【数据结构】树和二叉树
创始人
2024-11-06 04:35:59
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目录

1.前言

2.树

2.1树的概念

2.2树中的重要概念

2.3树的表示形式

 2.4树的应用

3.二叉树

3.1概念

3.2两种特殊的二叉树

3.3二叉树的性质

3.4二叉树的存储

3.5二叉树的遍历方式

3.5.1创建二叉树

3.5.2二叉树的遍历

3.6二叉树的基本操作

4.总结


1.前言

二叉树是数据结构中比较难的数据结构之一,树在计算机中的应用也是非常广泛,例如文件系统、数据库查询、图形处理等。树结构的优点是:可以用来表示关系,可以用来存储和查询大量数据,可以用来实现文件管理和数据库管理等功能。接下来,让我们一起去认识并学习树和二叉树!

2.

2.1树的概念

树是一种非线性的数据结构,它是由n(n>=0)个有限结点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做树是因为它看起来像一棵倒挂的树,也就是说它是根朝上,而叶朝下的。它具有以下的特点
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。

注意:树形结构中,子树之间不能有交集,否则就不是树形结构 。 

2.2树中的重要概念

 

  • 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的孩子结点。
  • 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:树中结点的最大层次; 如上图:树的高度为4。

2.3树的表示形式

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。最常用的是孩子兄弟表示法
class Node {     int value; // 树中存储的数据     Node firstChild; // 第一个孩子引用     Node nextBrother; // 下一个兄弟引用 }

 2.4树的应用

树的应用非常广泛,比如文件系统管理(目录和文件)。

3.二叉树

3.1概念

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

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

3.2两种特殊的二叉树

1. 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2^k -1,则它就是满二叉树

2. 完全二叉树: 完全二叉树是效率很高的数据结构,完全二叉树是由满二叉树而引出来的。对于深度为K的,有n个结点的二叉树,当且仅当其每一个结点都与深度为K的满二叉树中编号从0至n-1的结点一一对应时称之为完全二叉树。要注意的是满二叉树是一种特殊的完全二叉树

3.3二叉树的性质

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) 个节点(i > 0)。

2.若规定只有根节点的二叉树的深度为1,则深度为K的二叉树的最大节点数是2^k - 1(k >= 0)
3
.对任何一棵二叉树,如果其叶节点个数为n0,度为2的非叶节点个数为n2,则有n0 = n2 +1
4.
具有n个节点的完全二叉树的深度k为log₂(n + 1)向上取整
5.
对于具有n个节点的完全二叉树,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的节点有:

  • 若i>0,双亲序号:(i-1)/2i=0i为根结点编号,无双亲结点
  • 2i+1,左孩子序号:2i+1,否则无左孩子
  • 2i+2,右孩子序号:2i+2,否则无右孩子

 下面给大家来几道例题牛刀小试一下。

1. 某二叉树共有 399 个结点,其中有 199 个度为 2 的结点,则该二叉树中的叶子结点数为( )
A 不存在这样的二叉树
B 200
C 198
D 199

2.在具有 2n 个结点的完全二叉树中,叶子结点个数为( )
A n
B n+1
C n-1
D n/2

3.一个具有767个节点的完全二叉树,其叶子节点个数为()
A 383
B 384
C 385
D 386

4.一棵完全二叉树的节点数为531个,那么这棵树的高度为( )
A 11
B 10
C 8
D 12

答案:
1.B (199+1)
2.A   2n = n0 + n1 + n2,n0 = n2 + 1,n1 = 1,因此 n0 = n
3.B  n0 + 0 + n0 - 1 = 767  可得n0 = 384
4.B  log₂(531 + 1)  解出h = 10

3.4二叉树的存储

二叉树的存储结构分为:顺序存储类似于链表的链式存储。下面我们主要以链式存储来讲解。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:
//孩子表示法 class Node {     int val; //数据域     Node left; //左孩子的引用,常常代表左孩子为根的整棵左子树     Node right; //右孩子的引用,常常代表右孩子为根的整棵右子树 }  //孩子双亲表示法 class Node {     int val; //数据域     Node left; //左孩子的引用,常常代表左孩子为根的整棵左子树     Node right; //右孩子的引用,常常代表右孩子为根的整棵右子树     Node parent; //当前节点的根节点 }

