二叉树的存储结构及线索化二叉树

二叉树是非线性结构,即每个数据结点至多只有一个前驱,但可以有多个后继。它可采用顺序存储结构和链式存储结构。

1、顺序存储结构

二叉树的顺序存储,就是用一组连续的存储单元存放二叉树中的结点。因此,必须把二叉树的所有结点安排成为一个恰当的序列,结点在这个序列中的相互位置能反映出结点之间的逻辑关系,用编号的方法从树根起,自上层至下层,每层自左至右地给所有结点编号,缺点是有可能对存储空间造成极大的浪费,在最坏的情况下,一个深度为k且只有k个结点的右单支树需要2k-1个结点存储空间。依据二叉树的性质,完全二叉树和满二叉树采用顺序存储比较合适,树中结点的序号可以唯一地反映出结点之间的逻辑关系,这样既能够最大可能地节省存储空间,又可以利用数组元素的下标值确定结点在二叉树中的位置,以及结点之间的关系。下图是完全二叉树的顺序存储结构:

对于一般的二叉树,如果仍按从上至下和从左到右的顺序将树中的结点顺序存储在一维数组中,则数组元素下标之间的关系不能够反映二叉树中结点之间的逻辑关系,只有增添一些并不存在的空结点,使之成为一棵完全二叉树的形式,然后再用一维数组顺序存储。下面给出了一棵一般二叉树改造后的完全二叉树形态和其顺序存储状态示意图。显然,这种存储对于需增加许多空结点才能将一棵二叉树改造成为一棵完全二叉树的存储时,会造成空间的大量浪费,不宜用顺序存储结构。


最坏的情况是右单支树,如图所示,一棵深度为k的右单支树,只有k个结点,却需分配2k-1个存储单元。

2、链式存储机构

二叉树的链式存储结构是指,用链表来表示一棵二叉树,即用链来指示元素的逻辑关系。
通常的方法是链表中每个结点由三个域组成,数据域和左右指针域,左右指针分别用来给出该结点左孩子和右孩子所在的链结点的存储地址。其结点结构为:


其中,data域存放某结点的数据信息;lchild与rchild分别存放指向左孩子和右孩子的指针,当左孩子或右孩子不存在时,相应指针域值为空(用符号∧或NULL表示)。利用这样的结点结构表示的二叉树的链式存储结构被称为二叉链表,如图所示。

为了方便访问某结点的双亲,还可以给链表结点增加一个双亲字段parent,用来指向其双亲结点。每个结点由四个域组成,其结点结构为:



这种存储结构既便于查找孩子结点,又便于查找双亲结点;但是,相对于二叉链表存储结构而言,它增加了空间开销。利用这样的结点结构表示的二叉树的链式存储结构被称为三叉链表。

尽管在二叉链表中无法由结点直接找到其双亲,但由于二叉链表结构灵活,操作方便,对于一般情况的二叉树,甚至比顺序存储结构还节省空间。因此,二叉链表是最常用的二叉树存储方式。

3、线索化二叉树

通过考察各种二叉链表,不管儿叉树的形态如何,空链域的个数总是多过非空链域的个数。准确的说,n各结点的二叉链表共有2n个链域,非空链域为n-1个,但其中的空链域却有n+1个。如下图所示。


因此,提出了一种方法,利用原来的空链域存放指针,指向树中其他结点。这种指针称为线索。
记ptr指向二叉链表中的一个结点,以下是建立线索的规则:
(1)如果ptr->lchild为空,则存放指向中序遍历序列中该结点的前驱结点。这个结点称为ptr的中序前驱;
(2)如果ptr->rchild为空,则存放指向中序遍历序列中该结点的后继结点。这个结点称为ptr的中序后继;
显然,在决定lchild是指向左孩子还是前驱,rchild是指向右孩子还是后继,需要一个区分标志的。因此,我们在每个结点再增设两个标志域ltag和rtag,注意ltag和rtag只是区分0或1数字的布尔型变量,其占用内存空间要小于像lchild和rchild的指针变量。结点结构如下所示。



其中:
(1)ltag为0时指向该结点的左孩子,为1时指向该结点的前驱;
(2)rtag为0时指向该结点的右孩子,为1时指向该结点的后继;
(3)因此对于上图的二叉链表图可以修改为下图的养子。


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