小白备战大厂算法笔试(五)——树
文章目录
- 二叉树
-
- 常用术语
- 初始化
- 插入与删除
- 常见类型
-
- 满二叉树
- 完全二叉树
- 完满二叉树
- 平衡二叉树
- 二叉树退化
- 二叉树遍历
-
- 层序遍历
- 前序、中序、后序遍历
- 数组表示二叉树
-
- 表示完美二叉树
- 表示任意二叉树
- 二叉搜索树
-
- 查找节点
- 插入节点
- 删除节点
- 遍历有序
- 搜索效率
- 常见应用
二叉树
二叉树是一种非线性数据结构，代表着祖先与后代之间的派生关系，体现着“一分为二”的分治逻辑。与链表类似，二叉树的基本单元是节点，每个节点包含：值、左子节点引用、右子节点引用。
Python：
class TreeNode:
"""二叉树节点类"""
def __init__(self, val: int):
self.val: int = val # 节点值
self.left: Optional[TreeNode] = None # 左子节点引用
self.right: Optional[TreeNode] = None # 右子节点引用
Go：
/* 二叉树节点结构体 */
type TreeNode struct {
Val int
Left *TreeNode
Right *TreeNode
}
/* 节点初始化方法 */
func NewTreeNode(v int) *TreeNode {
return &TreeNode{
Left: nil, // 左子节点指针
Right: nil, // 右子节点指针
Val: v, // 节点值
}
}
每个节点都有两个引用（指针），分别指向左子节点和右子节点 ，该节点被称为这两个子节点的父节点 。当给定一个二叉树的节点时，我们将该节点的左子节点及其以下节点形成的树称为该节点的左子树，同理可得右子树。
在二叉树中，除叶节点外，其他所有节点都包含子节点和非空子树。如下图所示，如果将“节点 2”视为父节点，则其左子节点和右子节点分别是“节点 4”和“节点 5”，左子树是“节点 4 及其以下节点形成的树”，右子树是“节点 5 及其以下节点形成的树”。
常用术语
- 根节点：位于二叉树顶层的节点，没有父节点。
- 叶节点：没有子节点的节点，其两个指针均指向 None 。
- 边：连接两个节点的线段，即节点引用（指针）。
- 节点所在的层 ：从顶至底递增，根节点所在层为 1 。
- 节点的度 ：节点的子节点的数量。在二叉树中，度的取值范围是 0、1、2 。
- 二叉树的高度：从根节点到最远叶节点所经过的边的数量。
- 节点的深度：从根节点到该节点所经过的边的数量。
- 节点的高度：从最远叶节点到该节点所经过的边的数量。
初始化
Python：
# 初始化二叉树
# 初始化节点
n1 = TreeNode(val=1)
n2 = TreeNode(val=2)
n3 = TreeNode(val=3)
n4 = TreeNode(val=4)
n5 = TreeNode(val=5)
# 构建引用指向（即指针）
n1.left = n2
n1.right = n3
n2.left = n4
n2.right = n5
Go：
/* 初始化二叉树 */
// 初始化节点
n1 := NewTreeNode(1)
n2 := NewTreeNode(2)
n3 := NewTreeNode(3)
n4 := NewTreeNode(4)
n5 := NewTreeNode(5)
// 构建引用指向（即指针）
n1.Left = n2
n1.Right = n3
n2.Left = n4
n2.Right = n5
插入与删除
Python：
# 插入与删除节点
p = TreeNode(0)
# 在 n1 -> n2 中间插入节点 P
n1.left = p
p.left = n2
# 删除节点 P
n1.left = n2
Go：
/* 插入与删除节点 */
// 在 n1 -> n2 中间插入节点 P
p := NewTreeNode(0)
n1.Left = p
p.Left = n2
// 删除节点 P
n1.Left = n2
插入节点可能会改变二叉树的原有逻辑结构，而删除节点通常意味着删除该节点及其所有子树。因此，在二叉树中，插入与删除操作通常是由一套操作配合完成的，以实现有实际意义的操作。
常见类型
满二叉树
满二叉树又叫完美二叉树，除了最底层外，其余所有层的节点都被完全填满。在完美二叉树中，叶节点的度为 0 ，其余所有节点的度都为 2 ；若树高度为 ℎ ，则节点总数为 2^(ℎ+1)−1 ，呈现标准的指数级关系，反映了自然界中常见的细胞分裂现象。
完全二叉树
完全二叉树只有最底层的节点未被填满，且最底层节点尽量靠左填充。
完满二叉树
完满二叉树除了叶节点之外，其余所有节点都有两个子节点。
平衡二叉树
平衡二叉树中任意节点的左子树和右子树的高度之差的绝对值不超过 1 。
二叉树退化
当二叉树的每层节点都被填满时，达到“完美二叉树”；而当所有节点都偏向一侧时，二叉树退化为“链表”。
- 完美二叉树是理想情况，可以充分发挥二叉树“分治”的优势。
- 链表则是另一个极端，各项操作都变为线性操作，时间复杂度退化至 O(n) 。
| 完美二叉树 | 链表 | |
|---|---|---|
| 第 i 层的节点数量 | 2^(i−1) | 1 |
