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### 概述
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单词查找树（Tire），又叫前缀树，字典树，是一种有序多叉树。不同于之前实现的二叉搜，它是一个具有多个分叉的树的结构，同时，树结点和其子结点之间并无大小关系，只存在前缀关系，即其**父结点是其子结点的前缀**，一般用于存储string类型，对于string类型的增删查效率极高，其**增删查时间等价于string的长度**。
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### 原理
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本次实现的单词查找树的每个结点共有64个分叉，即‘a'~'z','A'~'Z','0'~'9','+','/'一共64个字符，对应base64的64个字符，可用于存储base64。
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对于一个前缀树来说，它需要满足的特征有三条：
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- 父结点的前缀必然是子结点的前缀
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- 根节点不包含字符，除根节点以外每个节点只包含一个字符
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- 每个节点的所有子节点包含的字符串不相同。
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它的核心策略是以空间换时间，即将一个string类型拆开，分层保存其byte或叫char，使得每次增删查都只需要其长度的时间，最坏的查找时间比hash表更好。同时也不会出现冲突，并且也必然是满足字典序，即按其中序遍历得到的结果必然是有序的。
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但同时，如果出现了一个较长的string，就会让整个链条变得很长，造成较多的空间开销。
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#### 添加策略
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从根节点开始插入，将string按byte进行分段，每层插入一个，当插入到最后时该string指向的value存在时则说明之前已经插入过，故插入失败，否则插入成功。
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插入不允许覆盖。
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当中间结点在原Trie树中不存在时创建即可。
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#### 删除策略
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从根节点开始删除，将string按byte进行分段，逐层往下遍历寻找到最终点，如果此时有存储的元素则删除同时表示删除成功，随后逐层返回将对应结点的num-1即可，当num=0时表示无后续结点，将该结点删除即可。如果在逐层下推的过程中发现结点不存在，可视为删除失败。之间返回即可。
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### 实现
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trie单词查找树结构体，该实例存储单词查找树的根节点，同时保存该树已经存储了多少个元素，整个树不允许重复插入,若出现重复插入则直接失败。
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```go
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type trie struct {
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root *node //根节点指针
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size int //存放的元素数量
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mutex sync.Mutex //并发控制锁
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}
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```
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node树节点结构体，该节点是trie的树节点，结点存储到此时的string的前缀数量，以son为分叉存储下属的string，该节点同时存储其元素。
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```go
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type node struct {
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num int //以当前结点为前缀的string的数量
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son [64]*node //分叉
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value interface{} //当前结点承载的元素
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}
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```
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#### 接口
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```go
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type trieer interface {
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Iterator() (i *Iterator.Iterator) //返回包含该trie的所有string
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Size() (num int) //返回该trie中保存的元素个数
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Clear() //清空该trie
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Empty() (b bool) //判断该trie是否为空
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Insert(s string, e interface{}) (b bool) //向trie中插入string并携带元素e
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Erase(s string) (b bool) //从trie中删除以s为索引的元素e
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Delete(s string) (num int) //从trie中删除以s为前缀的所有元素
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Count(s string) (num int) //从trie中寻找以s为前缀的string单词数
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Find(s string) (e interface{}) //从trie中寻找以s为索引的元素e
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}
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```
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#### New
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新建一个trie单词查找树容器并返回，初始根节点为nil。
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```go
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func New() (t *trie) {
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return &trie{
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root: newNode(nil),
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size: 0,
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mutex: sync.Mutex{},
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}
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}
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```
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|
新建一个单词查找树节点并返回，将传入的元素e作为该节点的承载元素。
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```go
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|
func newNode(e interface{}) (n *node) {
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return &node{
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num: 0,
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value: e,
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}
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}
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```
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#### Iterator
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以trie单词查找树做接收者，将该trie中所有存放的string放入迭代器中并返回。
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```go
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func (t *trie) Iterator() (i *Iterator.Iterator) {
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if t == nil {
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return nil
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}
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t.mutex.Lock()
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//找到trie中存在的所有string
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es := t.root.inOrder("")
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i = Iterator.New(&es)
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t.mutex.Unlock()
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return i
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}
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```
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以node单词查找树节点做接收者，遍历其分叉以找到其存储的所有string。
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```go
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func (n *node) inOrder(s string) (es []interface{}) {
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if n == nil {
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return es
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}
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if n.value != nil {
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es = append(es, s)
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}
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for i, p := 0, 0; i < 62 && p < n.num; i++ {
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if n.son[i] != nil {
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if i < 26 {
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es = append(es, n.son[i].inOrder(s+string(i+'a'))...)
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} else if i < 52 {
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es = append(es, n.son[i].inOrder(s+string(i-26+'A'))...)
