem(key));
this.maxChildCount = MAX_CHILD_COUNT;
}
} /**
*
* @Description : 数据项封装
* @author : Rush.D.Xzj
* @CreateDate : 2017-07-05 18:25:11
*
*/
public class DataItem {
public int key; public DataItem(int key) {
this.key = key;
} }
}
三. 2-3-4树的可以得到几个推论
根据代码一的相关注释我们可以得出以下的推论
推论1: keys.size() >= 1
推论2: 在非叶子节点的情况下, keys.size() + 1 == subNodes.size()
推论3: 因为是搜索树,所以某个key(keyA)下面的左边所有树的节点中的所有key都小于keyA,同理:keyA下面的右边所有树的节点中的所有key都大于keyA
图二: 示例树
以图二来中的树来举例推论3
(55,60,71)节点不可能是(49,60,71)
因为49小于(23,50)节点中的50了.
四. 2-3-4树节点keys/subNodes相关方法定义与解释
在Node类中定义如下的方法:
public Node getSubNode(int index) {
return this.subNodes.get(index);
}
public int subNodeSize() {
return this.subNodes.size();
}
public void addSubNode(int index, Node node) {
if (node != null) {
this.subNodes.add(index, node);
node.parent = this;
}
}
public void removeSubNode(int index) {
this.subNodes.remove(index);
}
public void removeSubNode(Node node) {
this.subNodes.remove(node);
}
public int indexOfNode(Node node) {
return this.subNodes.indexOf(node);
}
public void clearSubNodes() {
this.subNodes.clear();
}
public Node getFirstSubNode() {
if (this.subNodes.size() == 0) {
return null;
}
return this.subNodes.get(0);
}
public Node getLastSubNode() {
if (this.subNodes.size() == 0) {
return null;
}
return this.subNodes.get(this.subNodes.size() - 1);
}
public void removeFirstSubNode() {
if (this.subNodes.size() != 0) {
this.subNodes.remove(0);
}
}
public void removeLastSubNode() {
if (this.subNodes.size() != 0) {
this.subNodes.remove(this.subNodes.size() - 1);
}
}
public void addToFirstSubNode(Node subNode) {
if (subNode != null) {
this.subNodes.add(0, subNode);
subNode.parent = this;
}
}
public void addToLastSubNode(Node subNode) {
if (subNode != null) {
this.subNodes.add(subNode);
subNode.parent = this;
}
}
public DataItem getKey(int index) {
return this.keys.get(index);
}
public int keySize() {
return this.keys.size();
}
public void addKey(int index, DataItem dataItem) {
if (dataItem != null) {
this.keys.add(index, dataItem);
}
}
public void removeKey(int index) {
this.keys.remove(index);
}
public void removeKey(DataItem dataItem) {
DataItem removeItem = null;
for (int i = 0; i < this.keySize(); i++) {
DataItem tmp = this.keys.get(i);
if (tmp.key == dataItem.key) {
removeItem = tmp;
break;
}
}
this.keys.remove(removeItem);
}
public int indexOfKey(DataItem dataItem) {
return this.keys.indexOf(dataItem);
}
public void clearKeys() {
this.keys.clear();
}
public DataItem getFirstKey() {
if (this.keys.size() == 0) {
return null;
}
return this.keys.get(0);
}
public DataItem getLastKey() {
if (this.keys.size() == 0) {
return null;
}
return this.keys.get(this.keys.size() - 1);
}
public void removeFirstKey() {
if (this.keys.size() != 0) {
this.keys.remove(0);
}
}
public void removeLastKey() {
if (this.keys.size() != 0) {
this.keys.remove(this.keys.size() - 1);
}
}
public void addToFirstKey(DataItem dataItem) {
if (dataItem != null) {
this.keys.add(0, dataItem);
}
}
public void addToLastKey(DataItem dataItem) {
if (dataItem != null) {
this.keys.add(dataItem);
}
}认真看完代码发现上述N个方法就是简单的对Java List(keys, subNodes)的相关函数二次包装(public void removeKey(DatItem dataItem) 这个函数除外).
有的读者可能会有疑惑为什么要定义这样的函数?
此问题可以留在最后再给出答案.
