이진트리를 삽입 , 탐색 , 삭제 연산을 포함하여 구현해보자
자료구조 및 알고리즘
자료구조
Wed Jul 03 2024
이 글은 자료구조 및 알고리즘의 게시글이예요
이전에 자료구조 및 알고리즘에 대해 공부했던 내용들은 📖 벨로그에 작성해뒀던 공부 내역들 에서 확인 가능합니다.
자료구조에 대한 공부는 📖 한국외대 신찬수 교수님 - Data Structure with Python 강의를 주로 이용하여 공부하였습니다.
- 1 . 이진트리의 정의와 순회과정에 대해 알아보자
- 2 . 이진트리를 삽입 , 탐색 , 삭제 연산을 포함하여 구현해보자
- 3 . AVL 트리가 필요한 이유와 회전,삽입 연산
- 4 . 버블 정렬(bubble sort)에 대해 알아보자
- 5 . 동적 계획법의 개념과 예시 문제 풀이로 실습해보기 (백준 계단 오르기2579)
이전 챕터에선 이진 트리의 정의에 대해 알아보고 간단하기 이진 트리를 구현하는 방법에 대해 공부해보았다.
이번 챕터에선 탐색 , 삽입 , 삭제 연산이 존재하는 이진 트리를 구현해보자
노드 생성하기
이진 트리는 비선형 연결리스트의 형태로 left, right , parent 를 갖는 노드들이 2차원의 형태로 연결되어 있는 모습이다.
비선형 연결리스트의 형태인 이진 트리의 모습
이진 트리를 구성하는 노드 생성자를 우선적으로 생성해주자
class Node {
constructor(key) {
this.key = key;
this.left = this.right = this.parent = null;
}
}여기서 노드는 본인의 루트 노드인 key 와 L,R subtree 를 갖는 조그만 이진 트리의 형태로 볼 수도 있다.
이진 트리 클래스 생성하기
class BinarySearchTree {
constructor() {
this.root = null; /* root 는 위에서 선언한 Node의 타입이여야 함 */
}
}하나씩 기능을 추가해나가보도록 하자
삽입 기능 추가하기
유틸 메소드들 추가하기
findLocation
우선 삽입 및 검색을 하기 위해선 노드를 전체적으로 탐색하는 메소드가 필요하다.
findLocation 메소드를 정의해 노드를 순회 할 수 있도록 해주자
class BinarySearchTree {
constructor() {
this.root = null;
}
/* findLocation 은 해당 key를 갖는 node를 발견하면 해당 node를 반환하고
존재하지 않을 경우엔 마지막 탐색이 일어난 노드의 부모 노드를 반환함 */
findLocation(key) {
if (!this.root) {
return null;
}
let searchTarget = this.root;
let parent = searchTarget.parent;
while (searchTarget !== null && searchTarget.key !== key) {
parent = searchTarget;
searchTarget =
key < searchTarget.key ? searchTarget.left : searchTarget.right;
}
return searchTarget?.key === key ? searchTarget : parent;
}
}findLocation 메소드는 이진트리에서 key 값인 노드를 반환하는 메소드이다.
이 때 만약 해당 key 값이 존재한다면 찾은 노드를 반환하고 , 존재하지 않는다면 마지막으로 탐색이 일어났던 노드 (parent)를 반환한다.
반복문을 돌다보면 searchTarget 이 null 이 될 수도 있기 때문에 ? 연산자를 이용하여 반환해주도록 한다.
parent노드를 반환하는 이유는 추후insert메소드에서 요긴하게 사용되기 때문이다.
preorder
디버깅을 위해 트리를 전위 순회 하는 메소드를 추가해주도록 하자
preorder(node = this.root) {
process.stdout.write(`${node.key},`);
if (node.left) {
this.preorder(node.left);
}
if (node.right) {
this.preorder(node.right);
}
}전위 순회에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하도록 하자 :)
linkingNode , unLinkingNode
linkingNode(parent, node) {
if (!parent) {
this.root = node;
return;
}
if (parent.key === node.key) {
return;
}
if (node.key < parent.key) {
parent.left = node;
} else {
parent.right = node;
}
node.parent = parent;
}
unLinkNode(parent, node) {
if (!parent) {
this.root = null;
return;
}
if (node.key < parent.key) {
parent.left = null;
} else {
parent.right = null;
}
node.parent = null;
}해당 메소드들은 어떤 parent 노드들에 대해서 특정 node 를 서브트리로 연결하거나 , 삭제하는데 사용되는 메소드들이다.
