树(Tree)是由$n(n>=0)$个结点组成的一个具有层次关系的非线性有限集合,树中的每个元素被称为树的节点,每个节点有若干个指针指向的后继结点(子结点)。树中节点的子树数目称为节点的度(degree)。树中各结点度的最大值称为树的度,通常称为几次树。度为0的结点称为叶子结点。

二叉树

二叉树每个结点最多只有两个分支,左孩子右兄弟表示法可以将一颗 多叉树转化为二叉树。

  1. 非完全二叉树:普通二叉树。
  2. 完全二叉树:除最后一层外,每层的结点数均达到最大值,在最后一层上只缺少右边的结点。
  3. 满二叉树:除叶子结点外,每个结点都有两个孩子结点,且每一层的结点数都达到最大值。一颗深度为k的二叉树有$2^{k}-1$个结点。

二叉树的性质

性质1:在二叉树的第i层上至多有$2^{i-1} (i>0)$个结点。

性质2:深度为k的二叉树至多有$2^{k}-1 (i>0)$个结点。

性质3:对于任何一颗二叉树,若度为2的结点数目有 n 个,则叶子数必定为 n+1 个。

性质4:具有n个结点的完全二叉树,它的深度必为$\lfloor \log_{2^n} \rfloor +1$

性质5:若完全二叉树上的结点从上至下,从左至右编号,则编号为i(1<=i<=n)的结点,其左孩子编号必为2i,右孩子编号必为2i+1,双亲结点编号必为i/2(i=1除外)。

二叉树的遍历

假设根结点是D,左子树是L,右子树为R,那么:

  • 前(根)序遍历 D->L->R
  • 中(根)序遍历 L->D->R
  • 后(根)序遍历 R->L->D

对于前序遍历第一个节点肯定是根节点,后序遍历最后一个是根节点,中序遍历中根节点两边分别为左子树与右子树。
所以任意已知两种遍历,可以求第三张遍历与树结构。

以上三种遍历都是深度优先搜索算法(depth-first search DFS)。深度优先算发最自然的实现方式是通过递归实现,事实上,大部分树相关的问题都可以优先考虑递归。深度优先算法往往都可以通过使用栈结构将递归转为非递归。这里利用了栈先进后出的特性,其数据的进出顺序与递归顺序一致。

层次遍历(Level traversal):首先访问第0层,也就是根结点所在的层;当第i层的所有结点访问完之后,再从左至右依次访问第i+1层的各个结点。层次遍历属于广度优先搜索算法(breadth-first search BFS)。广度优先算法一般通过队列数据结构实现。