• 【数据结构】二叉树 (Binary Tree)


    目录

    一. 什么是树?

    二. 二叉树


    一.什么是树?

    之前咱们学习了一些简单的数据结构,如顺序表,链表,这些都是线性结构,线性结构的特点是结构中的数据元素之间是一对一的关系

    而今天咱们需要接触一个树型的数据结构——二叉树

    首先,什么是树型结构?

    树形结构中的数据元素之间存在一种一对多的层次关系

    树型结构反映了数据元素之间的层次关系和分支关系,非常类似于自然界中的树。树型结构在现实生活中广泛存在,如企业的组织结构图等。另外,在计算机科学中亦具有广泛的应用,如编译程序中源程序的语法结构就是用树型结构来表示的;数据库系统中也采用树型结构组织信息。

    树的特点:

    • 有一个特殊的结点,称为根结点,根结点没有前驱结点
    • 除根结点外,其余结点被分成M(M > 0)个互不相交的集合T1、T2、......、Tm,其中每一个集合 Ti (1 <= i<= m) 又是一棵与树类似的子树。每棵子树的根结点有且只有一个前驱,可以有0个或多个后继
    • 树是递归定义的。

      树的定义其实就是我们在讲解栈时提到的递归的方法。也就是在树的定义之中还用到了树的概念,这是一种比较新的定义方法。图中的子树T1和子树T2就是根结点A的子树。

    对于树的定义还需要强调两点:

    1. 根结点唯一的,不可能存在多个根结点,别和现实中的大树混在一起,现实中的树有很多根须,那是真实的树,数据结构中的树是只能有一一个根结点。
    2. 子树的个数没有限制,但它们一定是互不相交的。

     需要重点记住:树形结构中,子树之间不能有交集,否则就不是树形结构

     有关树的一些概念的总结:

    • 结点的度:一个结点含有子树的个数称为该结点的度; 如上图:A的度为6
    • 树的度:一棵树中,所有结点度的最大值称为树的度; 如上图:树的度为6
    • 叶子结点或终端结点:度为0的结点称为叶结点; 如上图:B、C、H、I...等节点为叶结点
    • 双亲结点或父结点:若一个结点含有子结点,则这个结点称为其子结点的父结点; 如上图:A是B的父结点
    • 孩子结点或子结点:一个结点含有的子树的根结点称为该结点的子结点; 如上图:B是A的子结点
    • 根结点:一棵树中,没有双亲结点的结点;如上图:A

    • 结点的层次:从根开始定义起,根为第1层,根的子结点为第2层,以此类推
    • 树的高度或深度:高度是树中结点的最大层次,相当于最大深度;深度相当于层数

    树的以下概念仅作了解,用的不多

    • 非终端结点或分支结点:度不为0的结点; 如上图:D、E、F、G...等节点为分支结点
    • 兄弟结点:具有相同父结点的结点互称为兄弟结点; 如上图:B、C是兄弟结点
    • 堂兄弟结点:双亲在同一层的结点互为堂兄弟;如上图:H、I互为兄弟结点
    • 结点的祖先:从根到该结点所经分支上的所有结点;如上图:A是所有结点的祖先
    • 子孙:以某结点为根的子树中任一结点都称为该结点的子孙。如上图:所有结点都是A的子孙
    • 森林:由m(m>=0)棵互不相交的树组成的集合称为森林

    对比线性表和树的结构,它们有很大的不同

    树的表示形式

    树结构相对线性表就比较复杂了,要存储表示起来就比较麻烦了,实际中树有很多种表示方式,如:双亲表示法,孩子表示法、孩子双亲表示法、孩子兄弟表示法等等。我们这里就简单的了解其中最常用的孩子兄弟表示法

    首先我们把树抽象化

    1. class Node {
    2. int value; // 树中存储的数据
    3. Node firstChild; // 第一个孩子引用
    4. Node nextBrother; // 下一个兄弟引用
    5. }