| 高度 ℎ 树的叶节点数量 | 2^ℎ | 1 |
| 高度 ℎ 树的节点总数 | 2^(ℎ+1)−1 | ℎ+1 |
| 节点总数n树的高度 | log2(n+1)−1 | n-1 |
二叉树遍历
层序遍历
层序遍历从顶部到底部逐层遍历二叉树，并在每一层按照从左到右的顺序访问节点。
层序遍历本质上属于广度优先遍历，它体现了一种“一圈一圈向外扩展”的逐层遍历方式。
广度优先遍历通常借助“队列”来实现。队列遵循“先进先出”的规则，而广度优先遍历则遵循“逐层推进”的规则，两者背后的思想是一致的。
Python：
def level_order(root: TreeNode | None) -> list[int]:
"""层序遍历"""
# 初始化队列，加入根节点
queue: deque[TreeNode] = deque()
queue.append(root)
# 初始化一个列表，用于保存遍历序列
res = []
while queue:
node: TreeNode = queue.popleft() # 队列出队
res.append(node.val) # 保存节点值
if node.left is not None:
queue.append(node.left) # 左子节点入队
if node.right is not None:
queue.append(node.right) # 右子节点入队
return res
Go:
/* 层序遍历 */
func levelOrder(root *TreeNode) []any {
// 初始化队列，加入根节点
queue := list.New()
queue.PushBack(root)
// 初始化一个切片，用于保存遍历序列
nums := make([]any, 0)
for queue.Len() > 0 {
// 队列出队
node := queue.Remove(queue.Front()).(*TreeNode)
// 保存节点值
nums = append(nums, node.Val)
if node.Left != nil {
// 左子节点入队
queue.PushBack(node.Left)
}
if node.Right != nil {
// 右子节点入队
queue.PushBack(node.Right)
}
}
return nums
}
- 时间复杂度 O(n) ：所有节点被访问一次，使用 O(n) 时间，其中 n 为节点数量。
- 空间复杂度 O(n) ：在最差情况下，即满二叉树时，遍历到最底层之前，队列中最多同时存在 (n+1)/2 个节点，占用 O(n) 空间。
前序、中序、后序遍历
前序、中序和后序遍历都属于深度优先遍历，它体现了一种“先走到尽头，再回溯继续”的遍历方式。下图展示了对二叉树进行深度优先遍历的工作原理。深度优先遍历就像是绕着整个二叉树的外围“走”一圈，在每个节点都会遇到三个位置，分别对应前序遍历、中序遍历和后序遍历。
深度优先搜索通常基于递归实现：
Python：
def pre_order(root: TreeNode | None):
"""前序遍历"""
if root is None:
return
# 访问优先级：根节点 -> 左子树 -> 右子树
res.append(root.val)
pre_order(root=root.left)
pre_order(root=root.right)
def in_order(root: TreeNode | None):
"""中序遍历"""
if root is None:
return
# 访问优先级：左子树 -> 根节点 -> 右子树
in_order(root=root.left)
res.append(root.val)
in_order(root=root.right)
def post_order(root: TreeNode | None):
"""后序遍历"""
if root is None:
return
# 访问优先级：左子树 -> 右子树 -> 根节点
post_order(root=root.left)
post_order(root=root.right)
res.append(root.val)
Go：
/* 前序遍历 */
func preOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级：根节点 -> 左子树 -> 右子树
nums = append(nums, node.Val)
preOrder(node.Left)
preOrder(node.Right)
}
/* 中序遍历 */
func inOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级：左子树 -> 根节点 -> 右子树
inOrder(node.Left)
nums = append(nums, node.Val)
inOrder(node.Right)
}
/* 后序遍历 */
func postOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级：左子树 -> 右子树 -> 根节点
postOrder(node.Left)
postOrder(node.Right)
