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纸上谈兵: 树, 二叉树, 二叉搜索树

作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 欢迎转载,也请保留这段声明。谢谢!

树(Tree)是元素的集合。我们先以比较直观的方式介绍树。下面的数据结构是一个树:

纸上谈兵: 树, 二叉树, 二叉搜索树

树有多个节点(node),用以储存元素。某些节点之间存在一定的关系,用连线表示,连线称为边(edge)。边的上端节点称为父节点,下端称为子节点。树像是一个不断分叉的树根。

每个节点可以有多个子节点(children),而该节点是相应子节点的父节点(parent)。比如说,3,5是6的子节点,6是3,5的父节点;1,8,7是3的子节点, 3是1,8,7的父节点。树有一个没有父节点的节点,称为根节点(root),如图中的6。没有子节点的节点称为叶节点(leaf),比如图中的1,8,9,5节点。从图中还可以看到,上面的树总共有4个层次,6位于第一层,9位于第四层。树中节点的最大层次被称为深度。也就是说,该树的深度(depth)为4。

如果我们从节点3开始向下看,而忽略其它部分。那么我们看到的是一个以节点3为根节点的树:

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三角形代表一棵树

再进一步,如果我们定义孤立的一个节点也是一棵树的话,原来的树就可以表示为根节点和子树(subtree)的关系:

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上述观察实际上给了我们一种严格的定义树的方法:

1. 树是元素的集合。

2. 该集合可以为空。这时树中没有元素,我们称树为空树 (empty tree)。

3. 如果该集合不为空,那么该集合有一个根节点,以及0个或者多个子树。根节点与它的子树的根节点用一个边(edge)相连。

上面的第三点是以递归的方式来定义树,也就是在定义树的过程中使用了树自身(子树)。由于树的递归特征,许多树相关的操作也可以方便的使用递归实现。我们将在后面看到。

(上述定义来自"Data Structures and Algorithm Analysis in C, by Mark Allen Weiss"。 我觉得有一点不太严格的地方。如果说空树属于树,第三点应该是 “...以及0个和多个非空子树...” )

树的示意图已经给出了树的一种内存实现方式: 每个节点储存元素和多个指向子节点的指针。然而,子节点数目是不确定的。一个父节点可能有大量的子节点,而另一个父节点可能只有一个子节点,而树的增删节点操作会让子节点的数目发生进一步的变化。这种不确定性就可能带来大量的内存相关操作,并且容易造成内存的浪费。

一种经典的实现方式如下:

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树的内存实现

拥有同一父节点的两个节点互为兄弟节点(sibling)。上图的实现方式中,每个节点包含有一个指针指向第一个子节点,并有另一个指针指向它的下一个兄弟节点。这样,我们就可以用统一的、确定的结构来表示每个节点。

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文件树

二叉树(binary)是一种特殊的树。二叉树的每个节点最多只能有2个子节点:

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二叉树

由于二叉树的子节点数目确定,所以可以直接采用上图方式在内存中实现。每个节点有一个左子节点(left children)和右子节点(right children)。左子节点是左子树的根节点,右子节点是右子树的根节点。

如果我们给二叉树加一个额外的条件,就可以得到一种被称作二叉搜索树(binary search tree)的特殊二叉树。二叉搜索树要求:每个节点都不比它左子树的任意元素小,而且不比它的右子树的任意元素大。

(如果我们假设树中没有重复的元素,那么上述要求可以写成:每个节点比它左子树的任意节点大,而且比它右子树的任意节点小)

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二叉搜索树,注意树中元素的大小

二叉搜索树可以方便的实现搜索算法。在搜索元素x的时候,我们可以将x和根节点比较:

1. 如果x等于根节点,那么找到x,停止搜索 (终止条件)

2. 如果x小于根节点,那么搜索左子树

3. 如果x大于根节点,那么搜索右子树

二叉搜索树所需要进行的操作次数最多与树的深度相等。n个节点的二叉搜索树的深度最多为n,最少为log(n)。

下面是用C语言实现的二叉搜索树,并有搜索,插入,删除,寻找最大最小节点的操作。每个节点中存有三个指针,一个指向父节点,一个指向左子节点,一个指向右子节点。

(这样的实现是为了方便。节点可以只保存有指向左右子节点的两个指针,并实现上述操作。)

删除节点相对比较复杂。删除节点后,有时需要进行一定的调整,以恢复二叉搜索树的性质(每个节点都不比它左子树的任意元素小,而且不比它的右子树的任意元素大)。

叶节点可以直接删除。

删除非叶节点时,比如下图中的节点8,我们可以删除左子树中最大的元素(或者右树中最大的元素),用删除的节点来补充元素8产生的空缺。但该元素可能也不是叶节点,所以它所产生的空缺需要其他元素补充…… 直到最后删除一个叶节点。上述过程可以递归实现。

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删除节点

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删除节点后的二叉搜索树

运行结果:

Original:

2

5

8

18

81

101

After deletion:

上述实现中的删除比较复杂。有一种简单的替代操作,称为懒惰删除(lazy deletion)。在懒惰删除时,我们并不真正从二叉搜索树中删除该节点,而是将该节点标记为“已删除”。这样,我们只用找到元素并标记,就可以完成删除元素了。如果有相同的元素重新插入,我们可以将该节点找到,并取消删除标记。

懒惰删除的实现比较简单,可以尝试一下。树所占据的内存空间不会因为删除节点而减小。懒惰节点实际上是用内存空间换取操作的简便性。

树, 二叉树, 二叉搜索树

二叉搜索树的删除

懒惰删除