《二叉树》学习心得

树的介绍

1. 树的定义

树是一种数据结构，它是由n（n>=1）个有限节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：
(01) 每个节点有零个或多个子节点；
(02) 没有父节点的节点称为根节点；
(03) 每一个非根节点有且只有一个父节点；
(04) 除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树。

 

2. 树的基本术语

若一个结点有子树，那么该结点称为子树根的"双亲"，子树的根是该结点的"孩子"。有相同双亲的结点互为"兄弟"。一个结点的所有子树上的任何结点都是该结点的后裔。从根结点到某个结点的路径上的所有结点都是该结点的祖先。

结点的度：结点拥有的子树的数目。
叶子：度为零的结点。
分支结点：度不为零的结点。
树的度：树中结点的最大的度。

层次：根结点的层次为1，其余结点的层次等于该结点的双亲结点的层次加1。
树的高度：树中结点的最大层次。
无序树：如果树中结点的各子树之间的次序是不重要的，可以交换位置。
有序树：如果树中结点的各子树之间的次序是重要的, 不可以交换位置。
森林：0个或多个不相交的树组成。对森林加上一个根，森林即成为树；删去根，树即成为森林。

二叉树的介绍

1. 二叉树的定义

二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。它有五种基本形态：二叉树可以是空集；根可以有空的左子树或右子树；或者左、右子树皆为空。

 

2. 二叉树的性质

二叉树有以下几个性质：TODO(上标和下标)
性质1：二叉树第i层上的结点数目最多为 2^{i-1} (i≥1)。
性质2：深度为k的二叉树至多有2^{k}-1个结点(k≥1)。
性质3：包含n个结点的二叉树的高度至少为log₂ (n+1)。
性质4：在任意一棵二叉树中，若终端结点的个数为n₀，度为2的结点数为n₂，则n₀=n₂+1。

 

2.1 性质1：二叉树第i层上的结点数目最多为 2^{i-1} (i≥1)

证明：下面用"数学归纳法"进行证明。
        (01) 当i=1时，第i层的节点数目为2^{i-1}=2^{0}=1。因为第1层上只有一个根结点，所以命题成立。
        (02) 假设当i>1，第i层的节点数目为2^{i-1}。这个是根据(01)推断出来的！
               下面根据这个假设，推断出"第(i+1)层的节点数目为2^{i}"即可。
                由于二叉树的每个结点至多有两个孩子，故"第(i+1)层上的结点数目" 最多是 "第i层的结点数目的2倍"。即，第(i+1)层上的结点数目最大值=2×2^{i-1}=2^{i}。
                故假设成立，原命题得证！

 

2.2 性质2：深度为k的二叉树至多有2^{k}-1个结点(k≥1)

证明：在具有相同深度的二叉树中，当每一层都含有最大结点数时，其树中结点数最多。利用"性质1"可知，深度为k的二叉树的结点数至多为：
           2⁰+2¹+…+2^k-1=2^k-1
           故原命题得证！

 

2.3 性质3：包含n个结点的二叉树的高度至少为log₂ (n+1)

证明：根据"性质2"可知，高度为h的二叉树最多有2^{h}–1个结点。反之，对于包含n个节点的二叉树的高度至少为log₂(n+1)。

 

2.4 性质4：在任意一棵二叉树中，若终端结点的个数为n₀，度为2的结点数为n₂，则n₀=n₂+1

证明：因为二叉树中所有结点的度数均不大于2，所以结点总数(记为n)="0度结点数(n₀)" + "1度结点数(n₁)" + "2度结点数(n₂)"。由此，得到等式一。
         (等式一) n=n₀+n₁+n₂
　     另一方面，0度结点没有孩子，1度结点有一个孩子，2度结点有两个孩子，故二叉树中孩子结点总数是：n₁+2n₂。此外，只有根不是任何结点的孩子。故二叉树中的结点总数又可表示为等式二。
         (等式二) n=n₁+2n₂+1
        由(等式一)和(等式二)计算得到：n₀=n₂+1。原命题得证！