五. 2-3-4树节点性质属性相关方法定义
Node类中的相关方法
/**
*
* @Description : 是否是满节点,keys数目必须是this.maxChildCount-1才是满节点
* @return : boolean
*
*/
public boolean isFull() {
return this.keySize() == this.maxChildCount - 1;
}
/**
*
* @Description : 是否是叶子节点,子节点数目必须是0
* @return : boolean
*
*/
public boolean isLeaf() {
return this.subNodeSize() == 0;
}
/**
*
* @Description : 2节点(包含子节点或不包含)
* @return : boolean
*
*/
public boolean isTwoKey() {
return this.keySize() == 1;
}
/**
*
* @Description : 3节点(包含子节点或不包含)
* @return : boolean
*
*/
public boolean isThreeKey() {
return this.keySize() == 2;
}
/**
*
* @Description : 4节点(包含子节点或不包含)
* @return : boolean
*
*/
public boolean isFourKey() {
return this.keySize() == 3;
}
/**
*
* @Description : 2节点
* @return : boolean
*
*/
public boolean isTwoNode() {
return this.subNodeSize() == 2;
}
/**
*
* @Description : 3节点
* @return : boolean
*
*/
public boolean isThreeNode() {
return this.subNodeSize() == 3;
}
/**
*
* @Description : 4节点
* @return : boolean
*
*/
public boolean isFourNode() {
return this.subNodeSize() == 4;
}
因为推论2,实际上上面的相关方法实际上还有另外一种判断,例如:
public boolean isFourNode() {
return this.keySize() == 3;
}六. 2-3-4树查找逻辑解释和代码实现
查找逻辑算法:
1. 从根节点设置为当前节点
2. 如果当前节点找到了,就返回
3. 如果当前没有找到, 获取离的最近的一个
4. 重复步骤2,3
以图二的树来说明步骤3
假设找17:
1.先在节点(23,50)找
2.没有找到, 得到一个最近的一个index为0(因为17<23) ,这时候直接跳转到节点(9,16,19)
3.在节点(9,16,19)找,没有找到,得到一个最近的一个index为2(因为17<19),这个时候直接跳转到节点(17)
4.在节点(17)找到17 查找结束
再来一次假设:
假设找76:
1.先在节点(23,50)找
2.没有找到, 得到一个最近的一个index为2(因为76>50, 所以是该节点最后一个子节点找) ,这时候直接跳转到节点(76)
3.在节点(76)找到76 查找结束
上述举的2个例子有一个关键是找到那个index,直接上代码
在Node类中添加如下代码:
/**是否找到*/
public static final String VALUE_FIND = "VALUE_FIND"; /**相关的keyIndex*/
public static final String VALUE_INDEX = "VALUE_INDEX"; /**
*
* @Description : 查找位置和相关的index
* @param dataItem : 需要查找的数据
* @return : java.util.Map
*
*/
public Map keyIndex(DataItem dataItem) {
Map result = new HashMap();
// 默认的设置未找到
result.put(VALUE_FIND, false);
int index = 0;
for (; index < this.keySize(); index ++) {
DataItem tmpItem = this.getKey(index);
if (dataItem.key == tmpItem.key) {
// 如果等于就跳出循环,并且设置为true
result.put(VALUE_FIND, true);
break;
} else if (dataItem.key < tmpItem.key) {
// 如果小于了就直接跳出循环
break;
}
}
// 也有可能需要查找的数据比此节点所有的数据都大
// 因此循环结束后都没有执行break
// 此时的index就是keySize()
result.put(VALUE_INDEX, index);
return result;
}
注意注释中这样的一段话:
此时的index就是keySize()
真好可以对应:假设找70的例子,是印证了推论2.