각 메소드들에서 parent 와 node 의 값이 같을 경우나 , parent 가 null 일 때 (this.root === null) 어떤 처리를 하는지 염두하고 넘어가도록 하자
삽입 기능 추가하기 : insert
insert(key) {
const node = new Node(key);
const parent = this.findLocation(key);
this.linkingNode(parent, node);
}위에서 정의한 findLocation 메소드와 linkingNode 메소드를 이용해 삽입 기능을 구현해주었다.
linkingNode 로 인해 parent === null 인 경우엔 루트 노드에 추가되고 아닌 경우엔 적절히 조건에 맞게 parent 의 자식 노드로 추가해준다.
const bst = new BinarySearchTree();
bst.insert(2);
bst.insert(1);
bst.insert(3);
bst.preorder(); // 2 1 3검색 기능 추가하기 : search
search 메소드는 위에서 정의한 findLocation 메소드를 이용해주면 된다.
search(key) {
const target = this.findLocation(key);
return target.key === key ? target : null;
}이렇게 기본적인 삽입 및 검색 기능을 구현해줬다.
탐색 및 삽입의 시간 복잡도는 이진 트리의 높이를 h 라고 뒀을 때 O(h) 에 해당한다.
단순히 높이 만큼만 내려가며 탐색하면 되기 때문이다.
삭제 연산
이진 트리의 삭제 연산은 leftSubtree 를 삭제하고자 하는 노드에 서브 트리를 병합하는 deleteByMerging 메소드와
삭제하고자 하는 노드에 leftSubtree 의 가장 큰 값을 복사하여 사용하는 deleteByCopying 메소드가 존재한다.
삭제 연산을 하기 전, 이진 트리의 모습을 생성해주도록 하자
const bst = new BinarySearchTree();
[15, 4, 2, 20, 17, 19, 18, 16, 32].forEach((key) => bst.insert(key));
bst.preorder(); // 15,4,2,20,17,16,19,18,32, 15
/ \
4 20
/ / \
2 17 32
/ \
16 19
/
18현재 삭제 연산을 시행 할 이진 트리의 모습은 위와 같다.
deleteByMerging
이제 deleteByMerging 을 구현해보자
용어를 우선 정리해보자
- 삭제하고자 하는 노드 :
deleteTarget deleteTarget의 왼쪽 서브트리 :leftSubtreedeleteTarget의 오른쪽 서브트리 :rightSubtree- 서브트리
X의 노드 중 가장 큰 값인 노드 :X_maxLeaf
다음과 같은 용어일 때 deleteByMerging 메소드는 다음과 같은 스텝을 밟는다.
deleteTarget노드 위치에leftSubtree을 병합한다.leftSubtree_max의 오른쪽 서브트리에rightSubtree를 병합한다.
항상 leftSubtree_maxLeaf 의 값은 rightSubtree 의 루트 노드보다 작다는 것을 인지하자 , 또 leftSubtree_maxLeaf 는 오른쪽 서브트리를 갖지 않는 마지막 오른쪽 leaf node 라는 것도 인지하자
findMaxLeaf(rootNode) {
let MaxLeaf = rootNode;
while (MaxLeaf.right !== null) {
MaxLeaf = rootNode.right;
}
return MaxLeaf;
}
deleteByMerging(key) {
if (!this.root) {
return;
}
const deleteTarget = this.search(key);
if (!deleteTarget) {
return;
}
const parent = deleteTarget.parent;
const leftSubtree = deleteTarget.left;
const rightSubtree = deleteTarget.right;
if (!parent) {
/* 지우고자 하는 노드가 root Node라면 */
this.root = null;
}
if (!leftSubtree && !rightSubtree) {
/* 지우고자 하는 노드가 leaf Node라면 */
this.unLinkNode(parent, deleteTarget);
return;
}
if (leftSubtree && !rightSubtree) {
/* 지우고자 하는 노드가 leftSubtree 만 존재한다면 */
this.linkingNode(parent, leftSubtree);
return;
}
if (!leftSubtree && rightSubtree) {
/* 지우고자 하는 노드가 rightSubtree 만 존재한다면 */
this.linkingNode(parent, rightSubtree);
return;
}
/* 지우고자 하는 노드가 leftSubtree, rightSubtree 모두가 존재한다면 */
const LeftNodeMaxLeaf = this.findMaxLeaf(leftSubtree);
this.linkingNode(parent, leftSubtree);
this.linkingNode(LeftNodeMaxLeaf, rightSubtree);
}위와 같이 findMaxLeaf , deleteByMerging 메소드를 구현해주었다.
만약 지우고자 하는 노드 deleteTarget 이 서브트리를 갖지 않는 경우엔 단순히 deleteTarget.parent 와 링크를 끊어주면 되고
서브트리가 하나만 존재하는 경우엔 존재하는 서브트리를 deleteTarget 부위로 병합해주면 된다.
