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  • 【数据结构】二叉树

     

    特点

     

    1、二叉树的每个结点至多只有二棵子树(不存在度大于2的结点);

    2、在非空二叉树的k层上,至多有2^(k-1)个节点(k>0);

    3、高度为k的二叉树中,最多有2^k-1个节点(k>0);

    4、对于任何一棵非空的二叉树,如果叶节点个数为n0,度数为2的节点个数为n2,则有: n0 = n2 + 1。

    注:通过网上学习得知,国外的教材对于数的高度和深度通常都是从0开始,而国内比较偏向从1开始,所以要注意这个概念上的定义,例如我上文定义的(K>1)。

    (从二叉树特点判断,以上二图中的树都为二叉树)

     

    满二叉树

     

    满二叉树是二叉树的一种,除了具备二叉树的特征,还需要满足的条件是:若一棵深度为k,且有2^k-1个节点称之为满二叉树。就是一个挂满节点的二叉树,叫满二叉树,如下图:

    以上二叉树为满二叉树,其中深度K=3,总节点数为2^3-1 = 7。

     

    完全二叉树

     

    除基本二叉树特点外,还需要满足的条件是除最后一层外,每一层上的节点数均达到最大值;在最后一层上只缺少右边的若干结点。换句话说,叶子结点只可能在最大的两层上出现,对任意结点,若其右分支下的子孙最大层次为L,则其左分支下的子孙的最大层次必为L 或 L+1;

    (从完全二叉树特点判断,以上二图中的树都为完全二叉树)

     

    由于二叉树的特点可以得出:

     

    1、满二叉树是一颗挂满节点的数,所以满二叉树一定是完全二叉树,而完全二叉树不一定是满二叉树。

     

    2、根据公式进行推导,假设n0是度为0的结点总数(即叶子结点数),n1是度为1的结点总数,n2是度为2的结点总数,由二叉树的性质可知:n0=n2+1,则n= n0+n1+n2(其中n为完全二叉树的结点总数),由上述公式把n2消去得:n= 2n0+n1-1,由于完全二叉树中度为1的结点数只有0或1两种可能,由此得到n0=(n+1)/2或n0=n/2。总结起来,就是 n0=[n/2],其中[]表示上取整。如上图左边的完全二叉树,n = 6;得知n0 = [6/2] = 3;右边的同理,n0 = [5/2] = 3。

     

    二叉树的实现练习

    对树的基本运算操作有获取树的高度、获取树的节点数、获取节点的双亲节点和对树遍历,其中,遍历二叉树 是指以一定的次序访问二叉树中的每个结点,遍历二叉树的过程实质是把二叉树的结点进行线性排列的过程,那么遍历的结果得到一个线性序列。从二叉树的递归定义可知,一棵非空的二叉树由根结点及左、右子树这三个基本部分组成。因此,在任一给定结点上,可以按某种次序执行三个操作:

    (1)访问结点本身(N),

    (2)遍历该结点的左子树(L),

    (3)遍历该结点的右子树(R)。

    以上三种操作有六种执行次序:NLR、LNR、LRN、NRL、RNL、RLN。因为前三种次序与后三种次序对称,故只需要讨论先左后右的前三种次序并加以解析。NLR、LNR和LRN分别又称为先根遍历(前序遍历DLR)、中根遍历(中序遍历LDR)和后根遍历(后续遍历LRD)。

     

    前序遍历:ABDECF

    前序遍历首先访问根结点然后遍历左子树,最后遍历右子树。在遍历左、右子树时,仍然先访问根结点,然后遍历左子树,最后遍历右子树。

     

    中序遍历:DBEAFC

    中序遍历首先遍历左子树,然后访问根结点,最后遍历右子树。在遍历左、右子树时,仍然先遍历左子树,再访问根结点,最后遍历右子树。

     