nums = append(nums, node.Val)
}
下图展示了前序遍历二叉树的递归过程，其可分为“递”和“归”两个逆向的部分。
- “递”表示开启新方法，程序在此过程中访问下一个节点。
- “归”表示函数返回，代表当前节点已经访问完毕。
- 时间复杂度 O(n) ：所有节点被访问一次，使用 O(n) 时间。
- 空间复杂度 O(n) ：在最差情况下，即树退化为链表时，递归深度达到 n ，系统占用 O(n) 栈帧空间。
数组表示二叉树
表示完美二叉树
给定一个完美二叉树，我们将所有节点按照层序遍历的顺序存储在一个数组中，则每个节点都对应唯一的数组索引。根据层序遍历的特性，我们可以推导出父节点索引与子节点索引之间的“映射公式”：若节点的索引为 i ，则该节点的左子节点索引为 2i+1 ，右子节点索引为 2i+2 。
映射公式的角色相当于链表中的指针。给定数组中的任意一个节点，我们都可以通过映射公式来访问它的左（右）子节点。
表示任意二叉树
完美二叉树是一个特例，在二叉树的中间层通常存在许多 None 。由于层序遍历序列并不包含这些 None ，因此我们无法仅凭该序列来推测 None 的数量和分布位置。这意味着存在多种二叉树结构都符合该层序遍历序列。
我们可以考虑在层序遍历序列中显式地写出所有 None ，这样处理后，层序遍历序列就可以唯一表示二叉树了。
Python：
# 二叉树的数组表示
# 使用 None 来表示空位
tree = [1, 2, 3, 4, None, 6, 7, 8, 9, None, None, 12, None, None, 15]
Go：
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 any 类型的切片, 就可以使用 nil 来标记空位
tree := []any{1, 2, 3, 4, nil, 6, 7, 8, 9, nil, nil, 12, nil, nil, 15}
完全二叉树非常适合使用数组来表示。回顾完全二叉树的定义，None 只出现在最底层且靠右的位置，因此所有 None 一定出现在层序遍历序列的末尾。这意味着使用数组表示完全二叉树时，可以省略存储所有 None ，非常方便。
以下代码实现了一个基于数组表示的二叉树，包括以下几种操作。
- 给定某节点，获取它的值、左（右）子节点、父节点。
- 获取前序遍历、中序遍历、后序遍历、层序遍历序列。
Python：
class ArrayBinaryTree:
"""数组表示下的二叉树类"""
def __init__(self, arr: list[int | None]):
"""构造方法"""
self.__tree = list(arr)
def size(self):
"""节点数量"""
return len(self.__tree)
def val(self, i: int) -> int:
"""获取索引为 i 节点的值"""
# 若索引越界，则返回 None ，代表空位
if i < 0 or i >= self.size():
return None
return self.__tree[i]
def left(self, i: int) -> int | None:
"""获取索引为 i 节点的左子节点的索引"""
return 2 * i + 1
def right(self, i: int) -> int | None:
"""获取索引为 i 节点的右子节点的索引"""
return 2 * i + 2
def parent(self, i: int) -> int | None:
"""获取索引为 i 节点的父节点的索引"""
return (i - 1) // 2
def level_order(self) -> list[int]:
"""层序遍历"""
self.res = []
# 直接遍历数组
for i in range(self.size()):
if self.val(i) is not None:
self.res.append(self.val(i))
return self.res
def __dfs(self, i: int, order: str):
"""深度优先遍历"""
if self.val(i) is None:
return
# 前序遍历
if order == "pre":
self.res.append(self.val(i))
self.__dfs(self.left(i), order)
# 中序遍历
if order == "in":
self.res.append(self.val(i))
self.__dfs(self.right(i), order)
# 后序遍历
if order == "post":
self.res.append(self.val(i))
def pre_order(self) -> list[int]:
"""前序遍历"""
self.res = []
self.__dfs(0, order="pre")
return self.res
def in_order(self) -> list[int]:
"""中序遍历"""
self.res = []
self.__dfs(0, order="in")
return self.res
def post_order(self) -> list[int]:
"""后序遍历"""
self.res = []
self.__dfs(0, order="post")
return self.res
Go：
/* 数组表示下的二叉树类 */
type arrayBinaryTree struct {
tree []any
}
/* 构造方法 */
func newArrayBinaryTree(arr []any) *arrayBinaryTree {
return &arrayBinaryTree{
tree: arr,
}
}
/* 节点数量 */
func (abt *arrayBinaryTree) size() int {
return len(abt.tree)
}
/* 获取索引为 i 节点的值 */
func (abt *arrayBinaryTree) val(i int) any {
// 若索引越界，则返回 null ，代表空位
if i < 0 || i >= abt.size() {
return nil
}
return abt.tree[i]
}
/* 获取索引为 i 节点的左子节点的索引 */
func (abt *arrayBinaryTree) left(i int) int {
return 2*i + 1
}
/* 获取索引为 i 节点的右子节点的索引 */
func (abt *arrayBinaryTree) right(i int) int {
return 2*i + 2
}
/* 获取索引为 i 节点的父节点的索引 */
func (abt *arrayBinaryTree) parent(i int) int {
return (i - 1) / 2
}
/* 层序遍历 */
func (abt *arrayBinaryTree) levelOrder() []any {
var res []any
// 直接遍历数组
for i := 0; i < abt.size(); i++ {
if abt.val(i) != nil {
res = append(res, abt.val(i))
}
}
return res
}
/* 深度优先遍历 */
func (abt *arrayBinaryTree) dfs(i int, order string, res *[]any) {
// 若为空位，则返回
if abt.val(i) == nil {
return
}
// 前序遍历
if order == "pre" {
*res = append(*res, abt.val(i))
}
abt.dfs(abt.left(i), order, res)
// 中序遍历
if order == "in" {
*res = append(*res, abt.val(i))
}
abt.dfs(abt.right(i), order, res)
// 后序遍历
if order == "post" {
*res = append(*res, abt.val(i))
}
}
/* 前序遍历 */
func (abt *arrayBinaryTree) preOrder() []any {
var res []any
abt.dfs(0, "pre", &res)
return res
}
/* 中序遍历 */
func (abt *arrayBinaryTree) inOrder() []any {
var res []any
abt.dfs(0, "in", &res)
return res
}
/* 后序遍历 */
func (abt *arrayBinaryTree) postOrder() []any {
var res []any
abt.dfs(0, "post", &res)
return res
}
二叉树的数组表示主要有以下优点。
- 数组存储在连续的内存空间中，对缓存友好，访问与遍历速度较快。
- 不需要存储指针，比较节省空间。
- 允许随机访问节点。
然而，数组表示也存在一些局限性。
- 数组存储需要连续内存空间，因此不适合存储数据量过大的树。
- 增删节点需要通过数组插入与删除操作实现，效率较低。
- 当二叉树中存在大量 None 时，数组中包含的节点数据比重较低，空间利用率较低。
二叉搜索树
二叉搜索树满足以下条件。
- 对于根节点，左子树中所有节点的值 < 根节点的值 < 右子树中所有节点的值。
- 任意节点的左、右子树也是二叉搜索树，即同样满足条件
1.。
将二叉搜索树封装为一个类 ArrayBinaryTree ，并声明一个成员变量 root ，指向树的根节点。
查找节点
给定目标节点值 num ，可以根据二叉搜索树的性质来查找。我们声明一个节点 cur ，从二叉树的根节点 root 出发，循环比较节点值 cur.val 和 num 之间的大小关系。
- 若
cur.val < num，说明目标节点在cur的右子树中，因此执行cur = cur.right。 - 若
cur.val > num，说明目标节点在cur的左子树中，因此执行cur = cur.left。 - 若
cur.val = num，说明找到目标节点，跳出循环并返回该节点。
二叉搜索树的查找操作与二分查找算法的工作原理一致，都是每轮排除一半情况。循环次数最多为二叉树的高度，当二叉树平衡时，使用O(logn) 时间。
Python：
