字典树（Trie tree）-白红宇

Trie，又称单词查找树或键树，是一种形结构，是一种树的变种。典型应用是用于统计和排序大量的（但不仅限于字符串），所以经常被搜索引擎系统用于文本词频统计。它的优点是：最大限度地减少无谓的字符串比较，查询效率比高。

性质

它有3个基本性质：

不包含，除根节点外每一个节点都只包含一个。

从到某一，上经过的连接起来，为该对应的。

每个的所有包含的都不相同。

[]图示

这是一个Trie结构的例子：

在这个Trie结构中，保存了A、to、tea、ted、ten、i、in、inn这8个字符串，仅占用8个（不包括占用的空间）。

实例

#include 
     
      #include 
      
       #include 
       
         #define TREE_WIDTH 256 #define WORDLENMAX 128 struct trie_node_st {        int count;        struct trie_node_st *next[TREE_WIDTH];}; static struct trie_node_st root={0, {NULL}}; static char *spaces=" \t\n/.\"\'()"; static intinsert(const char *word){        int i;        struct trie_node_st *curr, *newnode;         if (word[0]=='\0') {                return 0;        }        curr = &root;        for (i=0; ; ++i) {                if (curr->next[ word[i] ] == NULL) {                        newnode=(struct trie_node_st*)malloc(sizeof(struct trie_node_st));                        memset(newnode, 0, sizeof(struct trie_node_st));                        curr->next[ word[i] ] = newnode;                }                if (word[i] == '\0') {                        break;                }                curr = curr->next[ word[i] ];        }        curr->count ++;         return 0;} static voidprintword(const char *str, int n){        printf("%s\t%d\n", str, n);} static intdo_travel(struct trie_node_st *rootp){        static char worddump[WORDLENMAX+1];        static int pos=0;        int i;         if (rootp == NULL) {                return 0;        }        if (rootp->count) {                worddump[pos]='\0';                printword(worddump, rootp->count);        }        for (i=0;i
        
         next[i]);                pos--;        }        return 0;} intmain(void){        char *linebuf=NULL, *line, *word;        size_t bufsize=0;        int ret;         while (1) {                ret=getline(&linebuf, &bufsize, stdin);                if (ret==-1) {                        break;                }                line=linebuf;                while (1) {                        word = strsep(&line, spaces);                        if (word==NULL) {                                break;                        }                        if (word[0]=='\0') {                                continue;                        }                        insert(word);                }        } /* free(linebuf); */         do_travel(&root);         exit(0);}

在给一个例子：

#define MAX_NUM 26enum NODE_TYPE{ //"COMPLETED" means a string is generated so far.  COMPLETED,  UNCOMPLETED};struct Node {  enum NODE_TYPE type;  char ch;  struct Node* child[MAX_NUM]; //26-tree->a, b ,c, .....z}; struct Node* ROOT; //tree root struct Node* createNewNode(char ch){  // create a new node  struct Node *new_node = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));  new_node->ch = ch;  new_node->type == UNCOMPLETED;  int i;  for(i = 0; i < MAX_NUM; i++)    new_node->child[i] = NULL;  return new_node;} void initialization() {//intiazation: creat an empty tree, with only a ROOTROOT = createNewNode(' ');} int charToindex(char ch) { //a "char" maps to an index
return ch - 'a';} int find(const char chars[], int len) {  struct Node* ptr = ROOT;  int i = 0;  while(i < len) {   if(ptr->child[charToindex(chars[i])] == NULL) {   break;  }  ptr = ptr->child[charToindex(chars[i])];  i++;  }  return (i == len) && (ptr->type == COMPLETED);} void insert(const char chars[], int len) {  struct Node* ptr = ROOT;  int i;  for(i = 0; i < len; i++) {   if(ptr->child[charToindex(chars[i])] == NULL) {    ptr->child[charToindex(chars[i])] = createNewNode(chars[i]);  }  ptr = ptr->child[charToindex(chars[i])];}  ptr->type = COMPLETED;}

Trie树的基本实现

字母树的插入（Insert）、删除（ Delete）和查找（Find）都非常简单，用一个一重循环即可，即第i 次循环找到前i 个字母所对应的子树，然后进行相应的操作。实现这棵字母树，我们用最常见的数组保存（静态开辟内存）即可，当然也可以开动态的指针类型（动态开辟内存）。至于结点对儿子的指向，一般有三种方法：

1、对每个结点开一个字母集大小的数组，对应的下标是儿子所表示的字母，内容则是这个儿子对应在大数组上的位置，即标号；

2、对每个结点挂一个链表，按一定顺序记录每个儿子是谁；

3、使用左儿子右兄弟表示法记录这棵树。

三种方法，各有特点。第一种易实现，但实际的空间要求较大；第二种，较易实现，空间要求相对较小，但比较费时；第三种，空间要求最小，但相对费时且不易写。

3、 Trie树的高级实现

可以采用双数组（Double-Array）实现。利用双数组可以大大减小内存使用量，具体实现细节见参考资料（5）（6）。

4、 Trie树的应用

Trie是一种非常简单高效的数据结构，但有大量的应用实例。

（1）字符串检索

事先将已知的一些字符串（字典）的有关信息保存到trie树里，查找另外一些未知字符串是否出现过或者出现频率。

举例：

@ 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。

@ 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。

（2）字符串最长公共前缀

Trie树利用多个字符串的公共前缀来节省存储空间，反之，当我们把大量字符串存储到一棵trie树上时，我们可以快速得到某些字符串的公共前缀。

举例：

@ 给出N 个小写英文字母串，以及Q 个询问，即询问某两个串的最长公共前缀的长度是多少？

解决方案：首先对所有的串建立其对应的字母树。此时发现，对于两个串的最长公共前缀的长度即它们所在结点的公共祖先个数，于是，问题就转化为了离线（Offline）的最近公共祖先（Least Common Ancestor，简称LCA）问题。

而最近公共祖先问题同样是一个经典问题，可以用下面几种方法：

1. 利用并查集（Disjoint Set），可以采用采用经典的Tarjan 算法；

2. 求出字母树的欧拉序列（Euler Sequence ）后，就可以转为经典的最小值查询（Range Minimum Query，简称RMQ）问题了；

（关于并查集，Tarjan算法，RMQ问题，网上有很多资料。）

（3）排序

Trie树是一棵多叉树，只要先序遍历整棵树，输出相应的字符串便是按字典序排序的结果。

举例：

@ 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。

（4）作为其他数据结构和算法的辅助结构

如后缀树，AC自动机等

5、 Trie树复杂度分析

（1）插入、查找的时间复杂度均为O(N)，其中N为字符串长度。

（2）空间复杂度是26^n级别的，非常庞大（可采用双数组实现改善）。

6、总结

Trie树是一种非常重要的数据结构，它在信息检索，字符串匹配等领域有广泛的应用，同时，它也是很多算法和复杂数据结构的基础，如后缀树，AC自动机等，因此，掌握Trie树这种数据结构，对于一名IT人员，显得非常基础且必要！

7、参考资料

（1）wiki：

（2）博文《字典树的简介及实现》：

（3）论文《浅析字母树在信息学竞赛中的应用》

（4）论文《Trie图的构建、活用与改进》

（5）博文《An Implementation of Double-Array Trie》：

（6）论文《An Efficient Implementation of Trie Structures》：

7）刚刚分享了："算法合集之《浅析字母树在信息学竞赛中的应用》.pdf" 下载链接：