    我们引用一张图来搭配着看这个代码


     如果child和brother不指向另一个,则它们为null,如A的brother的值就是null

    其它表示方法我们后续再介绍

    二.二叉树

    下面我们正式来介绍二叉树

     二叉树( Binary Tree)是n(n≥0)个结点的有限集合,该集合或者为空集(称为空二叉树),或者由一个根结点和两棵互不相交的、分别称为根结点的左子树和右子树的二叉树组成。

    通常对于在某个阶段都是两种结果的情形,比如开和关、0和1、真和假、上和下、对与错,正面与反面等,都适合用树状结构来建模,而这种树是一种很特殊的树状结构,叫做二叉树。

    一棵二叉树是结点的一个有限集合,该集合
    1. 或者为空
    2. 或者是由一个根节点加上两棵别称为左子树和右子树的二叉树组成。

     从上图可以看出:
    1. 二叉树不存在度大于2的结点(每个节点最多两个子树)
    2. 二叉树的子树有左右之分,次序不能颠倒,因此二叉树是有序树

    注意:对于任意的二叉树都是由以下几种情况复合而成的:

    特殊二叉树 

     我们再来介绍一些特殊的二叉树。这些树可能暂时你不能理解它有什么用处,但先了解一下,以后会提到它们的实际用途。

    1.斜树

    顾名思义,斜树一定要是斜的,但是往哪斜还是有讲究。所有的结点都只有左子树的二叉树叫左斜树。所有结点都是只有右子树的二叉树叫右斜树。这两者统称为斜树。下图中的树分别就是左斜树和右斜树。斜树有很明显的特点,就是每一层都只有一个结点,结点的个数与二叉树的深度相同。

    2.满二叉树

    在一棵二叉树中,如果所有分支结点都存在左子树和右子树,并且所有叶子都在同一层上,这样的二叉树称为满二叉树。 一棵二叉树,如果每层的结点数都达到最大值,则这棵二叉树就是满二叉树。也就是说,如果一棵二叉树的层数为K,且结点总数是 ,则它就是满二叉树

    单是每个结点都存在左右子树,不能算是满二叉树,还必须要所有的叶子都在同
    一层上,这就做到了整棵树的平衡。因此,满二叉树的特点有:
    (1)叶子只能出现在最下一-层。出现在其他层就不可能达成平衡。
    (2)非叶子结点的度- -定是2。否则就是“缺胳膊少腿”了。
    (3)在同样深度的二叉树中,满二叉树的结点个数最多,叶子数最多。

     3.完全二叉树

    对一棵具有n个结点的二叉树按层序编号,如果编号为i (1<i≤n)的结点与同样深度的满二叉树中编号为 i 的结点在二叉树中位置完全相同,则这棵二叉树称为完全二叉树,如图所示


    注:这里有个关键词是按层序编号   如果编号是连续的,那么它是完全二叉树。

    也就是说树。因此,在完全二叉树中,若某个结点没有左儿子,则它-一定没有右儿子,即该结点必是叶结点。

    我们重点介绍一下

    上图中因为5结点没有左子树,却有右子树,那就使得按层序编号的第10个编号空档了。所以它不是完全二叉树


     图中又是因为5编号下没有子树造成第10和第11位置空档。所以不是完全二叉树


     由于编号连续,所以是完全二叉树

     那么现在,我想你一定对满二叉树、完全二叉树的概念有了一些了解

    二叉树的性质

    下面我们来学习一下二叉树的性质,二叉树有一些需要理解并记住的特性,以便于我们更好地使用它。

    1. 若规定根结点的层数为1,则一棵非空二叉树的第i层上最多有 2^(i-1) (i>0)个结点
    2. 若规定只有根结点的二叉树的深度为1,则深度为K的二叉树的最大结点数是2^(k-1)  (k>=0)
    3. 对任何一棵二叉树, 如果其叶结点个数为 n0, 度为2的非叶结点个数为 n2,则有n0=n2+1
    4. 具有n个结点的完全二叉树的深度 k 为 log2(n+1)上取整
    5. 对于具有n个结点的完全二叉树,如果按照从上至下从左至右的顺序对所有节点从0开始编号,则对于序号为i的结点有:

    • 若孩子结点的序号为i,若i>0,则双亲序号:(i-1)/2;若i=0,i为根结点编号,无双亲结点
    • 若父亲结点的序号为i若 2i+1<n,则左孩子序号:2i+1,否则无左孩子;若2i+2<n,右孩子序号:2i+2,否则无右孩子

     注:

    对于性质3的推导,需要用到边和结点的个数的关系,分别看n0、n1、n2的边数

    二叉树的存储

      对于二叉树的存储,由于树是一种一对多的关系结构。所以顺序存储实现树是比较困难的,但是二叉树是一种特殊的树,由于它的特殊性,使得用顺序存储结构也可以实现,但目前我们先不对顺序存储实现二叉树做过多的叙述,因为对于二叉树的存储,顺序存储的适用性并不强,用的最多的往往是链式存储结构,下面我们就来介绍二叉树的链式存储(二叉链表)

     叉树每个结点最多有两个孩子,所以为它设计-一个数据域和两个指针域是比较自然的想法,我们称这样的链表叫做二叉链表。结点结构图如表所示。

    二叉树的链式存储是通过一个一个的节点引用起来的,常见的表示方式有二叉和三叉表示方式,具体如下

    1. // 孩子表示法
    2. class Node {
    3. int val; // 数据域
    4. Node left; // 左孩子的引用,常常代表左孩子为根的整棵左子树
    5. Node right; // 右孩子的引用,常常代表右孩子为根的整棵右子树
    6. }
    7. // 孩子双亲表示法
    8. class Node {
    9. int val; // 数据域
    10. Node left; // 左孩子的引用,常常代表左孩子为根的整棵左子树
    11. Node right; // 右孩子的引用,常常代表右孩子为根的整棵右子树
    12. Node parent; // 当前节点的根节点
    13. }

     我们可以把两种方法抽象化

    孩子表示法其实就是由下图这样的结点一个一个组成的

     那么每个结点之间是怎么建立连接的呢,我们简单画个示意图

    结构示意图如图所示

     孩子双亲表示法

     也就是多了一个存储双亲结点的引用

    孩子双亲表示法后续会在平衡树位置介绍,本文采用孩子表示法来构建二叉树
     

    由于现在大家对二叉树结构掌握还不够深入,为了降低大家学习成本,此处手动快速创建一棵简单的二叉树,快速进入二叉树操作学习,等二叉树结构了解的差不多时,我们反过头再来研究二叉树真正的创建方式。

    下面我们试着创建一个这样的二叉树 

    1. public class BinaryTree {
    2. static class TreeNode{
    3. public char val;
    4. public TreeNode left;//左孩子的引用
    5. public TreeNode right;//右孩子的引用
    6. public TreeNode(char val){
    7. this.val = val;
    8. }
    9. }
    10. public TreeNode root;//根结点
    11. public void createTree(){
    12. TreeNode A = new TreeNode('A');
    13. TreeNode B = new TreeNode('B');
    14. TreeNode C = new TreeNode('C');
    15. TreeNode D = new TreeNode('D');
    16. TreeNode E = new TreeNode('E');
    17. TreeNode F = new TreeNode('F');
    18. TreeNode G = new TreeNode('G');
    19. TreeNode H = new TreeNode('H');
    20. A.left = B;
    21. A.right = C;
    22. B.left = D;
    23. B.right = E;
    24. C.left = F;
    25. C.right = G;
    26. E.right = H;
    27. root = A;
    28. }

    注意:上述代码并不是创建二叉树的方式,真正创建二叉树方式后序详解重点讲解

    二叉树的遍历

    学习二叉树结构,最简单的方式就是遍历。所谓遍历(Traversal)是指沿着某条搜索路线,依次对树中每个结点均做一次且仅做一次访问。访问结点所做的操作依赖于具体的应用问题(比如:打印节点内容、节点内容加1)。 遍历是二叉树上最重要的操作之一,是二叉树上进行其它运算之基础

    在遍历二叉树时,如果没有进行某种约定,每个人都按照自己的方式遍历,得出的结果就比较混乱,如果按照某种规则进行约定,则每个人对于同一棵树的遍历结果肯定是相同的。如果N代表根节点,L代表根节点的左子树,R代表根节点的右子树,则根据遍历根节点的先后次序有以下遍历方式:

    • NLR:前序遍历(Preorder Traversal 亦称先序/先根遍历)——访问根结点--->根的左子树--->根的右子树。
    • LNR:中序遍历(Inorder Traversal)——根的左子树--->根节点--->根的右子树。
    • LRN:后序遍历(Postorder Traversal)——根的左子树--->根的右子树--->根节点。


    前序遍历:访问根结点--->根的左子树--->根的右子树。规则是若二叉树为空,则空操作返回,否则先访问根结点,然后前序遍历左子树、再前序谝历右子树。

     遍历的顺序为: ABDGHCEIF


    中序遍历:根的左子树--->根节点--->根的右子树,规则是若树为空,则空操作返回,否则从根结点开始(注意并不是先访问根结点),中序遍历根结点的左子树,然后是访问根结点,最后中序遍历右子树。

     遍历的顺序为: GDHBAEICF。


    后序遍历:根的左子树--->根的右子树--->根节点。规则是若树为空,则空操作返回,否则丛左到有先叶子后结点的方式遍历访问左右子树,最后是访问根结点。

    遍历的顺序为: GHDBIEFCA 


    层序遍历

      除了先序遍历、中序遍历、后序遍历外,还可以对二叉树进行层序遍历。设二叉树的根节点所在
    层数为1,层序遍历就是从所在二叉树的根节点出发,首先访问第一层的树根节点,然后从左到右访问第2层上的节点,接着是第三层的节点,以此类推,自上而下,自左至右逐层访问树的结点的过程就是层序遍历
     


    练习:根据以上二叉树的遍历方式,给出以下二叉树的
     

    前序:ABDEHCFG

    中序:DBEHAFCG

    后序: DHEBFGCA

    层序:ABCDEFGH

    我们可以通过几个题目巩固一下

     用代码实现三种遍历(递归、非递归)