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} else {
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|
es = append(es, n.son[i].inOrder(s+string(i-52+'0'))...)
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}
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|
p++
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}
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|
}
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|
|
return es
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|
}
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```
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#### Size
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以trie单词查找树做接收者，返回该容器当前含有元素的数量，如果容器为nil返回0。
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```go
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func (t *trie) Size() (num int) {
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if t == nil {
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return 0
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}
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return t.size
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}
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```
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#### Clear
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以trie单词查找树做接收者，将该容器中所承载的元素清空，将该容器的size置0。
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```go
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func (t *trie) Clear() {
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if t == nil {
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return
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}
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t.mutex.Lock()
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t.root = newNode(nil)
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t.size = 0
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t.mutex.Unlock()
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}
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```
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#### Empty
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以trie单词查找树做接收者，判断该trie是否含有元素，如果含有元素则不为空,返回false，如果不含有元素则说明为空,返回true，如果容器不存在,返回true。
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```go
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func (t *trie) Empty() (b bool) {
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if t == nil {
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return true
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}
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return t.size == 0
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}
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```
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##### getIdx
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传入一个byte并根据其值返回其映射到分叉的值，当不属于'a'~'z','A'~'Z','0'~'9','+','/'时返回-1。
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```go
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func getIdx(c byte) (idx int) {
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if c >= 'a' && c <= 'z' {
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idx = int(c - 'a')
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} else if c >= 'A' && c <= 'Z' {
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idx = int(c-'A') + 26
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} else if c >= '0' && c <= '9' {
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idx = int(c-'0') + 52
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} else if c == '+' {
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idx = 62
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} else if c == '/' {
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idx = 63
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} else {
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idx = -1
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}
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return idx
|
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|
}
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```
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#### Insert
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以trie单词查找树做接收者，向trie插入以string类型的s为索引的元素e，若存在重复的s则插入失败,不允许覆盖，否则插入成功。
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```go
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func (t *trie) Insert(s string, e interface{}) (b bool) {
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if t == nil {
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return
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|
}
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if len(s) == 0 {
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|
return false
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|
}
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t.mutex.Lock()
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if t.root == nil {
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|
//避免根节点为nil
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t.root = newNode(nil)
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|
}
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|
//从根节点开始插入
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b = t.root.insert(s, 0, e)
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if b {
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|
//插入成功,size+1
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t.size++
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|
}
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|
t.mutex.Unlock()
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|
return b
|
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|
}
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```
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以node单词查找树节点做接收者，从n节点中继续插入以s为索引的元素e,且当前抵达的string位置为p，当到达s终点时进行插入,如果此时node承载了元素则插入失败,否则成功，当未到达终点时,根据当前抵达的位置去寻找其子结点继续遍历即可。
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```go
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|
func (n *node) insert(s string, p int, e interface{}) (b bool) {