在TwoThreeFourTree中添加查找函数:
public DataItem find(int key) {
if (this.root == null) {
return null;
} else {
DataItem dataItem = new DataItem(key);
DataItem findItem = this.find(this.root, dataItem);
return findItem;
}
}
private DataItem find(Node node, DataItem dataItem) {
if (node == null) {
return null;
}
// 请注意这个函数的注释
Map keyMap = node.keyIndex(dataItem);
boolean find = (Boolean)(keyMap.get(Node.VALUE_FIND));
int keyIndex = (Integer)(keyMap.get(Node.VALUE_INDEX));
if (find) {
return node.getKey(keyIndex);
}
// 如果上述没有找到,那么如果代码运行到这里,
// keyIndex = keySize
// 那么subNodes.get(keyIndex),
// 就是subNodes的最后一个元素(因为2-3-4树,subNodes的数目不是0就是keySize + 1)
// 如果keyIndex
// 如果没有字节点,就表示没有找到
if (node.subNodeSize() == 0) {
return null;
}
Node subNode = node.getSubNode(keyIndex);
// 重复上述这个过程
return this.find(subNode, dataItem);
}七. 2-3-4树插入逻辑解释和代码实现
本博文用的插入算法是: 带有预分裂的插入算法.
算法的基本思路是:
1. 如果找到已经存在此值,那么就直接退出
2. 如果没有找到,从根节点开始遍历
3.如果是满节点,那么先分裂此节点(7.1)
4.如果是叶子节点,那么就在合适的位置插入(7.4)
5.否则,继续寻找合适的位置(7.3)
7.1 满节点的分裂
分裂示意图:
具体代码实现如下(Node类中):
public void connectNode(Node childNode) {
if (childNode != null) {
this.addToLastSubNode(childNode);
}
}
public void connectNodes(List<Node> nodes) {
for (Node node : nodes) {
this.connectNode(node);
}
}
/**
*
* @Description : 必须是满节点才能分裂
* 节点分裂的时候,会分裂成3个新的节点,此节点相当于没有用了
* @return : com.rush.structure.TwoThreeFourTree.Node
*
*/
public Node split() {
DataItem leftItem = this.getKey(0);
DataItem midItem = this.getKey(1);
DataItem rightItem = this.getKey(2);
Node resultNode = new Node(midItem);
Node resultFirstChildNode = new Node(leftItem);
Node resultSecondChildNode = new Node(rightItem);
// 原来的subNode,一人一半
for (int i = 0; i < this.subNodeSize(); i++) {
Node subNode = this.getSubNode(i);
if (i < 2) {
resultFirstChildNode.connectNode(subNode);
} else {
resultSecondChildNode.connectNode(subNode);
}
}
resultNode.connectNode(resultFirstChildNode);
resultNode.connectNode(resultSecondChildNode);
return resultNode;
}7.2 分裂后的节点处理
当约到7.1的情况后,分裂实际上是多了一层.所以要处理这个多了这一层分两种情况.
根据2-3-4树的相关性质和预分裂的处理,可以得到:
节点A: 分裂的节点的父节点, 为空或者一定不是满节点
节点B: 分裂的节点(示例图中的:9,16,19节点),一定是满节点
节点C: 节点B分裂后得到的节点(示例图中的16节点),一定是2节点,且此节点的2个子节点也一定是2节点
如果节点B是根节点那么就不处理,表示此2-3-4树经过插入操作后,增加了一层,此时的根节点就是节点C.
如果节点B不是根节点,那么节点A需要吸收节点C,使新添加的层消失掉,这样才满足2-3-4树性质.
以下代码就是节点吸收函数(Node类中).