    1. import java.util.ArrayList;
    2. import java.util.List;
    3. public class BinaryTree {
    4. static class TreeNode{
    5. public char val;
    6. public TreeNode left;//左孩子的引用
    7. public TreeNode right;//右孩子的引用
    8. public TreeNode(char val){
    9. this.val = val;
    10. }
    11. }
    12. //public TreeNode root;//根结点
    13. /**
    14. * 创建一棵二叉树 返回这棵树的根结点
    15. * @return 根结点
    16. *
    17. */
    18. public TreeNode createTree(){
    19. TreeNode A = new TreeNode('A');
    20. TreeNode B = new TreeNode('B');
    21. TreeNode C = new TreeNode('C');
    22. TreeNode D = new TreeNode('D');
    23. TreeNode E = new TreeNode('E');
    24. TreeNode F = new TreeNode('F');
    25. TreeNode G = new TreeNode('G');
    26. TreeNode H = new TreeNode('H');
    27. A.left = B;
    28. A.right = C;
    29. B.left = D;
    30. B.right = E;
    31. C.left = F;
    32. C.right = G;
    33. E.right = H;
    34. return A;
    35. }
    36. // 前序遍历(递归,无返回值)
    37. public void preOrder(TreeNode root){
    38. if(root == null)return;
    39. System.out.print(root.val+" ");
    40. preOrder(root.left);
    41. preOrder(root.right);
    42. }
    43. //前序遍历(递归,有返回值)
    44. public List<Character> preorderTraversal(TreeNode root) {
    45. List<Character> ret = new ArrayList<>();
    46. if(root==null)return ret;
    47. ret.add(root.val);
    48. List<Character> leftTree = preorderTraversal(root.left);
    49. ret.addAll(leftTree);
    50. List<Character> rightTree = preorderTraversal(root.right);
    51. ret.addAll(rightTree);
    52. return ret;
    53. }
    54. //前序遍历(非递归)
    55. public List<Character> preorderTraversalNor(TreeNode root) {
    56. List<Character> list = new ArrayList<>();
    57. if(root==null) return list;
    58. Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    59. TreeNode cur = root;
    60. while(cur!=null || !stack.empty()){
    61. while (cur!=null){
    62. stack.push(cur);
    63. list.add(cur.val);
    64. cur = cur.left;
    65. }
    66. TreeNode top = stack.pop();
    67. cur = top.right;
    68. }
    69. return listist;
    70. }
    71. // 中序遍历(递归,无返回值)
    72. public void inOrder(TreeNode root){
    73. if (root==null)return;
    74. inOrder(root.left);
    75. System.out.print(root.val+" ");
    76. inOrder(root.right);
    77. }
    78. //中序遍历(递归,有返回值)
    79. public List<Character> inorderTraversal(TreeNode root) {
    80. List<Character> ret = new ArrayList<>();
    81. if(root==null)return ret;
    82. List<Character> leftTree = inorderTraversal(root.left);
    83. ret.addAll(leftTree);
    84. ret.add(root.val);
    85. List<Character> rightTree = inorderTraversal(root.right);
    86. ret.addAll(rightTree);
    87. return ret;
    88. }
    89. //中序遍历(非递归)
    90. public List<Character> inorderTraversalNor(TreeNode root) {
    91. List<Character> list = new ArrayList<>();
    92. if(root==null) return list;
    93. Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    94. TreeNode cur = root;
    95. while(cur!=null || !stack.empty()){
    96. while (cur!=null){
    97. stack.push(cur);
    98. cur = cur.left;
    99. }
    100. TreeNode top = stack.pop();
    101. list.add(top.val);
    102. cur = top.right;
    103. }
    104. return list;
    105. }
    106. // 后序遍历
    107. public void postOrder(TreeNode root){
    108. if (root==null)return;
    109. postOrder(root.left);
    110. postOrder(root.right);
    111. System.out.print(root.val+" ");
    112. }
    113. //后序遍历(递归,有返回值)
    114. public List<Character> postorderTraversal(TreeNode root) {
    115. List<Character> ret = new ArrayList<>();
    116. if(root==null)return ret;
    117. List<Character> leftTree = postorderTraversal(root.left);
    118. ret.addAll(leftTree);
    119. List<Character> rightTree = postorderTraversal(root.right);
    120. ret.addAll(rightTree);
    121. ret.add(root.val);
    122. return ret;
    123. }
    124. //后序遍历(非递归)
    125. public List<Character> postorderTraversalNor(TreeNode root) {
    126. List<Character> list = new ArrayList<>();
    127. if(root==null) return list;
    128. Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    129. TreeNode cur = root;
    130. TreeNode prev = null;
    131. while (cur!=null || !stack.empty()) {
    132. while (cur != null) {
    133. stack.push(cur);
    134. cur = cur.left;
    135. }
    136. TreeNode top = stack.peek();
    137. if (top.right == null || top.right == prev) {
    138. stack.pop();
    139. list.add(top.val);
    140. prev = top;//记录一下最近一次被打印的结点,防止重复打印
    141. } else {
    142. cur = top.right;
    143. }
    144. }
    145. return list;
    146. }

     二叉树的基本操作

    1. // 获取树中节点的个数
    2. int size(Node root);
    3. // 获取叶子节点的个数
    4. int getLeafNodeCount(Node root);
    5. // 子问题思路-求叶子结点个数
    6. // 获取第K层节点的个数
    7. int getKLevelNodeCount(Node root);
    8. // 获取二叉树的高度
    9. int getHeight(Node root);
    10. // 检测值为value的元素是否存在
    11. Node find(Node root, int val);
    12. //层序遍历
    13. void levelOrder(Node root);
    14. // 判断一棵树是不是完全二叉树
    15. boolean isCompleteTree(Node root);

