树、二叉树概念及相关基本操作的实现(Java版)
树及二叉树
1. 树型结构(了解)
1.1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,而叶朝下的。它具有以下的特点:
(1).有一个特殊的结点,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:树形结构中,子树之间不能有交集,否则就不是树形结构。
结点的度:一个结点含有子树的个数称为该结点的度; 如上图:A的度为6
树的度:一棵树中,所有结点度的最大值称为树的度; 如上图:树的度为6
叶子结点或终端结点:度为0的结点称为叶结点; 如上图:B、C、H、I…等节点为叶结点
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; 如上图:A是B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; 如上图:B是A的孩子结点
根结点:一棵树中,没有双亲结点的结点;如上图:A
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:树中结点的最大层次; 如上图:树的高度为4
树的以下概念只需了解,在看书时只要知道是什么意思即可:
非终端结点或分支结点:度不为0的结点; 如上图:D、E、F、G…等节点为分支结点
兄弟结点:具有相同父结点的结点互称为兄弟结点; 如上图:B、C是兄弟结点
堂兄弟结点:双亲在同一层的结点互为堂兄弟;如上图:H、I互为兄弟结点
结点的祖先:从根到该结点所经分支上的所有结点;如上图:A是所有结点的祖先
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。如上图:所有结点都是A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。
1.2 判断方法
(1)子树是不相交的。
(2)除了根节点外,每个节点有且仅有一个父节点。
显然,(1)、(2)、(3)都不是树。
1.3 树的表示形式
树结构相对线性表就比较复杂了,要存储表示起来就比较麻烦了,实际中树有很多种表示方式,如:双亲表示法,孩子表示法、孩子双亲表示法、孩子兄弟表示法等等。我们这里就简单的了解其中最常用的孩子兄弟表示法。
class TreeNode {
int value; // 树中存储的数据
TreeNode firstChild; // 第一个孩子引用
TreeNode nextBrother; // 下一个兄弟引用
}
1.4 树的应用
2. 二叉树
2.1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。
从上图可以看出:
- 二叉树不存在度大于2的结点
- 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
注意:对于任意的二叉树都是由以下几种情况复合而成的:
2.2 两种特殊的二叉树
- 满二叉树: 一棵二叉树,如果每层的结点数都达到最大值,则这棵二叉树就是满二叉树。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 ,则它就是满二叉树。
- 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。 要注意的是满二叉树是一种特殊的完全二叉树。(可以简单理解完全二叉树,就是从上到下,从左到右依次存储,不能跳跃存储)。
2.3 二叉树的性质
- 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)(i>0)个结点。
- 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 (k>=0)。
- 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。
- 具有n个结点的完全二叉树的深度k为 log2(n+1)上取整。
- 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。
2.4 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:
// 孩子表示法(即二叉表示法)
class TreeNode{
int val; // 数据域
TreeNode left; // 左孩子的引用,常常代表左孩子为根的整棵左子树
TreeNode right; // 右孩子的引用,常常代表右孩子为根的整棵右子树
}
2.5 二叉树的基本操作
2.5.1 前置说明
在学习二叉树的基本操作前,需先要创建一棵二叉树,然后才能学习其相关的基本操作。为了学习成本,此处手动快速创建一棵简单的二叉树,快速进入二叉树操作学习,等二叉树结构了解的差不多时,我们反过头再来研究二叉树真正的创建方式。以创建如下一个二叉树为例:
public class BinaryTree {
//节点类
static class TreeNode{
public char val;
public TreeNode left;
public TreeNode right;
public TreeNode(char val) {
this.val = val;
}
}
//以穷举的方式创建一棵二叉树,并返回根节点
public TreeNode createTree(){
TreeNode A = new TreeNode('A');
TreeNode B = new TreeNode('B');
TreeNode C = new TreeNode('C');
TreeNode D = new TreeNode('D');
TreeNode E = new TreeNode('E');
TreeNode F = new TreeNode('F');
TreeNode G = new TreeNode('G');
TreeNode H = new TreeNode('H');
A.left = B;
A.right = C;
B.left = D;
B.right = E;
C.left = F;
C.right = G;
E.right = H;
return A;
}
}
注意:上述代码并不是创建二叉树的方式,真正创建二叉树方式后序详解重点讲解。
2.5.2 二叉树的遍历
2.5.2.1前中后序遍历
学习二叉树结构,最简单的方式就是遍历。所谓遍历(Traversal)是指沿着某条搜索路线,依次对树中每个结点均做一次且仅做一次访问。访问结点所做的操作依赖于具体的应用问题(比如:打印节点内容、节点内容修改)。 遍历是二叉树上最重要的操作之一,是二叉树上进行其它运算之基础。
在遍历二叉树时,如果没有进行某种约定,每个人都按照自己的方式遍历,得出的结果就比较混乱,如果按照某种规则进行约定,则每个人对于同一棵树的遍历结果肯定是相同的。如果N代表根节点,L代表根节点的左子树,R代表根节点的右子树,则根据遍历根节点的先后次序有以下遍历方式:
NLR:前序遍历(Preorder Traversal 亦称先序遍历)——访问根结点—>根的左子树—>根的右子树。
LNR:中序遍历(Inorder Traversal)——根的左子树—>根节点—>根的右子树。
LRN:后序遍历(Postorder Traversal)——根的左子树—>根的右子树—>根节点。