public void absorbNode(Node oldNode, Node newNode) {
int index = this.indexOfNode(oldNode);
this.removeSubNode(oldNode);
int keyIndex = index;
int subNodeStartIndex = index;
this.addKey(keyIndex, newNode.getFirstKey());
for (int i = 0; i < newNode.subNodeSize() ; i++) {
Node tmpNode = newNode.getSubNode(i);
// 把newNode下的节点添加到this的节点下
this.addSubNode(i + subNodeStartIndex, tmpNode);
// 更新父节点
tmpNode.parent = this;
}
}7.3 继续寻找合适的位置
代码如下(Node类中):
public Node getSuitableNode(DataItem dataItem) {
int index = 0;
for (; index < this.keySize(); index ++) {
DataItem tmpDataItem = this.getKey(index);
if (dataItem.key < tmpDataItem.key) {
break;
}
}
return this.getSubNode(index);
}例如
如果dataItem是3, 那么就返回子节点1
如果dataItem是11, 那么就返回子节点2
如果dataItem是17, 那么就返回子节点3
如果dataItem是20, 那么就返回子节点4
7.4 是叶子节点,那么就在合适的位置插入(Node类中)
public void insert(DataItem dataItem) {
int index = 0;
for (; index < this.keySize(); index++) {
DataItem tmpItem = this.getKey(index);
if (tmpItem.key > dataItem.key) {
break;
}
}
// 此处逻辑跟find类似
// list.add(list.size(), key) 等价于 list.add(key)
this.addKey(index, dataItem);
}最后是2-3-4的插入实现(TwoThreeFourTree类中):
public boolean insert(int key) {
if (this.find(key) != null) {
return false;
}
this.root = this.insert(this.root, key);
return true;
}
private Node insert(Node node, int key) {
DataItem dataItem = new DataItem(key);
if (node == null) {
Node newNode = new Node(dataItem);
return newNode;
}
Node resultNode = node;
Node curNode = node;
while (true) {
if (curNode.isFull()) {
Node curNodeParent = curNode.parent;
Node splitNode = curNode.split();
// 当前节点是根节点
if (curNodeParent == null) {
resultNode = splitNode;
} else {
curNodeParent.absorbNode(curNode, splitNode);
}
curNode = splitNode;
} else if (curNode.isLeaf()) {
// 跳出循环
break;
} else {
curNode = curNode.getSuitableNode(dataItem);
}
}
curNode.insert(dataItem);
return resultNode;
}八. 2-3-4树删除逻辑解释和代码实现
最简单的删除元素是直接删除非2节点的叶子节点上的元素,所以在删除元素的时候,我们需要把待删除的元素给想办法替换到叶子节点上.
称之为预合并的删除方法.
为了实现删除功能,我们需要定义实现如下的功能
8.1 树的高度
跟其他的树的高度概念一样
直接给出实现(TwoThreeFourTree)
public int height() {
return this.height(this.root);
}
private int height(Node node) {
if (node == null) {
return 0;
}
if (node.subNodeSize() == 0) {
return 1;
}
return 1 + this.height(node.getFirstSubNode());
}8.2 某个元素在2-3-4树中的路径
我定义了一个路径的概念,先给出结果(基于示例图二),然后再解释一下这个路径
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:95) - key:20,path:[0, 0, 3]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:99) - key:42,path:[0, 1, 1]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:105) - key:45,path:[0, 1, 1]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:111) - key:23,path:[0, 0, 0]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:117) - key:50,path:[0, 1, 1]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:123) - key:16,path:[0, 0, 1]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:128) - key:19,path:[0, 0, 2]
2017-09-18 13:32:07 INFO testPath(TwoThreeFourTreeTest.java:133) - key:31,path:[0, 1, 0]
8.2.1 路径的长度等于高度
8.2.2 路径第一个元素都是0
8.2.3 路径下标为i(i > 0)的值表示i - 1的那个节点的第i个元素.(下标值是从0开始的!!!!!)
举例来说, 对于42 这个key值的路径是 [0,1,1]
路径数组下标为0,值为0表示是根节点(23,50)
路径数组下标为1,值为1表示是(31)节点, 也就是(23,50)节点的下标值为1的子节点
路径数组下标为2,值为1表示是(33,42,45)节点,也就是(31)节点的下标值为1的子节点
上面的这个逻辑好绕,慢慢的看
8.2.4 如果key值不在叶子节点中,那么后面的都是0
举例来说, 对于42 这个key值的路径是 [0,1,0]
路径数组下标为0,值为0表示是根节点(23,50)
路径数组下标为1,值为1表示是(31)节点, 也就是(23,50)节点的下标值为1的子节点
路径数组下标为2,值为0表示是(25,27)节点,也就是(31)节点的下标值为1的子节点
以下是路径函数(TwoThreeFourTree):
public List<Integer> path(int key) {
DataItem dataItem = new DataItem(key);
List<Integer> keyIndexes = new ArrayList<Integer>();
int height = this.height();
int nodeIndex = 0;
Node curNode = this.root;
// 第一层 肯定是根节点并且是第0个元素
keyIndexes.add(nodeIndex);
boolean find = false;
// 当找到的时候,它的子节点对应的keyIndex
int findNextIndex = 0;
// 可以把结束条件变成 i < height + 1
// 但是为了输出在最后叶子节点找到的信息,所以变成了 i < height
for (int i = 0; i < height; i++) {
// 已经提前找到就是默认此key值的左边的那个子元素
// 不是最后一层
if (find && (i != height - 1)) {
keyIndexes.add(findNextIndex);
// 这个时候就需要置为0
findNextIndex = 0;
continue;
}
int keyIndex = 0;
// 遍历当前节点的所有key
for (; keyIndex < curNode.keySize(); keyIndex++) {
DataItem tmpItem = curNode.getKey(keyIndex);
if (dataItem.key < tmpItem.key) {
break;
} else if (dataItem.key == tmpItem.key) {
find = true;
findNextIndex = keyIndex;
break;
} else {
}
}
// 不是最后一层
if (i != height - 1) {
keyIndexes.add(keyIndex);
// 获取下一个字节点
curNode = curNode.getSubNode(keyIndex);
}
}
return keyIndexes;
}所以说预合并的删除就是需要把路径中的2节点全部转换成3,4节点.