신경 써야 하는 것은 서브트리가 두 가지가 모두 존재 할 때 인데 위에서 설명한 것가 같이
leftSubtree 를 deleteTarget 부위로 병합 한 후 , LeftNodeMaxLeaf 에 rightSubtree 를 병합해주면 된다.
[15, 4, 2, 20, 17, 19, 18, 16, 32].forEach((key) => bst.insert(key));
bst.preorder(); // 15,4,2,20,17,16,19,18,32
bst.deleteByMerging(20);
bst.preorder(); // 15,4,2,17,16,19,18,32, 15
/ \
4 20
/ / \
2 17 32
/ \
16 19
/
18 15
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4 17
/ / \
2 16 19
/ \
18 32deleteByCopying
deleteBycopying 은 mergy 와 다르게 LeftNodeMaxLeaf 값을 deleteTarget 의 값에 덮어씌운다.
즉 deleteTarget.key = LeafNodeMaxLeaf.key 로 덮어 씌운다.
코드와 함께 살펴보자
deleteByCopying(key) {
if (!this.root) {
return;
}
const deleteTarget = this.search(key);
if (!deleteTarget) {
return;
}
const parent = deleteTarget.parent;
const leftSubtree = deleteTarget.left;
const rightSubtree = deleteTarget.right;
if (!leftSubtree && !rightSubtree) {
/* 지우고자 하는 노드가 leaf Node라면 */
this.unLinkNode(parent, deleteTarget);
return;
}
if (!leftSubtree && rightSubtree) {
this.linkingNode(parent, rightSubtree);
return;
}
/* leftSubtree 가 존재하는 경우 로직이 존재 */
const LeftNodeMaxLeaf = this.findMaxLeaf(leftSubtree);
deleteTarget.key = LeftNodeMaxLeaf.key;
if (leftSubtree.left) {
this.linkingNode(LeftNodeMaxLeaf.parent, LeftNodeMaxLeaf.left);
}
}deleteByCopying 은 leftSubtree 가 존재하는 경우의 로직이 존재한다.
LeftNodeMaxLeaf 값을 지우고자 하는 값의 key 값에 복사 한 후 LeftNodeMaxLeaf.left 의 값들을 LeftNodeMaxLeaf.parent.right 값에 연결해주면 된다.
[15, 4, 2, 20, 17, 19, 18, 16, 32].forEach((key) => bst.insert(key));
console.log('기존 서브 트리를 전위 순회한 결과');
bst.preorder(); // 15,4,2,20,17,16,19,18,32,
console.log('\n deleteByCopying 시행한 결과');
bst.deleteByCopying(20);
bst.preorder(); // 15,4,2,19,17,16,18,32, 15
/ \
4 20
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2 17 32
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16 19
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18 15
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4 19
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2 17 32
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16 18두 삭제 연산의 시간 복잡도
두 연산의 시간 복잡도는 모두 O(h) 이다.
가장 최악의 경우에 LeftSubtreeMaxLeaf 가 최 하단 leafnode 에 존재 할 경우 모든 높이를 탐색해줘야 하기 때문이다.
탐색 이후엔 단순히 연결 리스트들을 연결하는 작업이라 탐색까지의 시간만이 성능에 큰 영향을 미친다.
그럼 두 삭제 연산은 어떤 점에서 다를까 ?
deleteByMerging , deleteByCopying 의 가장 큰 특징은 기존 트리의 모습을 얼만큼 유지하느냐이다.
15
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4 20
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2 17 32
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16 19
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18 15
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4 17
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2 16 19
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18 32 15
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4 19
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2 17 32
/ \
16 18확실히 deleteByMerging 의 경우보다 deleteByCopying 의 경우가 기존 이진 트리의 모습을 많이 유지하는 모습을 볼 수 있다.
deleteByMerging 은 구현하기가 간편하나 시행 할 수록 rightSubtree 의 깊이가 점점 깊어지는 모습을 볼 수 있을 것이다.
위 예시에서 레벨 2에 해당하는 노드들을 deleteByMerging` 으로 지속적으로 삭제한다고 생각해보자
20 -> 17 -> 16이런식으로 말이다.
deleteByCopying 은 구현하기가 어려우나 전체적인 균형잡힌 이진 트리의 기존 깊이를 유지하는 모습을 볼 수 있다.
위 예시에서 레벨 2에 해당하는 노드들을 deleteByMerging` 으로 지속적으로 삭제한다고 생각해보자
20 -> 19 -> 18이런식으로 말이다.