def search(self, num: int) -> TreeNode | None:
"""查找节点"""
cur = self.__root
# 循环查找，越过叶节点后跳出
while cur is not None:
# 目标节点在 cur 的右子树中
if cur.val < num:
cur = cur.right
# 目标节点在 cur 的左子树中
elif cur.val > num:
cur = cur.left
# 找到目标节点，跳出循环
else:
break
return cur
Go：
/* 查找节点 */
func (bst *binarySearchTree) search(num int) *TreeNode {
node := bst.root
// 循环查找，越过叶节点后跳出
for node != nil {
if node.Val.(int) < num {
// 目标节点在 cur 的右子树中
node = node.Right
} else if node.Val.(int) > num {
// 目标节点在 cur 的左子树中
node = node.Left
} else {
// 找到目标节点，跳出循环
break
}
}
// 返回目标节点
return node
}
插入节点
给定一个待插入元素 num ，为了保持二叉搜索树“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质：
- 查找插入位置：与查找操作相似，从根节点出发，根据当前节点值和
num的大小关系循环向下搜索，直到越过叶节点（遍历至 None ）时跳出循环。 - 在该位置插入节点：初始化节点
num，将该节点置于 None 的位置。
在代码实现中，需要注意以下两点。
- 二叉搜索树不允许存在重复节点，否则将违反其定义。因此，若待插入节点在树中已存在，则不执行插入，直接返回。
- 为了实现插入节点，我们需要借助节点
pre保存上一轮循环的节点。这样在遍历至 None 时，我们可以获取到其父节点，从而完成节点插入操作。
Python：
def insert(self, num: int):
"""插入节点"""
# 若树为空，则初始化根节点
if self.__root is None:
self.__root = TreeNode(num)
return
# 循环查找，越过叶节点后跳出
cur, pre = self.__root, None
while cur is not None:
# 找到重复节点，直接返回
if cur.val == num:
return
pre = cur
# 插入位置在 cur 的右子树中
if cur.val < num:
cur = cur.right
# 插入位置在 cur 的左子树中
else:
cur = cur.left
# 插入节点
node = TreeNode(num)
if pre.val < num:
pre.right = node
else:
pre.left = node
Go：
/* 插入节点 */
func (bst *binarySearchTree) insert(num int) {
cur := bst.root
// 若树为空，则初始化根节点
if cur == nil {
bst.root = NewTreeNode(num)
return
}
// 待插入节点之前的节点位置
var pre *TreeNode = nil
// 循环查找，越过叶节点后跳出
for cur != nil {
if cur.Val == num {
return
}
pre = cur
if cur.Val.(int) < num {
cur = cur.Right
} else {
cur = cur.Left
}
}
// 插入节点
node := NewTreeNode(num)
if pre.Val.(int) < num {
pre.Right = node
} else {
pre.Left = node
}
}
删除节点
先在二叉树中查找到目标节点，再将其从二叉树中删除。与插入节点类似，我们需要保证在删除操作完成后，二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质仍然满足。因此，我们需要根据目标节点的子节点数量，共分为 0、1 和 2 这三种情况，执行对应的删除节点操作。
当待删除节点的度为 0 时，表示该节点是叶节点，可以直接删除。
当待删除节点的度为 1 时，将待删除节点替换为其子节点即可。
当待删除节点的度为 2 时，我们无法直接删除它，而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左 < 根 < 右”的性质，因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点。
假设我们选择右子树的最小节点（即中序遍历的下一个节点），则删除操作流程如下图 所示。
- 找到待删除节点在“中序遍历序列”中的下一个节点，记为
tmp。 - 将
tmp的值覆盖待删除节点的值，并在树中递归删除节点tmp。
删除节点操作同样使用 O(logn) 时间，其中查找待删除节点需要 O(logn) 时间，获取中序遍历后继节点需要 O(logn) 时间。