8.3 节点的转换
如何把路径中的2节点全部转换成3,4节点?
转换的方式主要有两种,
8.3.1 从节点的兄弟节点(此兄弟节点是2节点)给合并成4节点(还有一个是从父节点偷的),
8.3.2 从兄弟节点(此兄弟节点是3节点或者4节点)偷节点变成3节点.这一块还要涉及到跟父节点的变化,具体可看效果图
8.3.1 的效果图(对(31)节点的转换,合并(76)节点)
8.3.2 的效果图1(对(5)节点的转换,从右边偷,偷(10,15)节点)
8.3.2 的效果图2(对(17)节点的转换,从左边边偷,偷(10,15)节点)
转换函数(Node):
public void transfer() {
if (this.parent == null || !this.isTwoKey()) {
return;
}
int parentSubNodeSize = this.parent.subNodeSize();
int subNodeIndex = this.parent.indexOfNode(this);
Node leftNode = null;
Node rightNode = null;
// 转换方式
// 1. 此节点和另一个兄弟节点都是2节点,把右边的节点给合并过来
// 2. 此节点和另一个兄弟节点都是2节点,把左边的节点给合并过来
// 3. 从右边兄弟节点偷一个值
// 4. 从左边兄弟节点偷一个值
int transferType = 1;
int parentKeyIndex = 0;
// 表示此节点在父节点的最左边
if (subNodeIndex == 0) {
parentKeyIndex = 0;
leftNode = this;
rightNode = this.parent.getSubNode(1);
if (rightNode.isTwoKey()) {
transferType = 1;
} else {
transferType = 3;
}
} else if (subNodeIndex == parentSubNodeSize - 1) {
parentKeyIndex = this.parent.keySize() - 1;
leftNode = this.parent.getSubNode(subNodeIndex - 1);
rightNode = this;
if (leftNode.isTwoKey()) {
transferType = 2;
} else {
transferType = 4;
}
} else { // 肯定有左右2个兄弟节点
Node thisLeftBrotherNode = this.parent.getSubNode(subNodeIndex - 1);
Node thisRightBrotherNode = this.parent.getSubNode(subNodeIndex + 1);
// 优先找兄弟节点合并,如果都不满足从左兄弟节点偷
if (thisLeftBrotherNode.isTwoKey()) {
leftNode = thisLeftBrotherNode;
rightNode = this;
transferType = 1;
parentKeyIndex = subNodeIndex - 1;
} else if (thisRightBrotherNode.isTwoKey()) {
leftNode = this;
rightNode = thisRightBrotherNode;
transferType = 2;
parentKeyIndex = subNodeIndex;
} else {
leftNode = thisLeftBrotherNode;
rightNode = this;
transferType = 4;
parentKeyIndex = subNodeIndex - 1;
}
}
if (transferType == 1 || transferType == 2) {
// 父节点是2节点, 降层, 这种情况下只会出现在: 根节点是2节点的时候
if (this.parent.isTwoKey()) {
LOG.info("transfer :" + transferType + ", parent is two node");
this.parent.addToFirstKey(leftNode.getFirstKey());
this.parent.addToLastKey(rightNode.getFirstKey());
this.parent.clearSubNodes();
// 如果此节点有子节点,那么他的兄弟节点肯定有子节点,2-3-4的性质决定的
if (leftNode.subNodeSize() > 0) {
this.parent.connectNodes(leftNode.subNodes);
this.parent.connectNodes(rightNode.subNodes);
}
} else {
LOG.info("transfer :" + transferType + ", parent is not two node");
// 不降层, 把父节点的一个key给拉下来,例如把父节点从4节点变3节点或者父节点从3节点变2节点
// 把此节点变成一个4节点(自己,兄弟,父亲的一个key),所以是4节点
// 1. 获取父节点需要被拉下来的那个key
DataItem parentDataItem = this.parent.getKey(parentKeyIndex);
// 删除这个父节点的key
this.parent.removeKey(parentKeyIndex);
// 2. 删除父节点被拉下来的key对应的subNodes, 需要删除2次,
// 也就是leftNode, rightNode
// 这里需要连续调用2次,list的一个属性
this.parent.removeSubNode(parentKeyIndex);
this.parent.removeSubNode(parentKeyIndex);
// 或者用如下的这段代码去删除这2个subNode
// this.parent.removeSubNode(leftNode);
// this.parent.removeSubNode(rightNode);
