数据结构-树
1.什么是树?
在计算机科学中,树是一种常用的非线性数据结构,用于表示具有层次关系的数据。与线性数据结构(如数组和链表)不同,树结构以节点(Nodes)和边(Edges)组成,通过根节点(Root Node)进行组织。每个节点可以有零个或多个子节点,形成一系列层级结构。
树的基本术语包括:
- 根节点(Root):树的最上层节点,没有父节点。
- 节点(Node):树中的基本单元,包含数据和指向子节点的引用。
- 子节点(Child):直接连接到某一节点的节点。
- 父节点(Parent):直接连接到子节点的节点。
- 叶节点(Leaf):没有子节点的节点。
- 深度(Depth):节点到根节点的路径长度。
- 高度(Height):节点到其最远叶节点的路径长度。
2.树的类型
- 二叉树(Binary Tree):每个节点最多有两个子节点(左子节点和右子节点)。
- 二叉搜索树(Binary Search Tree, BST):左子树的所有节点值小于根节点值,右子树的所有节点值大于根节点值。
- 平衡树(Balanced Tree):如 AVL 树和红黑树,保持树的高度平衡,以优化插入、删除和查找操作的时间复杂度。
2.1. 二叉树(Binary Tree)
定义:二叉树是一种每个节点最多有两个子节点的树形结构。每个节点通常包含三个部分:数据、左子节点、右子节点。
特点:
- 结构:每个节点有至多两个子节点,通常称为左子节点和右子节点。
- 类型:包括满二叉树(每个节点都有两个子节点)、完全二叉树(除了最底层外,所有层都是满的)和不完全二叉树(节点可能只有一个子节点)。
完全二叉树和非完全二叉树:
用途:广泛应用于表达结构性的数据,例如表达式树、决策树等。
2.2. 二叉搜索树(Binary Search Tree, BST)
定义:二叉搜索树是一种特殊的二叉树,其中每个节点的左子树包含小于该节点值的节点,右子树包含大于该节点值的节点。(值)
特点:
- 性质:对于每个节点,左子树的所有节点值小于该节点值,右子树的所有节点值大于该节点值。
- 操作:插入、删除和查找操作可以在平均 O(log n) 时间复杂度下完成,前提是树是平衡的。
用途:常用于实现高效的查找、插入和删除操作。
2.3. 平衡树(Balanced Tree)
定义:平衡树是一种自我调整的二叉搜索树,确保树的高度在一个合理范围内,从而优化操作效率。
类型:
- AVL 树:一种严格平衡的二叉搜索树,其中每个节点的左右子树高度差最多为1。插入和删除操作后,可能需要进行旋转来保持平衡。
- 红黑树:一种较宽松的平衡树,其中每个节点都有一个颜色属性(红色或黑色),并且遵循一系列规则来确保树的平衡。红黑树在插入和删除时也进行必要的旋转和重新着色。
特点:
- AVL 树:高度更严格平衡,查询操作通常较快,但插入和删除的旋转次数可能较多。
- 红黑树:维护平衡较为宽松,插入和删除操作的复杂度较低,但查询操作可能稍慢。
用途 :用于实现具有自平衡特性的高效数据结构,如Java的 TreeMap
和 TreeSet
。
3.二叉树的存储
二叉树的存储结构通常有两种方式:顺序存储和链式存储。顺序存储适用于完全二叉树,而链式存储则更为灵活,适用于不完全二叉树。二叉树的遍历方式包括前序遍历、中序遍历、后序遍历和层序遍历(广度遍历),这些遍历方式按照不同的顺序访问树的节点。
4.二叉树的遍历
二叉树的遍历是指按某条搜索路径访问树中的每个结点,使得每个结点均被访问一次。
1)先序遍历
若二叉树为空,则返回,否则先访问根节点,再先序遍历左子树,再先序遍历右子树。
java
void PreOrderVisit(BiTree T) {
if (T != NULL) {
visit(T);
PreOrderVisit(T->lchild);
PreOrderVisit(T->rchild);
}
}
2)中序遍历
若二叉树为空,则返回,否则先中序遍历左子树,再访问根节点,再中序遍历右子树。
java
void InOrderVisit(BiTree T) {
if (T != NULL) {
InOrderVisit(T->lchild);
visit(T);
InOrderVisit(T->rchild);
}
}
3)后序遍历
若二叉树为空,则返回,否则先后序遍历左子树,再后序遍历右子树,再访问根节点。
java
void PostOrderVisit(BiTree T) {
if (T != NULL) {
PostOrderVisit(T->lchild);
PostOrderVisit(T->rchild);
visit(T);
}