二叉树基础及实现(一)

2024-10-09 15:44:14 浏览数 (5)

一. 树的基本概念:

1 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

特点:

(1). 有一个特殊的结点(最上面的根,整个树的根),称为根结点,根结点没有前驱结点

(2).  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

(3). 树是递归定义的

注意:

(1). 树形结构中,子树之间不能有交集,否则就不是树形结构

(2).出了根节点外,每一个节点有且只有一个父节点

(3). N个节点的树有(N-1)条条边。

结点的度一个结点含有子树的个数称为该结点的度

树的度一棵树中,所有结点度的最大值称为树的度;

叶子结点或终端结点度为0的结点称为叶结点; 

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;

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;

根结点一棵树中,没有双亲结点的结点;

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

下面的了解即可:

非终端结点或分支结点度不为0的结点

兄弟结点具有相同父结点的结点互称为兄弟结点。

堂兄弟结点双亲在同一层的结点互为堂兄弟

结点的祖先从根到该结点所经分支上的所有结点。

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。所有结点都是整个树的根节点的子孙

森林由m(m>=0)棵互不相交的树组成的集合称为森林

2.树的应用

文件系统管理(目录和文件)

二. 二叉树概念及特性:

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和右子树的二叉树组成。

特点:

(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

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(就是每个节点度都等于2),则这棵二叉树就是满二叉树。

公式定义: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)(2的K次方减一),则它就是满二叉树。

如图:

(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。

满二叉树是一种特殊的完全二叉树。

我的理解: (二叉树的节点从上到下从左到右按序号一次存放不间断)

图解:

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-1,2的i次方减一)

(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-1,2的k次方减一) (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

(度为0的节点比度为2的节点多一个):

推导如图:

(4). 具有n个结点的完全二叉树的深度k为,(log2 N 1,log2为底,N 1次方)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i>0,双亲序号:(i-1)/2;i=0,i为根结点编号,无双亲结点

若2i 1<n,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

4 二叉树的存储:

二叉树的存储结构分为:顺序存储和类似于链表的链式存储。

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:

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// 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
}

孩子双亲表示法后序在平衡树位置介绍,本页博客采用孩子表示法来构建二叉树

三. 二叉树的基本操作(与遍历相关):

1.这里重点写一下二叉树的遍历方法:

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。

下面一些关于二叉树的方法的代码,主要是熟悉,递归和熟悉二叉树的遍历:

(1)前序遍历及前序子问题遍历:

图解:

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// 前序遍历
    void preOrder(TreeNode root) {
        //结束条件
        if (root == null) {
            return;
        }

        //相当于递推公式:根 左树 右树
        System.out.print(root.val   " ");
        preOrder(root.left);
        preOrder(root.right);
    }


    //子问题思路前序遍历
    List preOrder2(TreeNode root) {
        //定义一个顺序表,每次递归,把递归的返回值放入顺序表
        List<Character> list = new ArrayList<>();
        //结束条件
        if (root == null) {
            return list;
        }

        list.add(root.val);

        List<Character> leftTree = preOrder2(root.left);
        list.addAll(leftTree);//返回时,把前一个左树放入顺序表中

        List<Character> rightTree = preOrder2(root.right);
        list.addAll(rightTree);//返回时,把前一个右树放入顺序表中

        return list;
    }

(2)后序中序遍历:

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// 中序遍历
    void inOrder(TreeNode root) {

        //结束条件
        if (root == null) {
            return;
        }

        //相当于递推公式:左树 根 右树
        inOrder(root.left);
        System.out.print(root.val   " ");
        inOrder(root.right);
    }

    // 后序遍历
    void postOrder(TreeNode root) {

        //结束条件
        if (root == null) {
            return;
        }

        //相当于递推公式: 右树 左树 根
        postOrder(root.left);
        postOrder(root.right);
        System.out.print(root.val   " ");
    }

(3)获得二叉树节点个数:

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//遍历二叉树获得节点个数
    public static int nodeSize;
    public void size(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return;
        }

        nodeSize  ;

        //递归遍历
        size(root.left);
        size(root.right);

    }


    //子问题思路二叉树获得节点个数
    //方法:左子树节点   右子树节点   1; '1'为概树第1个根节点
    public int size2(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return 0;
        }

        //树不为空,左子树节点   右子树节点   1
        return  size2(root.left)  
                size2(root.right)   1;

    }

(4)获取叶子节点个数:

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//获取叶子节点个数
    //遍历方法
    public static int NodeCount;
    public void getLeafNodeCount(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return;
        }

        //节点左右两节点都为null时,就是叶子结点
        if (root.left == null && root.right == null) {
            NodeCount  ;
        }

        //有一边树不为空就递归遍历
        getLeafNodeCount(root.left);
        getLeafNodeCount(root.right);

    }


    //子问题方法
    public int getLeafNodeCount2(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return 0;
        }

        //节点左右两节点都为null时,就是叶子结点
        if (root.left == null && root.right == null) {
            return 1;
        }

        //方法:递归的方式,左叶子节点   右叶子节点
        /*
         这里递归时,满足叶子节点就会,return 上面的 1 给这个递归函数,最后返回叶子节点个数
         */
       return getLeafNodeCount2(root.left)  
               getLeafNodeCount2(root.right);
    }

(5)二叉树的高度 :

图解:

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//求第K层节点树
    /** 子问题方法:左边第k-1节点,加右边第K-1结点;
     *            因为二叉树每遍历一层就会,往下走一层,就是k的值就 减一
     *             当k1==1时就到了第K层
     */

    public int getKLeveNodeCount(TreeNode root, int k) {
        if (root == null) {
            return 0;
        }

        //返回条件是,k == 1就到了第K层;返回节点数
        if (k == 1) {
            return 1;
        }


        return getKLeveNodeCount(root.left, k-1)  
                getKLeveNodeCount(root.right, k-1);
    }

(6)找到指定的val 树:

图解:

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public TreeNode findVal(TreeNode root, char val) {
        if (root == null) {
            return null;
        }

        //返回的条件是,找到val树。

        //根遍历
        if (root.val == val) {
            return root;
        }

        //遍历左树,找val
        TreeNode leftT = findVal(root.left, val);
        if (leftT != null) {
            return leftT;
        }

        //遍历右树,找val
        TreeNode rightT = findVal(root.right, val);
        if (rightT != null) {
            return rightT;
        }

        return null;
    }

还有两个:设计层序和判断一棵树是不是完全二叉树的方法,请听下回分解

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