// 3. 产生一个新的节点
Node newNode = new Node(parentDataItem);
// newNode key 左边插入一个
newNode.addToFirstKey(leftNode.getLastKey());
// newNode key 右边插入一个
newNode.addToLastKey(rightNode.getFirstKey());
// 把原来的左右节点的 subNodes 给添加到新节点上去
newNode.connectNodes(leftNode.subNodes);
newNode.connectNodes(rightNode.subNodes);
// 4. 把新产生的节点跟父节点关联起来
this.parent.addSubNode(parentKeyIndex, newNode);
}
} else if (transferType == 3) {
LOG.info("transfer 3");
// 从右边兄弟节点偷一个值, 从右边的兄弟节点偷
// 1. 先把右节点需要被偷的元素给取出来, 并删除
DataItem rightDataItem = rightNode.getFirstKey();
rightNode.removeFirstKey();
// 2. 取parent的key值,并删除
DataItem parentDataItem = this.parent.getKey(parentKeyIndex);
this.parent.removeKey(parentKeyIndex);
// 3. parent的key重新赋值
this.parent.addKey(parentKeyIndex, rightDataItem);
// 4. 左边的那个2节点变成3节点
leftNode.addToLastKey(parentDataItem);
// 如果右边节点有字节点(左边必有子节点),把第一个子节点给删除掉,并添加到左节点的最后一个子节点
if (rightNode.subNodeSize() > 0) {
Node rightSubNode = rightNode.getFirstSubNode();
rightNode.removeFirstSubNode();
leftNode.addToLastSubNode(rightSubNode);
}
} else {
LOG.info("transfer 4");
// 从左边兄弟节点偷一个值, 从左边的兄弟节点偷
// 1. 先把右节点需要被偷的元素给取出来, 并删除
DataItem leftDataItem = leftNode.getLastKey();
leftNode.removeLastKey();
// 2. 取parent的key值,并删除
DataItem parentDataItem = this.parent.getKey(parentKeyIndex);
this.parent.removeKey(parentKeyIndex);
// 3. parent的key重新赋值
this.parent.addKey(parentKeyIndex, leftDataItem);
// 4. 右边的那个2节点变成3节点
rightNode.addToFirstKey(parentDataItem);
// 如果左边节点有子节点,把最后一个子节点给删除掉,并添加到左节点的第一个子节点
if (leftNode.subNodeSize() > 0) {
Node leftSubNode = leftNode.getLastSubNode();
leftNode.removeLastSubNode();
rightNode.addToFirstSubNode(leftSubNode);
}
}
}转换函数(TwoThreeFourTree):
public void transfer(int key) {
List<Integer> path = this.path(key);
Node curNode = this.root;
for (int i = 0; i < path.size(); i++) {
boolean haveSub = (i != (path.size() - 1));
Node nextCurNode = null;
if (haveSub) {
int nextCodeIndex = path.get(i + 1);
nextCurNode = curNode.getSubNode(nextCodeIndex);
}
if (curNode.parent != null) {
curNode.transfer();
}
if (haveSub) {
curNode = nextCurNode;
}
}
}最后删除函数如下(TwoThreeFourTree):
public boolean delete(int key) {
if (this.find(key) == null) {
return false;
}
int originHeight = this.height();
// 唯一的一个
if (originHeight == 1) {
if (this.root.keySize() == 1) {
this.root = null;
} else {
this.root.removeKey(new DataItem(key));
}
return true;
}
List<Integer> path = this.path(key);
this.transfer(key);
int newHeight = this.height();
// 是否因为转换而导致降层了
boolean haveReduceHeight = originHeight > newHeight;
int pathStartIndex = haveReduceHeight ? 1 : 0;
Node curNode = this.root;
for (int i = pathStartIndex; i < path.size(); i++) {
boolean haveSub = (i != (path.size() - 1));
// haveSub = !curNode.isLeaf();
Node nextCurNode = null;
