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字典树trie

trie基本

字典树,英文名Trie树,Trie一词来自retrieve,发音为/tri:/ “tree”,也有人读为/traɪ/ “try”, 又称单词查找树前缀树,Trie树,是一种树形结构(多叉树)。

trie,又称为前缀树或字典树,是一种有序树,用于保存关联数组。

  1. 除根节点不包含字符,每个节点都包含一个字符
  2. 从根节点到某一个节点,路径上经过的字符连接起来,为该节点对应的字符串
  3. 每个节点的所有子节点包含的字符都不相同(保证每个节点对应的字符串都不一样)

比如:

                    / \    
                   / | \
                  t  a  i                
                /  \     \
               o    e     n
                   /|\    /
                  a d n  n                

上面的Trie树,可以表示字符串集合{“a”, “to”, “tea”, “ted”, “ten”, “i”, “in”, “inn”} 。

trie树把每个关键字保存在一条路径上,而不是一个节点中
两个有公共前缀的关键字,在Trie树中前缀部分的路径相同,所以Trie树又叫做前缀树(Prefix Tree)。

trie 优缺点

它的优点是:

  1. 插入和查询的效率很高,都是O(m),其中 m 是待插入/查询的字符串的长度
  2. Trie树可以对关键字按字典序排序
  3. 利用字符串的公共前缀来最大限度地减少无谓的字符串比较,提高查询效率

缺点:

  1. trie 树比较费内存空间,在处理大数据时会内存吃紧
  2. 当hash函数较好时,Hash查询效率比 trie 更优

知乎这里有个问题:10万个串找给定的串是否存在, 对trie和hash两种方案给出了讨论。

DATrie 是使用python实现的双数组trie树, 双数组可以减少内存的使用量 。有关 double-array trie,可以参考这篇论文

trie应用

典型应用是:前缀查询,字符串查询,排序

  • 用于统计,排序和保存大量的字符串(但不仅限于字符串)
  • 经常被搜索引擎系统用于文本词频统计
  • 排序大量字符串
  • 用于索引结构
  • 敏感词过滤

实际应用问题

  1. 给你100000个长度不超过10的单词。对于每一个单词,我们要判断他出没出现过,如果出现了,求第一次出现在第几个位置
    分析思路一:trie树 ,找到这个字符串查询操作就可以了,如何知道出现的第一个位置呢?我们可以在trie树中加一个字段来记录当前字符串第一次出现的位置。

  2. 已知n个由小写字母构成的平均长度为10的单词,判断其中是否存在某个串为另一个串的前缀子串

  3. 给出N 个单词组成的熟词表,以及一篇全用小写英文书写的文章,请你按最早出现的顺序写出所有不在熟词表中的生词。
    分析:trie树查询单词的应用。先建立N个熟词的前缀树,然后按文章的单词一次查询。

  4. 给出一个词典,其中的单词为不良单词。单词均为小写字母。再给出一段文本,文本的每一行也由小写字母构成。判断文本中是否含有任何不良单词。例如,若rob是不良单词,那么文本problem含有不良单词。 分析:先用不良单词建立trie树,然后过滤文本(每个单词都在trie树上查询,查询的复杂度O(1),效率非常高),这正是敏感词过滤系统(或垃圾评论系统)的原理。

  5. 给你N 个互不相同的仅由一个单词构成的英文名,让你将它们按字典序从小到大排序输出 分析:这是trie树排序的典型应用,建立N个单词的trie树,然后线序遍历整个树,就可以达到效果。

trie树存储结构和基本操作

最简单实现 ---- 26个字母表 a-z (没有考虑数字,大小写,其他字符如=-*/) 子树用数组存储,浪费空间;如果系统中存在大量字符串,且这些字符串基本没有公共前缀,trie树将消耗大量内存
如果用链表存储,查询时需要遍历链表,查询效率有所降低

define ALPHABET_NUM 26
typedef struct trie_node{
   char value;
   bool isKey;/*是否代表一个关键字*/
   int count; /*可用于词频统计,表示关键字出现的次数*/
   struct Node *subTries[ALPHABET];
}*Trie

Trie Trie_create();
int Trie_insert(Trie trie,char *word); // 插入一个单词
int Trie_search(Trie trie,char *word);// 查找一个单词
int Trie_delete(Trie trie,char *word);// 删除一个单词

Trie Trie_create(){
    trie_node* pNode = new trie_node();
    pNode->count = 0;
    for(int i=0; i<ALPHABET_SIZE; ++i)
        pNode->children[i] = NULL;
    return pNode;
}

void trie_insert(trie root, char* key)
{
    trie_node* node = root;
    char* p = key;
    while(*p)
    {
        if(node->children[*p-'a'] == NULL)
        {
            node->children[*p-'a'] = create_trie_node();
        }
        node = node->children[*p-'a'];
        ++p;
    }
    node->count += 1;
}

/**
 * 查询:不存在返回0,存在返回出现的次数
 */ 
int trie_search(trie root, char* key)
{
    trie_node* node = root;
    char* p = key;
    while(*p && node!=NULL)
    {
        node = node->children[*p-'a'];
        ++p;
    }
    
    if(node == NULL)
        return 0;
    else
        return node->count;
}

trie树的增加和删除都比较麻烦,但索引本身就是写少读多,是否考虑添加删除的复杂度上升,依靠具体场景决定。