 

3. 满二叉树，完全二叉树和二叉查找树

3.1 满二叉树

定义：高度为h，并且由2^{h} –1个结点的二叉树，被称为满二叉树。

 

3.2 完全二叉树

定义：一棵二叉树中，只有最下面两层结点的度可以小于2，并且最下一层的叶结点集中在靠左的若干位置上。这样的二叉树称为完全二叉树。
特点：叶子结点只能出现在最下层和次下层，且最下层的叶子结点集中在树的左部。显然，一棵满二叉树必定是一棵完全二叉树，而完全二叉树未必是满二叉树。

 

3.3 二叉查找树

定义：二叉查找树(Binary Search Tree)，又被称为二叉搜索树。设x为二叉查找树中的一个结点，x节点包含关键字key，节点x的key值记为key[x]。如果y是x的左子树中的一个结点，则key[y] <= key[x]；如果y是x的右子树的一个结点，则key[y] >= key[x]。

在二叉查找树中：
(01) 若任意节点的左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；
(02) 任意节点的右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；
(03) 任意节点的左、右子树也分别为二叉查找树。
(04) 没有键值相等的节点（no duplicate nodes）。

在实际应用中，二叉查找树的使用比较多。下面，用C语言实现二叉查找树。

二叉查找树的C实现

1. 节点定义

1.1 节点定义

typedef int Type;

typedef struct BSTreeNode{
    Type   key;                    // 关键字(键值)
    struct BSTreeNode *left;    // 左孩子
    struct BSTreeNode *right;    // 右孩子
    struct BSTreeNode *parent;    // 父结点
}Node, *BSTree;

二叉查找树的节点包含的基本信息：
(01) key       -- 它是关键字，是用来对二叉查找树的节点进行排序的。
(02) left       -- 它指向当前节点的左孩子。
(03) right    -- 它指向当前节点的右孩子。
(04) parent -- 它指向当前节点的父结点。

1.2 创建节点

创建节点的代码

static Node* create_bstree_node(Type key, Node *parent, Node *left, Node* right)
{
    Node* p;

    if ((p = (Node *)malloc(sizeof(Node))) == NULL)
        return NULL;
    p->key = key;
    p->left = left;
    p->right = right;
    p->parent = parent;

    return p;
}

2 遍历

这里讲解前序遍历、中序遍历、后序遍历3种方式。

2.1 前序遍历

若二叉树非空，则执行以下操作：
(01) 访问根结点；
(02) 先序遍历左子树；
(03) 先序遍历右子树。

前序遍历代码

void preorder_bstree(BSTree tree)
{
    if(tree != NULL)
    {
        printf("%d ", tree->key);
        preorder_bstree(tree->left);
        preorder_bstree(tree->right);
    }
}

 

2.2 中序遍历

若二叉树非空，则执行以下操作：
(01) 中序遍历左子树；
(02) 访问根结点；
(03) 中序遍历右子树。

中序遍历代码

void inorder_bstree(BSTree tree)
{
    if(tree != NULL)
    {
        inorder_bstree(tree->left);
        printf("%d ", tree->key);
        inorder_bstree(tree->right);
    }
}

 

2.3 后序遍历

若二叉树非空，则执行以下操作：
(01) 后序遍历左子树；
(02) 后序遍历右子树；
(03) 访问根结点。

后序遍历代码

void postorder_bstree(BSTree tree)
{
    if(tree != NULL)
    {
        postorder_bstree(tree->left);
        postorder_bstree(tree->right);
        printf("%d ", tree->key);
    }
}

 

下面通过例子对这些遍历方式进行介绍。

对于上面的二叉树而言，
(01) 前序遍历结果： 3 1 2 5 4 6
(02) 中序遍历结果： 1 2 3 4 5 6 
(03) 后序遍历结果： 2 1 4 6 5 3

 