int nextCodeIndex = 0;
if (haveSub) {
nextCodeIndex = path.get(i + 1);
nextCurNode = curNode.getSubNode(nextCodeIndex);
}
for (int j = 0; j < curNode.keySize(); j++) {
DataItem keyItem = curNode.getKey(j);
if (keyItem.key == key) {
if (curNode.isLeaf()) {
curNode.removeKey(j);
return true;
} else {
// 替换到下一个
DataItem subDataItem = nextCurNode.getLastKey();
// 此节点和子节点调换
curNode.removeKey(j);
curNode.addKey(j, subDataItem);
nextCurNode.removeLastKey();
nextCurNode.addKey(nextCodeIndex, keyItem);
// 跳出j的循环,继续i的循环
break;
}
}
}
if (haveSub) {
curNode = nextCurNode;
}
}
return true;
}九. 2-3-4树辅助功能和测试
为了便于印证上述逻辑是否有问题.我们需要定义如下的一些函数:
输出一个节点的信息, 在Node类中
/**
*
* @Description : 输出节点信息
* @return : java.lang.String
*
*/
@Override
public String toString() { StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append("cur key:");
sb.append(this.simpleString()); if (this.parent != null) {
sb.append(" parent:" + this.parent.simpleString());
}
if (this.subNodeSize() > ) {
sb.append(" sub:");
for (Node tmpNode : this.subNodes) {
sb.append(tmpNode.simpleString());
}
}
return sb.toString();
}
水平方向遍历(TwoThreeFourTree类中)
public List<Node> levelPost() {
List<Node> resultList = new ArrayList<Node>();
if (this.root != null) {
Queue<Node> queue = new LinkedList();
queue.offer(this.root);
while (queue.size() != ) {
Node curNode = queue.poll();
resultList.add(curNode);
for (Node tmpNode : curNode.subNodes) {
queue.offer(tmpNode);
}
}
}
return resultList;
}新建一个测试类(TwoThreeFourTreeTest):
创建示例图片的2-3-4树:
private TwoThreeFourTree getDemoTree() {
TwoThreeFourTree tree = new TwoThreeFourTree();
int inputs[] = {, , , , ,
, , , , ,
, , , , ,
, , , , ,
, , , };
for (int i = ; i < inputs.length; i++) {
int tmpInput = inputs[i];
tree.insert(tmpInput);
}
return tree;
}输出示例树:
private void printList(List<TwoThreeFourTree.Node> nodes) {
for (Node node : nodes) {
LOG.info(node.toString());
}
}
@Test
public void testDemo() {
TwoThreeFourTree tree = this.getDemoTree();
List<TwoThreeFourTree.Node> resultNode = tree.levelPost();
this.printList(resultNode);
}测试路径:
@Test
public void testPath() {
TwoThreeFourTree tree = this.getDemoTree();
int key = ;
List<Integer> path = null; key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path); key = ;
path = tree.path(key);
LOG.info("key:" + key + ",path:" + path);
}
测试转换:
@Test
public void testTransfer() {
TwoThreeFourTree tree = this.getDemoTree();
int key = 0;
List<TwoThreeFourTree.Node> resultNode = null; key = 31;
tree.transfer(key);
resultNode = tree.levelPost();
this.printList(resultNode);
}
测试删除:
@Test
public void testDelete() {
TwoThreeFourTree tree = this.getDemoTree();
int key = 0;
List<TwoThreeFourTree.Node> resultNode = null;
key = 31;
tree.delete(key);
resultNode = tree.levelPost();
this.printList(resultNode);
}