     代码

    1. public static int nodeSize;
    2. // 获取树中节点的个数(遍历思路)
    3. public int size1(TreeNode root){
    4. if(root==null)return 0;
    5. nodeSize++;
    6. size1(root.left);
    7. size1(root.right);
    8. return nodeSize ;
    9. }
    10. // 获取树中节点的个数(子问题思路)
    11. //结点数 = 左树 + 右树 +1
    12. public int size2(TreeNode root) {
    13. if(root==null)return 0;
    14. return size2(root.left)+size2(root.left)+1;
    15. }
    16. public int leafSize;
    17. // 获取叶子节点的个数(遍历思路:满足叶子节点就++)
    18. public int getLeafNodeCount1(TreeNode root){
    19. if(root == null) return 0;
    20. if(root.left==null && root.right==null) leafSize++;
    21. getLeafNodeCount1(root.left);
    22. getLeafNodeCount1(root.right);
    23. return leafSize;
    24. }
    25. // 获取叶子节点的个数(子问题思路:左树叶子结点+右树叶子节点)
    26. public int getLeafNodeCount2(TreeNode root){
    27. if(root == null) return 0;
    28. if(root.left==null && root.right==null) return 1;
    29. return getLeafNodeCount2(root.left)+getLeafNodeCount2(root.right);
    30. }
    31. // 获取第K层节点的个数(左树 k-1 层个数 + 右树 k-1 层个数 )
    32. public int getKLevelNodeCount(TreeNode root,int k){
    33. if(root == null) return 0;
    34. if(k == 1) return 1;
    35. return getKLevelNodeCount(root.left,k-1)+getKLevelNodeCount(root.right,k-1);
    36. }
    37. // 获取二叉树的高度(左树、右树高度的最大值+1)
    38. public int getHeight(TreeNode root){
    39. if(root==null) return 0;
    40. int leftHeight = getHeight(root.left);
    41. int rightHeight = getHeight(root.right);
    42. return leftHeight > rightHeight ? leftHeight+1 : rightHeight+1 ;
    43. }
    44. // 检测值为value的元素是否存在
    45. public TreeNode find(TreeNode root, int val){
    46. if(root==null)return null;
    47. if(root.val==val) return root;
    48. TreeNode ret = find(root.left,val);
    49. if(ret!=null){
    50. return ret;
    51. }
    52. ret = find(root.right,val);
    53. if(ret!=null){
    54. return ret;
    55. }
    56. return null;
    57. }
    58. //层序遍历(非递归:用队列)
    59. public void levelOrder(TreeNode root){
    60. if(root == null)return;
    61. Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
    62. queue.offer(root);
    63. while(!queue.isEmpty()){
    64. TreeNode cur = queue.poll();
    65. System.out.print(cur.val+" ");
    66. if(cur.left != null) queue.offer(cur.left);
    67. if(cur.right != null) queue.offer(cur.right);
    68. }
    69. }
    70. //层序遍历(返回其节点值的 层序遍历)
    71. public List<List<Character>> levelOrder2(TreeNode root){
    72. List<List<Character>> ret = new ArrayList<>();
    73. if(root == null) return ret;
    74. Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
    75. queue.offer(root);
    76. while (!queue.isEmpty()){
    77. int size = queue.size();
    78. List<Character> list = new ArrayList<>();//每一层
    79. while (size!=0){
    80. TreeNode cur = queue.poll();
    81. list.add(cur.val);
    82. size--;
    83. if(cur.left!=null) queue.offer(cur.left);
    84. if(cur.right!=null) queue.offer(cur.right);
    85. }
    86. ret.add(list);//每一层
    87. }
    88. return ret;
    89. }
    90. // 判断一棵树是不是完全二叉树
    91. //把一个结点从队列中弹出的时候,把它的左结点和右结点入队,依次这样循环操作
    92. //当有null弹出,如果队列中剩下的全部都是null,则为完全二叉树,如果不全是则不是完全二叉树
    93. public boolean isCompleteTree(TreeNode root){
    94. if(root==null) return false;
    95. Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
    96. queue.offer(root);
    97. while (!queue.isEmpty()){
    98. TreeNode cur = queue.poll();
    99. if(cur!=null){
    100. queue.offer(cur.left);
    101. queue.offer(cur.right);
    102. }else{
    103. break;
    104. }
    105. }
    106. //第二次遍历队列 判断队列中是否有不为空的元素
    107. while(!queue.isEmpty()) {
    108. TreeNode cur = queue.peek();
    109. if (cur == null) {
    110. queue.poll();
    111. } else {
    112. return false;
    113. }
    114. }
    115. return true;
    116. }

    好了,关于二叉树先介绍这么多,我们准备了一些题目帮助你更好地理解二叉树

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