3. 查找

递归版本的代码

Node* bstree_search(BSTree x, Type key)
{
    if (x==NULL || x->key==key)
        return x;

    if (key < x->key)
        return bstree_search(x->left, key);
    else
        return bstree_search(x->right, key);
}

非递归版本的代码

Node* iterative_bstree_search(BSTree x, Type key)
{
    while ((x!=NULL) && (x->key!=key))
    {
        if (key < x->key)
            x = x->left;
        else
            x = x->right;
    }

    return x;
}

 

4. 最大值和最小值

查找最大值的代码

Node* bstree_maximum(BSTree tree)
{
    if (tree == NULL)
        return NULL;

    while(tree->right != NULL)
        tree = tree->right;
    return tree;
}

查找最小值的代码

Node* bstree_minimum(BSTree tree)
{
    if (tree == NULL)
        return NULL;

    while(tree->left != NULL)
        tree = tree->left;
    return tree;
}

5. 前驱和后继

节点的前驱：是该节点的左子树中的最大节点。
节点的后继：是该节点的右子树中的最小节点。

查找前驱节点的代码

Node* bstree_predecessor(Node *x)
{
    // 如果x存在左孩子，则"x的前驱结点"为 "以其左孩子为根的子树的最大结点"。
    if (x->left != NULL)
        return bstree_maximum(x->left);

    // 如果x没有左孩子。则x有以下两种可能：
    // (01) x是"一个右孩子"，则"x的前驱结点"为 "它的父结点"。
    // (01) x是"一个左孩子"，则查找"x的最低的父结点，并且该父结点要具有右孩子"，找到的这个"最低的父结点"就是"x的前驱结点"。
    Node* y = x->parent;
    while ((y!=NULL) && (x==y->left))
    {
        x = y;
        y = y->parent;
    }

    return y;
}

查找后继节点的代码

Node* bstree_successor(Node *x)
{
    // 如果x存在右孩子，则"x的后继结点"为 "以其右孩子为根的子树的最小结点"。
    if (x->right != NULL)
        return bstree_minimum(x->right);

    // 如果x没有右孩子。则x有以下两种可能：
    // (01) x是"一个左孩子"，则"x的后继结点"为 "它的父结点"。
    // (02) x是"一个右孩子"，则查找"x的最低的父结点，并且该父结点要具有左孩子"，找到的这个"最低的父结点"就是"x的后继结点"。
    Node* y = x->parent;
    while ((y!=NULL) && (x==y->right))
    {
        x = y;
        y = y->parent;
    }

    return y;
}

 

6. 插入

插入节点的代码

static Node* bstree_insert(BSTree tree, Node *z)
{
    Node *y = NULL;
    Node *x = tree;

    // 查找z的插入位置
    while (x != NULL)
    {
        y = x;
        if (z->key < x->key)
            x = x->left;
        else
            x = x->right;
    }

    z->parent = y;
    if (y==NULL)
        tree = z;
    else if (z->key < y->key)
        y->left = z;
    else
        y->right = z;

    return tree;
}

Node* insert_bstree(BSTree tree, Type key)
{
    Node *z;    // 新建结点

    // 如果新建结点失败，则返回。
    if ((z=create_bstree_node(key, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
        return tree;

    return bstree_insert(tree, z);
}

bstree_insert(tree, z)是内部函数，它的作用是：将结点(z)插入到二叉树(tree)中，并返回插入节点后的根节点。
insert_bstree(tree, key)是对外接口，它的作用是：在树中新增节点，key是节点的值；并返回插入节点后的根节点。

注：本文实现的二叉查找树是允许插入相同键值的节点的！若用户不希望插入相同键值的节点，将bstree_insert()修改为以下代码即可。

static Node* bstree_insert(BSTree tree, Node *z)
{
    Node *y = NULL;
    Node *x = tree;

    // 查找z的插入位置
    while (x != NULL)
    {
        y = x;
        if (z->key < x->key)
            x = x->left;
        else  if (z->key > x->key)
            x = x->right;
        else
        {
            free(z); // 释放之前分配的系统。
            return tree;
        }
    }

    z->parent = y;
    if (y==NULL)
        tree = z;
    else if (z->key < y->key)
        y->left = z;
    else
        y->right = z;

    return tree;
}

 