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if p == len(s) {
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|
if n.value != nil {
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|
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return false
|
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|
|
}
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|
n.value = e
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|
n.num++
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|
|
return true
|
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|
|
}
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|
idx := getIdx(s[p])
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|
if idx == -1 {
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|
|
return false
|
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|
|
}
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|
if n.son[idx] == nil {
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|
|
n.son[idx] = newNode(nil)
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|
|
}
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|
|
b = n.son[idx].insert(s, p+1, e)
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|
|
if b {
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|
|
n.num++
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|
|
}
|
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|
|
return b
|
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|
|
}
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```
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|
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|
|
#### Erase
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|
|
以trie单词查找树做接收者，从trie树中删除元素以s为索引的元素e。
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```go
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func (t *trie) Erase(s string) (b bool) {
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if t == nil {
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|
|
return false
|
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|
|
}
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if t.Empty() {
|
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|
return false
|
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|
}
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|
|
if len(s) == 0 {
|
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|
|
//长度为0无法删除
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|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.root == nil {
|
|||
|
|
//根节点为nil即无法删除
|
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|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
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|
|
t.mutex.Lock()
|
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|
|
//从根节点开始删除
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|
b = t.root.erase(s, 0)
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|
|
if b {
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|
//删除成功,size-1
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|
|
t.size--
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|
|
if t.size == 0 {
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|
|
//所有string都被删除,根节点置为nil
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|
|
t.root = nil
|
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|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.mutex.Unlock()
|
|||
|
|
return b
|
|||
|
|
}
|
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|
|
```
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|
|
|
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|
|
以node单词查找树节点做接收者，从n节点中继续删除以s为索引的元素e,且当前抵达的string位置为p，当到达s终点时进行删除,如果此时node未承载元素则删除失败,否则成功，当未到达终点时,根据当前抵达的位置去寻找其子结点继续遍历即可,若其分叉为nil则直接失败。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
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|
|
func (n *node) erase(s string, p int) (b bool) {
|
|||
|
|
if p == len(s) {
|
|||
|
|
if n.value != nil {
|
|||
|
|
n.value = nil
|
|||
|
|
n.num--
|
|||
|
|
return true
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
idx := getIdx(s[p])
|
|||
|
|
if idx == -1 {
|
|||
|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if n.son[idx] == nil {
|
|||
|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
b = n.son[idx].erase(s, p+1)
|
|||
|
|
if b {
|
|||
|
|
n.num--
|
|||
|
|
if n.son[idx].num == 0 {
|
|||
|
|
n.son[idx] = nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return b
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Delete
|
|||
|
|
|
|||
|
|
以trie单词查找树做接收者，从trie树中删除以s为前缀的所有元素。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
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|
|
func (t *trie) Delete(s string) (num int) {
|
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|
|
if t == nil {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.Empty() {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if len(s) == 0 {
|
|||
|
|
//长度为0无法删除
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.root == nil {
|
|||
|
|
//根节点为nil即无法删除
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.mutex.Lock()
|
|||
|
|
//从根节点开始删除
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|
|
num = t.root.delete(s, 0)
|
|||
|
|
if num > 0 {
|
|||
|
|
//删除成功
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|
t.size -= num
|
|||
|
|
if t.size <= 0 {
|
|||
|
|
//所有string都被删除,根节点置为nil
|
|||
|
|
t.root = nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.mutex.Unlock()
|
|||
|
|
return num
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
以node单词查找树节点做接收者，从n节点中继续删除以s为索引的元素e,且当前抵达的string位置为p，当到达s终点时进行删除,删除所有后续元素,并返回其后续元素的数量，当未到达终点时,根据当前抵达的位置去寻找其子结点继续遍历即可,若其分叉为nil则直接返回0。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
func (n *node) delete(s string, p int) (num int) {
|
|||
|
|
if p == len(s) {
|
|||
|
|
return n.num
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
idx := getIdx(s[p])
|
|||
|
|
if idx == -1 {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if n.son[idx] == nil {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
num = n.son[idx].delete(s, p+1)
|
|||
|
|
if num>0 {
|
|||
|
|
n.num-=num
|
|||
|
|
if n.son[idx].num <= 0 {
|
|||
|
|
