数据结构-树(基础,分类,遍历)

数据结构-树

1.什么是树?

在计算机科学中,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。

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 TreeMapTreeSet

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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
void PostOrderVisit(BiTree T) {
	if (T != NULL) {
		PostOrderVisit(T->lchild);
        PostOrderVisit(T->rchild);
		visit(T);
	}
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