以下分别用代码实现三种遍历。
void preOrder(TreeNode root){
if(root == null){//根节点为空
return;
}
System.out.print(root.val + " ");//打印节点内容
preOrder(root.left);//遍历左子树
preOrder(root.right);//遍历右子树
}
void inOrder(TreeNode root){
if(root == null){
return;
}
inOrder(root.left);
System.out.print(root.val + " ");
inOrder(root.right);
}
void postOrder(TreeNode root){
if(root == null){
return;
}
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
System.out.print(root.val + " ");
}
下面主要分析前序递归遍历,中序与后序图解类似:
前序遍历结果:1 2 3 4 5 6
中序遍历结果:3 2 1 5 4 6
后序遍历结果:3 1 5 6 4 1
补充说明:前、中、后序遍历本质上都遍历一边树,之所以打印的结果不同,是它们访问根节点的时机不同。
2.5.2.2层序遍历
层序遍历:除了先序遍历、中序遍历、后序遍历外,还可以对二叉树进行层序遍历。设二叉树的根节点所在
层数为1,层序遍历就是从所在二叉树的根节点出发,首先访问第一层的树根节点,然后从左到右访问第2层
上的节点,接着是第三层的节点,以此类推,自上而下,自左至右逐层访问树的结点的过程就是层序遍历。
2.5.3 获取树中节点的个数
1.遍历法:如果当前节点不为空,计数+1,然后再看左子树的根节点和右子树的根节点;否则,返回0。
/**
* 获取树中节点的个数(遍历法)
* @param root
* @return
*/
public static int nodeSize;//节点数
public void size(TreeNode root){
if(root == null){
return;
}
nodeSize++;
size(root.left);
size(root.right);
}
2.子问题思路法:如果当前节点为空,返回0;否则返回的是左子树的节点值 + 右子树的节点值 + 1。
/**
* 获取树中节点的个数(子问题法)
* 思路:总结点数 = 1(根节点)+ 左子树节点数 + 右子树节点数
* @param root
* @return
*/
public int size2(TreeNode root){
if(root == null){
return 0;
}
int tmp = size2(root.left) + size2(root.right) + 1;
return tmp;
}
2.5.4 获取树中叶子节点的个数
- 遍历法:如果当前节点为空,返回0; 否则——如果当前节点的左树节点和右数节点同时为空,则该节点为叶子节点,计数+1;否则,继续遍历其左树节点和右树节点。
/**
* 获取叶子节点的个数 ()
* 方法一:遍历思路
* @param root
* @return
*/
public static int leafNodeCount;//记录叶子节点个数
public int getLeafNodeCount1(TreeNode root){
if(root == null){
return 0;
}
if(root.left == null && root.right == null){
leafNodeCount++;
}
getLeafNodeCount1(root.left);
getLeafNodeCount1(root.right);
return leafNodeCount;
}
2.子问题思路法
/**
* 获取叶子节点的个数
* 方法二,子问题思路: 叶子节点个数 = 左子树叶子节点个数 + 右子树叶子节点个数
* @param root
* @return
*/
public int getLeafNodeCount2(TreeNode root){
if(root == null){
return 0;
}
if(root.left == null && root.right == null){
return 1;
}
return getLeafNodeCount2(root.left) + getLeafNodeCount2(root.right);
}
2.5.5 获取第K层节点的个数
解决思路如下图:
/**
* 获取第K层节点的个数
* @param root
* @param k
* @return
*/
public int getKLevelNodeCount(TreeNode root,int k){
if(root == null){
return 0;
}
if(root != null && k == 1){
return 1;
}
return getKLevelNodeCount(root.left,k-1) + getKLevelNodeCount(root.right,k-1);
}
2.5.6 获取二叉树的高度
核心思路:整棵树的高度 = 左子树的高度与右子树高度的最大值 + 1
/**
* 获取二叉树的高度
* 思路:整棵树的高度 = 左数的高度和右树高度的最大值 + 1
* @param root
* @return
*/
public int getHeight(TreeNode root){
if(root == null){
return 0;
}
int leftHeght = getHeight(root.left);//左子树的高度
int leftHeight = getHeight(root.right);// 右子树的高度
int tmp = Math.max(leftHeight,rightHeight) + 1;
return tmp;
}
2.5.7 检测值为value的元素是否存在
核心思路:1.判断根节点是不是要找的,如果是,返回地址值,否则进入第2步;
2.在左子树中找,如果是,返回地址值,否则进入第3步;
3.在右子树中找,如果是,返回地址值,否则,树的全部节点都找过没有找到,返回null。
/**
* 检测值为value的元素是否存在,如果有,则返回第一次遍历到的val对应的节点地址
* @param root
* @param val
* @return
*/
TreeNode find(TreeNode root, int val){
if(root == null){
return null;
}
if(root.val == val){
return root;
}
//根节点的值不是val,则递归左子树
TreeNode tmp = find(root.left,val);
if(tmp != null){
return tmp;
}
//如果左子树没有找到val,则递归右子树
tmp = find(root.right,val);
if(tmp != null){
return tmp;
}
//根、左子树右子树都没有找到时
return null;
}
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