【数据结构】树和二叉树

一、树的概念及结构

1、树的概念

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。

• 有一个特殊的结点，称为根结点，根节点没有前驱结点。
• 除根节点外，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) 又是一棵结构与树类似的子树。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。
• 因此，树是递归定义的。

现实生活中的树：                                                ​​​​​​​数据结构中的树：

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。

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2、树的相关概念

• 节点的度：一个节点含有的子树的个数称为该节点的度； 如上图：A 的度为 6。
• 叶节点或终端节点：度为 0 的节点称为叶节点； 如上图：B、C、H、I...等节点为叶节点。
• 非终端节点或分支节点：度不为 0 的节点； 如上图：D、E、F、G...等节点为分支节点。
• 双亲节点或父节点：若一个节点含有子节点，则这个节点称为其子节点的父节点； 如上图：A 是 B 的父节点。
• 孩子节点或子节点：一个节点含有的子树的根节点称为该节点的子节点； 如上图：B是A的孩子节点。
• 兄弟节点：具有相同父节点的节点互称为兄弟节点； 如上图：B、C 是兄弟节点。
• 树的度：一棵树中，最大的节点的度称为树的度； 如上图：树的度为 6。
• 节点的层次：从根开始定义起，根为第1层，根的子节点为第 2 层，以此类推。
• 树的高度或深度：树中节点的最大层次； 如上图：树的高度为 4。
• 堂兄弟节点：双亲在同一层的节点互为堂兄弟；如上图：H、I互为兄弟节点。
• 节点的祖先：从根到该节点所经分支上的所有节点；如上图：A 是所有节点的祖先。
• 子孙：以某节点为根的子树中任一节点都称为该节点的子孙。如上图：所有节点都是 A 的子孙。
• 森林：由m（m>0）棵互不相交的树的集合称为森林。

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3、树的表示

树结构相对线性表比较复杂，要存储表示起来就比较麻烦。既然保存值域，也要保存结点和结点之间 的关系，实际中树有很多种表示方式如：双亲表示法，孩子表示法、孩子双亲表示法以及孩子兄弟表示法等。我们这里就简单的了解其中最常用的孩子兄弟表示法。

// 孩子兄弟表示法
typedef int DataType;
struct Node
{
 struct Node* firstChild1; // 第一个孩子结点
 struct Node* pNextBrother; // 指向其下一个兄弟结点
 DataType data; // 结点中的数据域
};

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4、树在实际中的运用（表示文件系统的目录树结构）

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二、二叉树的概念及结构

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. 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：

1. 二叉树不存在度大于 2 的结点。
2. 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：

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2、现实生活中的二叉树

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3、特殊的二叉树

1. 满二叉树：一个二叉树，如果每一个层的结点数都达到最大值，则这个二叉树就是满二叉树。也就是说，如果一个二叉树的层数为 K，且结点总数是 2^K-1，则它就是满二叉树。

   

2. 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 1 至 n 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。前 K 层都是满的，最后一层不一定满，但最后一层从左到右必须是连续的。深度为 K 的完全二叉树的节点个数最多为 2^K - 1，最少为 2^(K-1) - 1 + 1（前 K 层结点个数总和 +1，因为第 K 层至少有一个结点），所以节点个数范围是：[ 2K-1, 2K - 1 ]。

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4、二叉树的性质 

1. 若规定根节点的层数为 1，则一棵非空二叉树的第 i 层上最多有 2^(i-1) 个结点。
2. 若规定根节点的层数为 1，则深度为 h 的二叉树的最大结点数是 2^h-1。
3. 对任何一棵二叉树, 如果度为 0 其叶结点个数为 n , 度为 2 的分支结点个数为 m ,则有 n＝ m＋1。
4. 若规定根节点的层数为 1，具有 n 个结点的满二叉树的深度，h= log(n+1). (ps：log(n+1)是 log 以 2 为底，n+1 为对数)。
5. 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数组顺序对所有节点从 0 开始编号，则对于序号为 i 的结点有： ​​​​​​​​​​​​​​

 

• 若 i>0，i 位置节点的双亲序号：(i-1)/2；i=0，i 为根节点编号，无双亲节点。
• 若 2i+1左孩子序号：2i+1，2i+1>=n 否则无左孩子。
• 若 2i+2右孩子序号：2i+2，2i+2>=n 否则无右孩子。

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5、二叉树的存储结构

二叉树一般可以使用两种结构存储，一种顺序结构，一种链式结构。

（1）顺序存储

顺序结构存储就是使用数组来存储，一般使用数组只适合表示完全二叉树。因为不是完全二叉树会有空间的浪费。而现实中使用中只有堆才会使用数组来存储。二叉树顺序存储在物理上是一个数组，在逻辑上是一颗二叉树。

• leftchild = parent * 2 + 1

• rightchild = parent * 2 + 2

• parent = (child - 1) / 2

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（2）链式存储

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 。链式结构又分为二叉链和三叉链。目前我们一般用到的都是二叉链。（ 后面的 数据结构内容如红黑树等会用到三叉链）

 

typedef int BTDataType;

// 二叉链
struct BinaryTreeNode
{
    struct BinaryTreeNode* left; // 指向当前节点左孩子
    struct BinaryTreeNode* right; // 指向当前节点右孩子
    BTDataType data; // 当前节点值域
}

// 三叉链
struct BinaryTreeNode
{
    struct BinaryTreeNode* parent; // 指向当前节点的双亲
    struct BinaryTreeNode* left; // 指向当前节点左孩子
    struct BinaryTreeNode* right; // 指向当前节点右孩子
    BTDataType data; // 当前节点值域
}；