本文后面主要采用孩子表示法创建二叉树。 

3.5二叉树的遍历方式

3.5.1创建二叉树

目前我们这里是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,并不是真正的创建二叉树的方式。
public class BinaryTree {     public class TreeNode {         TreeNode left;         TreeNode right;         int val;          public TreeNode(int val) {             this.val = val;         }     }       public TreeNode createTree() {         TreeNode node1 = new TreeNode(1);         TreeNode node2 = new TreeNode(2);         TreeNode node3 = new TreeNode(3);         TreeNode node4 = new TreeNode(4);         TreeNode node5 = new TreeNode(5);         TreeNode node6 = new TreeNode(6);          node1.left = node2;         node1.right = node3;         node2.left = node4;         node2.right = node5;         node3.left = node6;         return node1;     } }

3.5.2二叉树的遍历

1. 前中后序遍历所谓遍历(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)。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的基础。根据遍历根节点的先后次序有以下遍历方式:
前序遍历:访问根结点——>根的左子树——>根的右子树。中序遍历:根的左子树——>根节点——>根的右子树。 后序遍历:根的左子树——>根的右子树——>根节点。
  • 前序遍历

代码实现如下:

    //前序遍历     public void preOrder(TreeNode root) {         //如果是空树则不需要遍历         if (root == null) {             return;         }         System.out.print(root.val + " ");//访问根节点         preOrder(root.leftNode);//前序遍历左子树         preOrder(root.rightNode);//前序遍历右子树     }
  • 中序遍历 

代码实现如下:

    //中序遍历     public void inOrder(TreeNode root) {         //如果是空树则不需要遍历         if (root == null) {             return;         }         inOrder(root.leftNode);//中序遍历左子树         System.out.print(root.val + " ");//访问根节点         inOrder(root.rightNode);//中序遍历右子树     }
  •  后序遍历

代码实现如下:

    //后序遍历     public void postOrder(TreeNode root) {         //如果是空树则不需要遍历         if (root == null) {             return;         }         postOrder(root.leftNode);//后序遍历左子树         postOrder(root.rightNode);//后序遍历右子树         System.out.print(root.val + " ");//访问根节点     }

下面简单举个例子:

public class Test {     public static void main(String[] args) {         BinaryTree binaryTree = new BinaryTree();         BinaryTree.TreeNode root =binaryTree.createTree();         System.out.println("前序遍历:");//前序遍历结果:1 2 4 5 3 6         binaryTree.preOrder(root);         System.out.println();         System.out.println("中序遍历:");//中序遍历结果:4 2 5 1 6 3         binaryTree.inOrder(root);         System.out.println();         System.out.println("后序遍历:");//后序遍历结果:4 5 2 6 3 1         binaryTree.postOrder(root);     } }

运行结果如下:

 上面所创建出来的二叉树画出来就是下面这样子。

2.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。 以上面创建的二叉树为例,实现层次遍历的代码如下:
public void levelOrder(TreeNode root) {         Queue queue = new LinkedList<>();         if (root == null) {             return;         }         queue.offer(root);         while (!queue.isEmpty()) {             TreeNode cur = queue.poll();             System.out.print(cur.val + " ");             if (cur.left != null) {                 queue.offer(cur.left);             }             if (cur.right != null) {                 queue.offer(cur.right);             }         }         System.out.println();     }

我们通过队列实现层序遍历的功能,只要队列不为空,就把获取到的队头元素给cur,并且同时将这个元素打印出来,在把cur的左右两边代进去,如果左右两边为空的则不能代进去,只有非空才能代入里面。

