第十三讲 数据结构之二叉树(一)

是数据结构中的重中之重,尤其以各类二叉树为学习的难点。接下来我会通过几篇文章给大家详细深入的讲解各种二叉树。

认识二叉树

二叉树定义

二叉树是n(n>=0)个结点的有限集合,该集合或者为空集(称为空二叉树),或者由一个根结点和两棵互不相交的、分别称为根结点的左子树和右子树组成。
如下图展示了一棵普通二叉树:

二叉树的特点

由二叉树定义以及图示分析得出二叉树有以下特点:
1)每个结点最多有两颗子树,所以二叉树中不存在度大于2的结点。
2)左子树和右子树是有顺序的,次序不能任意颠倒。
3)即使树中某结点只有一棵子树,也要区分它是左子树还是右子树。

二叉树的性质

1)在二叉树的第i层上最多有2i-1 个节点 。(i>=1)
2)二叉树中如果深度为k,那么最多有2k-1个节点。(k>=1)
3)n0=n2+1 n0表示度数为0的节点数,n2表示度数为2的节点数。
4)在完全二叉树中,具有n个节点的完全二叉树的深度为[log2n]+1,其中[log2n]是向下取整。
5)若对含 n 个结点的完全二叉树从上到下且从左至右进行 1 至 n 的编号,则对完全二叉树中任意一个编号为 i 的结点有如下特性:

若 i=1,则该结点是二叉树的根,无双亲, 否则,编号为 [i/2] 的结点为其双亲结点;
若 2i>n,则该结点无左孩子, 否则,编号为 2i 的结点为其左孩子结点;
若 2i+1>n,则该结点无右孩子结点, 否则,编号为2i+1 的结点为其右孩子结点。

斜树

所有的结点都只有左子树的二叉树叫左斜树。所有结点都是只有右子树的二叉树叫右斜树。这两者统称为斜树。如下图分别为左斜数和右斜数:


左斜树

右斜树

满二叉树

在一棵二叉树中。如果所有分支结点都存在左子树和右子树,并且所有叶子都在同一层上,这样的二叉树称为满二叉树。
满二叉树的特点有:
1)叶子只能出现在最下一层。出现在其它层就不可能达成平衡。
2)非叶子结点的度一定是2。
3)在同样深度的二叉树中,满二叉树的结点个数最多,叶子数最多。


完全二叉树

对一颗具有n个结点的二叉树按层编号,如果编号为i(1<=i<=n)的结点与同样深度的满二叉树中编号为i的结点在二叉树中位置完全相同,则这棵二叉树称为完全二叉树。
完全二叉树的特点:
1)叶子结点只能出现在最下层和次下层。
2)最下层的叶子结点集中在树的左部。
3)倒数第二层若存在叶子结点,一定在右部连续位置。
4)如果结点度为1,则该结点只有左孩子,即没有右子树。
5)同样结点数目的二叉树,完全二叉树深度最小。
注:满二叉树一定是完全二叉树,但反过来不一定成立。

图下图展示一棵完全二叉树:


二叉树的存储结构

顺序存储

二叉树的顺序存储结构就是使用一维数组存储二叉树中的结点,并且结点的存储位置,就是数组的下标索引。



上图所示的一棵完全二叉树采用顺序存储方式,表示如下:


顺序存储

由图可以看出,当二叉树为完全二叉树时,结点数刚好填满数组。
那么当二叉树不为完全二叉树时,采用顺序存储形式如何呢?例如:对于下图描述的二叉树:

其中浅色结点表示结点不存在。那么上图所示的二叉树的顺序存储结构所示如下:



其中,∧表示数组中此位置没有存储结点。此时可以发现,顺序存储结构中已经出现了空间浪费的情况。
那么对于上面的右斜树极端情况对应的顺序存储结构如下所示:
右斜树顺序存储

由此可以看出,对于这种右斜树极端情况,采用顺序存储的方式是十分浪费空间的。因此,顺序存储一般适用于完全二叉树。

二叉链表

既然顺序存储不能满足二叉树的存储需求,那么考虑采用链式存储。由二叉树定义可知,二叉树的每个结点最多有两个孩子。因此,可以将结点数据结构定义为一个数据和两个指针域。表示方式如下所示:



定义结点代码:

   public class BiTNode{
        public Object data;
        public BiTNode lChild,rChild;
    }

则对于下图的二叉树:



可以表示为:


采用一种链表结构存储二叉树,这种链表称为二叉链表。

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