每日学习一个数据结构-树

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树的相关概念

树是一种重要的非线性数据结构，在计算机科学中有着广泛的应用。以下是对树的相关概念的详细说明：

一、树的定义

树是由n（n≥0）个节点组成的有限集合。当n=0时，称为空树；当n>0时，为非空树。在非空树中，有且仅有一个特定的节点被称为根（root），其余节点可分为m（m>0）个互不相交的有限集T1, T2, ..., Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，并且被称为根的子树（Subtree）。

二、树的基本术语

节点（Node）：包含一个数据元素及若干指向其子树的分支。
结点的度（Degree of a Node）：一个节点拥有的子树数目。
树的度（Degree of a Tree）：树中所有节点度的最大值。
叶子节点（Leaf Node）：度为零的节点，也称为终端节点。
分支节点（Branch Node）：度大于零的节点，也称为非终端节点。
路径（Path）：由从根节点到某一节点所经分支和节点构成的序列。
路径的长度：是路径上所经过的边的个数。
节点的层次（Level of a Node）：从根节点到该节点所经过的路径长度加1。根节点位于第1层。
树的深度（Depth of a Tree）：树中叶子节点具有的最大层次数。
树的宽度（Width of a Tree）：整棵树中某一层中最多的节点数。

三、树的分类

有序树（Ordered Tree）：如果将树中节点的各子树看成从左至右是有次序的（即不能互换），则称该树为有序树。与之相对的是无序树，其中子树的顺序不重要。
二叉树（Binary Tree）：每个节点最多有两个子树的树结构。二叉树具有一些特殊的性质，如满二叉树、完全二叉树等。
m叉树：每个节点最多有m个子树的树结构。

四、特殊类型的树

满二叉树：除最后一层外，每一层上的所有节点都有两个子节点，且最后一层上的节点都靠左对齐的树。
完全二叉树：一棵二叉树，除最后一层外，每一层上的节点数均达到最大值，并且最后一层上的节点都靠左对齐的树。
平衡二叉树（AVL树）：一种特殊的二叉查找树，它的任意节点的左右子树的高度差的绝对值不超过1。
红黑树（Red-Black Tree）：一种自平衡的二叉查找树，它的节点是红色或黑色的，并且满足一系列额外的性质来保持树的平衡。

五、树的遍历

树的遍历是指按照某种规则访问树中的所有节点，使得每个节点被访问且仅被访问一次。常见的遍历方法包括前序遍历、中序遍历和后序遍历等。

六、树的应用场景

文件系统：使用树形结构来组织和管理文件和目录。
域名解析系统：采用层次式树形结构来组织和管理域名。
编译器：使用树形结构（如语法树）来表示源代码的结构和语义。
决策树 ：一种常用的机器学习算法，使用树形结构来表示决策过程。
综上所述，树是一种重要的数据结构，具有广泛的应用场景和丰富的性质。了解树的基本概念、分类、特殊类型、遍历方法和应用场景，有助于更好地理解和应用树这种数据结构。

树的遍历

树的遍历是树这种数据结构的基本操作之一，它指的是按照某种规则访问树中的所有节点，并且每个节点仅访问一次。树的遍历主要有三种方式：前序遍历（也称为先序遍历）、中序遍历、后序遍历（也称为后续遍历）。以下是这三种遍历方式的详细描述：

一、前序遍历

遍历顺序：先访问根节点，然后遍历左子树，最后遍历右子树。
特点：在第一次遍历到节点时就执行操作。一般只是想遍历执行操作（或输出结果）可选用前序遍历。
递归实现：对于当前节点，首先访问该节点，然后递归地对左子树进行前序遍历，最后递归地对右子树进行前序遍历。
示例：假设有一棵树，根节点为A，左子节点为B，右子节点为C，B的左子节点为D，右子节点为E，C的右子节点为F。那么前序遍历的顺序为A→B→D→E→C→F。