Python：
def remove(self, num: int):
"""删除节点"""
# 若树为空，直接提前返回
if self.__root is None:
return
# 循环查找，越过叶节点后跳出
cur, pre = self.__root, None
while cur is not None:
# 找到待删除节点，跳出循环
if cur.val == num:
break
pre = cur
# 待删除节点在 cur 的右子树中
if cur.val < num:
cur = cur.right
# 待删除节点在 cur 的左子树中
else:
cur = cur.left
# 若无待删除节点，则直接返回
if cur is None:
return
# 子节点数量 = 0 or 1
if cur.left is None or cur.right is None:
# 当子节点数量 = 0 / 1 时， child = null / 该子节点
child = cur.left or cur.right
# 删除节点 cur
if cur != self.__root:
if pre.left == cur:
pre.left = child
else:
pre.right = child
else:
# 若删除节点为根节点，则重新指定根节点
self.__root = child
# 子节点数量 = 2
else:
# 获取中序遍历中 cur 的下一个节点
tmp: TreeNode = cur.right
while tmp.left is not None:
tmp = tmp.left
# 递归删除节点 tmp
self.remove(tmp.val)
# 用 tmp 覆盖 cur
cur.val = tmp.val
Go：
/* 删除节点 */
func (bst *binarySearchTree) remove(num int) {
cur := bst.root
// 若树为空，直接提前返回
if cur == nil {
return
}
// 待删除节点之前的节点位置
var pre *TreeNode = nil
// 循环查找，越过叶节点后跳出
for cur != nil {
if cur.Val == num {
break
}
pre = cur
if cur.Val.(int) < num {
// 待删除节点在右子树中
cur = cur.Right
} else {
// 待删除节点在左子树中
cur = cur.Left
}
}
// 若无待删除节点，则直接返回
if cur == nil {
return
}
// 子节点数为 0 或 1
if cur.Left == nil || cur.Right == nil {
var child *TreeNode = nil
// 取出待删除节点的子节点
if cur.Left != nil {
child = cur.Left
} else {
child = cur.Right
}
// 删除节点 cur
if cur != bst.root {
if pre.Left == cur {
pre.Left = child
} else {
pre.Right = child
}
} else {
// 若删除节点为根节点，则重新指定根节点
bst.root = child
}
// 子节点数为 2
} else {
// 获取中序遍历中待删除节点 cur 的下一个节点
tmp := cur.Right
for tmp.Left != nil {
tmp = tmp.Left
}
// 递归删除节点 tmp
bst.remove(tmp.Val.(int))
// 用 tmp 覆盖 cur
cur.Val = tmp.Val
}
}
遍历有序
二叉树的中序遍历遵循“左 → 根 → 右”的遍历顺序，而二叉搜索树满足“左子节点 < 根节点 < 右子节点”的大小关系。这意味着在二叉搜索树中进行中序遍历时，总是会优先遍历下一个最小节点，从而得出一个重要性质：二叉搜索树的中序遍历序列是升序的。利用中序遍历升序的性质，我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 O(n) 时间，无须进行额外的排序操作，非常高效。
搜索效率
给定一组数据，考虑使用数组或二叉搜索树存储。二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶，具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下，数组比二叉搜索树的效率更高。
| 无序数组 | 二叉搜索树 | |
|---|---|---|
| 查找元素 | O(n) | O(logn) |
| 插入元素 | O(1) | O(logn) |
| 删除元素 | O(n) | O(logn) |
在理想情况下，二叉搜索树是“平衡”的，这样就可以在 logn 轮循环内查找任意节点。然而，如果我们在二叉搜索树中不断地插入和删除节点，可能导致二叉树退化为链表，这时各种操作的时间复杂度也会退化为O(n)。
常见应用
- 用作系统中的多级索引，实现高效的查找、插入、删除操作。
- 作为某些搜索算法的底层数据结构。
- 用于存储数据流，以保持其有序状态。