7. 删除

删除操作还是有些麻烦的，不过认真看完以下三种情形的处理后，就比较容易了

图1 二叉树删除操作的三种情况:a)被删除节点z没有任何子女 b)被删节点z有一个子女 c)被删节点z有两个子女

总共有三种情况：

1. 被删除节点z没有任何子女。是最简单的情况，将z父节点12的儿子指针置为null，再free掉节点z就好;
2. 被删节点z有且只有有一个子女。这个情况稍微麻烦点，但说起来比较容易，将节点z的父节点15和其唯一子节点20连接起来就好，然后free掉节点z就好;
3. 被删节点z有两个子女。这个是最复杂的，但是其基本思想还是没变，将第三种情况转化为第二种情况处理即可。那么怎么做呢？解决方法就是去找z的后继（后继是什么？就是比节点z中关键字5大的所有节点中最小的那个，说起来很拗口是吧，就是图中关键字为6的节点y）。要删除有两个子女的节点z，就去找它的后继节点y，它的后继节点y能保证只有一个右儿子（为什么？如果它的后继节点有左儿子，那么节点y就不可能是z的后继节点。算导书上p155 练习 12.2-5有要求证明，不懂的可以稍微思考下）。基于上述事实，我们找到了z的后继节点y，那么就已经将情况3转化为了情况2了，接下来要做的操作就是将y的父节点10与y的子节点7连起来。这时还没做完，因为z才是待删除的节点，我们要将节点z出的关键字替换为节点y的关键字，如图中所示。然后free掉节点y。

删除节点的代码

static Node* bstree_delete(BSTree tree, Node *z)
{
    Node *x=NULL;
    Node *y=NULL;

    if ((z->left == NULL) || (z->right == NULL) )
        y = z;
    else
        y = bstree_successor(z);

    if (y->left != NULL)
        x = y->left;
    else
        x = y->right;

    if (x != NULL)
        x->parent = y->parent;

    if (y->parent == NULL)
        tree = x;
    else if (y == y->parent->left)
        y->parent->left = x;
    else
        y->parent->right = x;

    if (y != z) 
        z->key = y->key;

    if (y!=NULL)
        free(y);

    return tree;
}

Node* delete_bstree(BSTree tree, Type key)
{
    Node *z, *node; 

    if ((z = bstree_search(tree, key)) != NULL)
        tree = bstree_delete(tree, z);

    return tree;
}

bstree_delete(tree, z)是内部函数，它的作用是：删除二叉树(tree)中的节点(z)，并返回删除节点后的根节点。
delete_bstree(tree, key)是对外接口，它的作用是：在树中查找键值为key的节点，找到的话就删除该节点；并返回删除节点后的根节点。

8. 打印

打印二叉树的代码

void print_bstree(BSTree tree, Type key, int direction)
{
    if(tree != NULL)
    {
        if(direction==0)    // tree是根节点
            printf("%2d is root
", tree->key);
        else                // tree是分支节点
            printf("%2d is %2d's %6s child
", tree->key, key, direction==1?"right" : "left");

        print_bstree(tree->left, tree->key, -1);
        print_bstree(tree->right,tree->key,  1);
    }
}

print_bstree(tree, key, direction)的作用是打印整颗二叉树(tree)。其中，tree是二叉树节点，key是二叉树的键值，而direction表示该节点的类型：

direction为 0，表示该节点是根节点;
direction为-1，表示该节点是它的父结点的左孩子;
direction为 1，表示该节点是它的父结点的右孩子。

9. 销毁二叉树

销毁二叉树的代码

void destroy_bstree(BSTree tree)
{
    if (tree==NULL)
        return ;

    if (tree->left != NULL)
        destroy_bstree(tree->left);
    if (tree->right != NULL)
        destroy_bstree(tree->right);

    free(tree);
}