二、中序遍历

遍历顺序：先遍历左子树，然后访问根节点，最后遍历右子树。
特点：对于二分搜索树（BST），中序遍历的操作顺序（或输出结果顺序）是符合从小到大（或从大到小，取决于BST的排序规则）顺序的。故要遍历输出排序好的结果需要使用中序遍历。
递归实现：对于当前节点，首先递归地对左子树进行中序遍历，然后访问该节点，最后递归地对右子树进行中序遍历。
示例：继续以上述树为例，中序遍历的顺序为D→B→E→A→C→F。

三、后序遍历

遍历顺序：先遍历左子树，然后遍历右子树，最后访问根节点。
特点：执行操作时，肯定已经遍历过该节点的左右子节点。故适用于要进行破坏性操作的情况，比如删除所有节点。
递归实现：对于当前节点，首先递归地对左子树进行后序遍历，然后递归地对右子树进行后序遍历，最后访问该节点。
示例：继续以上述树为例，后序遍历的顺序为D→E→B→F→C→A。

使用java代码实现遍历

在Java中，我们可以通过递归或迭代的方式来实现树的三种遍历方式：前序遍历、中序遍历和后序遍历。以下是一个简单的基于二叉树的实现示例：

首先，我们定义一个二叉树节点的类：

java 复制代码

class TreeNode {
    int val;
    TreeNode left;
    TreeNode right;

    TreeNode(int x) {
        val = x;
    }
}

接下来，我们分别实现前序遍历、中序遍历和后序遍历的递归方法：

java 复制代码

public class BinaryTreeTraversal {

    // 前序遍历
    public void preorderTraversal(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return;
        }
        System.out.print(root.val + " "); // 访问根节点
        preorderTraversal(root.left);    // 遍历左子树
        preorderTraversal(root.right);   // 遍历右子树
    }

    // 中序遍历
    public void inorderTraversal(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return;
        }
        inorderTraversal(root.left);     // 遍历左子树
        System.out.print(root.val + " "); // 访问根节点
        inorderTraversal(root.right);    // 遍历右子树
    }

    // 后序遍历
    public void postorderTraversal(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return;
        }
        postorderTraversal(root.left);    // 遍历左子树
        postorderTraversal(root.right);   // 遍历右子树
        System.out.print(root.val + " "); // 访问根节点
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个简单的二叉树
        //       1
        //      / \
        //     2   3
        //    / \
        //   4   5
        TreeNode root = new TreeNode(1);
        root.left = new TreeNode(2);
        root.right = new TreeNode(3);
        root.left.left = new TreeNode(4);
        root.left.right = new TreeNode(5);

        BinaryTreeTraversal traversal = new BinaryTreeTraversal();
        
        System.out.print("前序遍历: ");
        traversal.preorderTraversal(root);
        System.out.println();

        System.out.print("中序遍历: ");
        traversal.inorderTraversal(root);
        System.out.println();

        System.out.print("后序遍历: ");
        traversal.postorderTraversal(root);
        System.out.println();
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个简单的二叉树，并分别调用了前序遍历、中序遍历和后序遍历的方法。每种遍历方法都会按照相应的顺序打印出节点的值。

请注意，这个示例使用了递归的方法来实现遍历。对于大型树结构，递归可能会导致栈溢出。在这种情况下，你可以考虑使用迭代的方法（例如使用栈或队列）来实现遍历。不过，对于大多数常见的应用场景，递归方法已经足够高效和易于理解。

总结

访问时机：三种遍历方式的主要区别在于访问根节点的时机不同。在前序遍历中，根节点在左、右子节点之前被访问；在中序遍历中，根节点在左、右子节点之间被访问；在后序遍历中，根节点在左、右子节点之后被访问。
应用场景：根据具体问题的需求选择合适的遍历方式。例如，如果只是想遍历执行操作（或输出结果），可以选择前序遍历；如果需要得到排序好的输出结果（特别是在二分搜索树中），可以选择中序遍历；如果需要进行破坏性操作（如删除节点），可以选择后序遍历。

在实际应用中，还可以根据具体需求对遍历方式进行适当的修改或扩展。