    后序遍历:DEBFCA

    后序遍历首先遍历左子树,然后遍历右子树,最后访问根结点,在遍历左、右子树时,仍然先遍历左子树,然后遍历右子树,最后遍历根结点。

    Java实现例子

      1 public class BinaryTree {
      2     
      3     private TreeNode root=null;
      4     
      5     /** 
      6      * 创建一棵二叉树 
      7      *           A 
      8      *     B          C 
      9      *  D     E            F 
     10      */  
     11     public void createBinTree(){
     12         TreeNode root_A = new TreeNode("A");
     13         TreeNode node_B = new TreeNode("B");
     14         TreeNode node_C = new TreeNode("C");
     15         TreeNode node_D = new TreeNode("D");
     16         TreeNode node_E = new TreeNode("E");
     17         TreeNode node_F = new TreeNode("F");
     18         root = root_A;
     19         root.leftChild=node_B;  
     20         root.rightChild=node_C;  
     21         root.leftChild.leftChild=node_D;  
     22         root.leftChild.rightChild=node_E;  
     23         root.rightChild.rightChild=node_F;  
     24     }
     25     
     26     /**
     27      * 获取树的高度
     28      * @param subTree 
     29      * @return
     30      */
     31     private int height(TreeNode subTree){  
     32         if(subTree==null)  
     33             return 0;//递归结束:空树高度为0  
     34         else{  
     35             int i=height(subTree.leftChild);  
     36             int j=height(subTree.rightChild);  
     37             return (i<j)?(j+1):(i+1);  
     38         }  
     39     }
     40     
     41     /**
     42      * 获取数的节点数
     43      * @param subTree
     44      * @return
     45      */
     46     private int size(TreeNode subTree){  
     47         if(subTree==null){  
     48             return 0;  
     49         }else{  
     50             return 1+size(subTree.leftChild)+size(subTree.rightChild);
     51         }  
     52     }  
     53     
     54     /**
     55      * 获取节点的双亲节点
     56      * @param element
     57      * @return
     58      */
     59     public TreeNode parent(TreeNode element){  
     60         return (root==null|| root==element)?null:parent(root, element);
     61     } 
     62     
     63     public TreeNode parent(TreeNode subTree,TreeNode element){
     64         if(subTree==null)
     65             return null;  
     66         if(subTree.leftChild==element||subTree.rightChild==element)  
     67             //返回父结点地址  
     68             return subTree;  
     69         TreeNode p;  
     70         //现在左子树中找,如果左子树中没有找到,才到右子树去找  
     71         if((p=parent(subTree.leftChild, element))!=null)  
     72             //递归在左子树中搜索  
     73             return p;  
     74         else  
     75             //递归在右子树中搜索  
     76             return parent(subTree.rightChild, element);  
     77     }
     78     
     79     //前序遍历  
     80     public void preOrder(TreeNode subTree){  
     81         if(subTree!=null){
     82             visted(subTree);  
     83             preOrder(subTree.leftChild); 
     84             preOrder(subTree.rightChild); 
     85         }
     86     }  
     87       
     88     //中序遍历  
     89     public void inOrder(TreeNode subTree){  
     90         if(subTree!=null){  
     91             inOrder(subTree.leftChild);  
     92             visted(subTree);  
     93             inOrder(subTree.rightChild);  
     94         }  
     95     }  
     96       
     97     //后续遍历  
     98     public void postOrder(TreeNode subTree) {  
     99         if (subTree != null) {  
    100             postOrder(subTree.leftChild);  
    101             postOrder(subTree.rightChild);  
    102             visted(subTree);  
    103         }  
    104     }  
    105     
    106     public void visted(TreeNode subTree){  
    107         System.out.print(subTree.data);
    108     }
    109     
    110     /** 
    111      * 二叉树的节点数据结构 
    112      */  
    113     private class  TreeNode{
    114         
    115         private String data=null;
    116         private TreeNode leftChild=null;
    117         private TreeNode rightChild=null;
    118           
    119         public TreeNode(){}
    120 
    121         public TreeNode(String data){  
    122             this.data=data; 
    123         }  
    124     } 
    125     
    126     public static void main(String[] args) {
    127         BinaryTree bt = new BinaryTree();
    128         bt.createBinTree();
    129         System.out.println("tree height:"+bt.height(bt.root));
    130         bt.preOrder(bt.root);
    131         System.out.println("---前序遍历");
    132         bt.inOrder(bt.root);
    133         System.out.println("---中序遍历");
    134         bt.postOrder(bt.root);
    135         System.out.println("---后序遍历");
    136     }
    137 }

    执行结果:

    tree height:3
    ABDECF---前序遍历
    DBEAFC---中序遍历
    DEBFCA---后序遍历

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