n.son[idx] = nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return num
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
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|
|
#### Count
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|
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|||
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|
以trie单词查找树做接收者，从trie中查找以s为前缀的所有string的个数，如果存在以s为前缀的则返回大于0的值即其数量，如果未找到则返回0。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
func (t *trie) Count(s string) (num int) {
|
|||
|
|
if t == nil {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.Empty() {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.root == nil {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.mutex.Lock()
|
|||
|
|
//统计所有以s为前缀的string的数量并返回
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|||
|
|
num = int(t.root.count(s, 0))
|
|||
|
|
t.mutex.Unlock()
|
|||
|
|
return num
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
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|||
|
|
|
|||
|
|
以node单词查找树节点做接收者，从n节点中继续查找以s为前缀索引的元素e,且当前抵达的string位置为p，当到达s终点时返回其值即可，当未到达终点时,根据当前抵达的位置去寻找其子结点继续遍历即可,当其分叉为nil则直接返回0。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
func (n *node) count(s string, p int) (num int) {
|
|||
|
|
if p == len(s) {
|
|||
|
|
return n.num
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
idx := getIdx(s[p])
|
|||
|
|
if idx == -1 {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if n.son[idx] == nil {
|
|||
|
|
return 0
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return n.son[idx].count(s, p+1)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Find
|
|||
|
|
|
|||
|
|
以trie单词查找树做接收者，从trie中查找以s为索引的元素e,找到则返回e，如果未找到则返回nil。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
func (t *trie) Find(s string) (e interface{}) {
|
|||
|
|
if t == nil {
|
|||
|
|
return nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.Empty() {
|
|||
|
|
return nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if t.root == nil {
|
|||
|
|
return nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.mutex.Lock()
|
|||
|
|
//从根节点开始查找以s为索引的元素e
|
|||
|
|
e = t.root.find(s, 0)
|
|||
|
|
t.mutex.Unlock()
|
|||
|
|
return e
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
以node单词查找树节点做接收者，从n节点中继续查找以s为前缀索引的元素e,且当前抵达的string位置为p，当到达s终点时返回其承载的元素即可，当未到达终点时,根据当前抵达的位置去寻找其子结点继续遍历即可,当其分叉为nil则直接返回nil。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
func (n *node) find(s string, p int) (e interface{}) {
|
|||
|
|
if p == len(s) {
|
|||
|
|
return n.value
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
idx := getIdx(s[p])
|
|||
|
|
if idx == -1 {
|
|||
|
|
return nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if n.son[idx] == nil {
|
|||
|
|
return nil
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return n.son[idx].find(s, p+1)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 使用示例
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
package main
|
|||
|
|
|
|||
|
|
import (
|
|||
|
|
"fmt"
|
|||
|
|
"github.com/hlccd/goSTL/data_structure/trie"
|
|||
|
|
)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
func main() {
|
|||
|
|
t:=trie.New()
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd","hlccd")
|
|||
|
|
t.Insert("ha","ha")
|
|||
|
|
t.Insert("hb","hb")
|
|||
|
|
t.Insert("hc","hc")
|
|||
|
|
t.Insert("hd","hd")
|
|||
|
|
t.Insert("he","he")
|
|||
|
|
t.Insert("hl","hl")
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd1","hlccd1")
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd2","hlccd2")
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd3","hlccd3")
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd+","hlccd")
|
|||
|
|
t.Insert("hlccd/","hlccd")
|
|||
|
|
fmt.Println("当前插入的所有string:")
|
|||
|
|
for i:=t.Iterator().Begin();i.HasNext();i.Next(){
|
|||
|
|
fmt.Println(i.Value())
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.Erase("h")
|
|||
|
|
t.Erase("ha")
|
|||
|
|
t.Erase("hb")
|
|||
|
|
t.Erase("hc")
|
|||
|
|
t.Erase("hd")
|
|||
|
|
t.Erase("he")
|
|||
|
|
fmt.Println("定向删除后剩余的string:")
|
|||
|
|
for i:=t.Iterator().Begin();i.HasNext();i.Next(){
|
|||
|
|
fmt.Println(i.Value())
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
t.Delete("h")
|
|||
|
|
fmt.Println("删除以'h'为前缀的所有元素后剩余的数量:")
|
|||
|
|
for i:=t.Iterator().Begin();i.HasNext();i.Next(){
|
|||
|
|
fmt.Println(i.Value())
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
> 当前插入的所有string:
|
|||
|
|
> ha
|
|||
|
|
> hb
|
|||
|
|
> hc
|
|||
|
|
> hd
|
|||
|
|
> he
|
|||
|
|
> hl
|
|||
|
|
> hlccd
|
|||
|
|
> hlccd1
|
|||
|
|
> hlccd2
|
|||
|
|
> hlccd3
|
|||
|
|
> 定向删除后剩余的string:
|
|||
|
|
> hl
|
|||
|
|
> hlccd
|
|||
|
|
> hlccd1
|
|||
|
|
> hlccd2
|
|||
|
|
> hlccd3
|
|||
|
|
> 删除以'h'为前缀的所有元素后剩余的数量:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### 时间开销
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```go
|
|||
|
|
package main
|
|||
|
|
|
|||
|
|
import (
|
|||
|
|
"fmt"
|
|||
|
|
"github.com/hlccd/goSTL/data_structure/trie"
|
|||
|
|
"math/rand"
|
|||
|
|
"time"
|
|||
|
|
)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
func main() {
|
|||
|
|
max := 3000000
|
|||
|
|
ss := ""
|
|||
|
|
r := rand.New(rand.NewSource(time.Now().UnixNano()))
|
|||
|
|
ts := time.Now()
|
|||
|
|
s := make([]string, 0, 0)
|
|||
|
|
for i := 0; i < max; i++ {
|
|||
|
|
ss = fmt.Sprintf("%d", r.Intn(4294967295))
|
|||
|
|
s = append(s, ss)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
fmt.Println("slice消耗时间:", time.Since(ts))
|
|||
|
|
tm := time.Now()
|
|||
|
|
m := make(map[string]bool)
|
|||
|
|
for i := 0; i < max; i++ {
|
|||
|
|
ss = fmt.Sprintf("%d", r.Intn(4294967295))
|
|||
|
|
m[ss] = true
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
fmt.Println("map消耗时间:", time.Since(tm))
|
|||
|
|
tt := time.Now()
|
|||
|
|
t := trie.New()
|
|||
|
|
for i := 0; i < max; i++ {
|
|||
|
|
ss = fmt.Sprintf("%d", r.Intn(4294967295))
|
|||
|
|
t.Insert(ss, true)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
fmt.Println("trie消耗时间:", time.Since(tt))
|
|||
|
|
tt1 := time.Now()
|
|||
|
|
t.Iterator()
|
|||
|
|
fmt.Println("trie遍历消耗的时间:", time.Since(tt1))
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
> slice消耗时间: 586.3899ms
|
|||
|
|
> map消耗时间: 1.192838s
|
|||
|
|
> trie消耗时间: 6.4676663s
|
|||
|
|
> trie遍历消耗的时间: 4.3793102s
|