下面给大家来几道关于二叉树遍历的习题练练手。
1.某完全二叉树按层次输出(同一层从左到右)的序列为ABCDEFGH。该完全二叉树的前序序列为()A: ABDHECFG   B: ABCDEFGH   C: HDBEAFCG   D: HDEBFGCA2.二叉树的先序遍历和中序遍历如下:先序遍历:EFHIGJK;中序遍历:HFIEJKG.则二叉树根结点为()A: E     B: F     C: G     D: H3.设一课二叉树的中序遍历序列:badce,后序遍历序列:bdeca,则二叉树前序遍历序列为()A: adbce   B: decab    C: debac    D: abcde4.某二叉树的后序遍历序列与中序遍历序列相同,均为ABCDEF,则按层次输出(同一层从左到右)的序列为()A: FEDCBA  B: CBAFED  C: DEFCBA  D: ABCDEF答案:1.A    2.A    3.D    4.A 

3.6二叉树的基本操作

1.获取树中节点的个数

//获取树的节点个数     //方法1:递归     public int size(TreeNode root) {         if (root == null) {             return 0;         }         int ret = size(root.left) + size(root.right) + 1;         return ret;     }      //方法2:遍历     public static int nodeSize;      public void size1(TreeNode root) {         if (root == null) {             return;         }         nodeSize++;         size1(root.left);         size1(root.right);     }
public class Test {     //二叉树的基本操作     public static void main(String[] args) {         BinaryTree binaryTree = new BinaryTree();         BinaryTree.TreeNode root = binaryTree.createNode();         binaryTree.preOrder(root);          System.out.println();         binaryTree.inOrder(root);          System.out.println();         binaryTree.postOrder(root);         System.out.println();         System.out.print("树的节点个数:");         System.out.println(binaryTree.size(root));     } }

运行结果如下:

2.获取叶子节点的个数

//获取叶子节点的个数     //方法1     public int getLeafNodeCount(TreeNode root) {         if (root == null) {             return 0;         }         if (root.left == null && root.right == null) {             return 1;         }         return getLeafNodeCount(root.left) + getLeafNodeCount(root.right);     }      //方法2:遍历     public int leafSize;      public void getLeafNodeCount1(TreeNode root) {         if (root == null) {             return;         }         if (root.left == null && root.right == null) {             leafSize++;         }         getLeafNodeCount1(root.left);         getLeafNodeCount1(root.right);     }

3. 获取第K层节点的个数

    //第K层有多少个结点     public int getKLeaveNodeCount(TreeNode root, int k) {         if (root == null) {             return 0;         }         if (k == 1) {             return 1;         }         return getKLeaveNodeCount(root.left, k - 1)                 + getKLeaveNodeCount(root.right, k - 1);     }

4.获取二叉树的高度

//求二叉树的高度     //时间复杂度:O(N)     public int getHeight(TreeNode root) {         if (root == null) {             return 0;         }         int leafHeight = getHeight(root.left);         int rightHeight = getHeight(root.right);         return leafHeight > rightHeight ?                 leafHeight + 1 : rightHeight + 1;     }

5.检测值为value的元素是否存在

 // 检测值为value的元素是否存在     public TreeNode find(TreeNode root, int val) {         if (root == null) {             return null;         }         if (root.val == val) {             return root;         }         TreeNode ret = find(root.left, val);         if (ret != null) {             return ret;         }         ret = find(root.right, val);         if (ret != null) {             return ret;         }         return null;     }

6.判断一棵树是不是完全二叉树

//判断一棵树是不是完全二叉树     public boolean isCompleteTree(TreeNode root) {         Queue queue = new LinkedList<>();         if (root == null) {             return true;         }         queue.offer(root);         while (!queue.isEmpty()) {             TreeNode cur = queue.poll();             if (cur == null) {                 break;             }             queue.offer(cur.left);             queue.offer(cur.right);         }         while (!queue.isEmpty()) {             TreeNode node = queue.peek();             if (node != null) {                 return false;             } else {                 queue.poll();             }         }         return true;     }

4.总结

本文的重点是树中的重要概念和二叉树的性质、遍历方式以及基本操作,小伙伴们在学习有关二叉树的内容,一定要画出二叉树,能够帮助我们更好地理解,再去编写代码。

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