C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：什么是樹(shù)？什么是二叉樹(shù)？

前言

在之前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)了順序表、鏈表、棧、隊(duì)列這幾種結(jié)構(gòu)

它們都是用鏈表或者數(shù)組的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要考察我們對(duì)結(jié)構(gòu)體的運(yùn)用

今天讓我們來(lái)學(xué)習(xí)一個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是下面這副圖里面的樹(shù)

啊不好意思，圖拿錯(cuò)了！????

是下面這個(gè)才對(duì)

1.什么是樹(shù)？

1.1樹(shù)的概念

樹(shù)是一種非線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是由n個(gè)有限節(jié)點(diǎn)組成的具有一定層次關(guān)系的集合。

把它叫做樹(shù)是因?yàn)樗雌饋?lái)的確像一個(gè)樹(shù)的根部

當(dāng)然也可以理解為是樹(shù)干在上，樹(shù)葉在下的結(jié)構(gòu)

• 有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，被稱為根節(jié)點(diǎn)，也就是樹(shù)的開(kāi)頭
• 除了根節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)都是,個(gè)互不相交的集合。
• 每一個(gè)集合都是一顆與樹(shù)的結(jié)構(gòu)類似的子樹(shù)
• 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能有一個(gè)前驅(qū)，但是可以有很多個(gè)后驅(qū)因此，樹(shù)是遞歸定義的

樹(shù)中的子節(jié)點(diǎn)不能有交集

• 上圖中的B節(jié)點(diǎn)不能有G這個(gè)孩子，因?yàn)镚已經(jīng)有父母C了
• 同理，G節(jié)點(diǎn)也不能同時(shí)擁有兩對(duì)父母
• 子節(jié)點(diǎn)之間也不能相連，如E和F不能相連
• C語(yǔ)言學(xué)習(xí)資源匯總【最新版】
  

1.2樹(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)的度：一個(gè)節(jié)點(diǎn)含有的子樹(shù)的個(gè)數(shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的度；如下圖：A的度為6

葉節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)：度為0的節(jié)點(diǎn)稱為葉節(jié)點(diǎn)；圖中B、C、H、I…等節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)

非終端節(jié)點(diǎn)或分支節(jié)點(diǎn)：度不為0的節(jié)點(diǎn)；如上圖中D、E、F、G…等節(jié)點(diǎn)為分支節(jié)點(diǎn)

簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是有娃的節(jié)點(diǎn)就是分支節(jié)點(diǎn)

雙親節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)：若一個(gè)節(jié)點(diǎn)含有子節(jié)點(diǎn)，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為其子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)；如上圖，D是H的父節(jié)點(diǎn)

孩子節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)含有的子樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)稱為該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)；如上圖：H是D的孩子節(jié)點(diǎn)

兄弟節(jié)點(diǎn)：具有相同父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)互稱為兄弟節(jié)點(diǎn)；如下圖：P、Q是兄弟節(jié)點(diǎn)

樹(shù)的度：一棵樹(shù)中，最大的節(jié)點(diǎn)的度稱為樹(shù)的度；示例中樹(shù)的度為6（即A的度）

節(jié)點(diǎn)的層次：從根開(kāi)始定義起，根為第1層，根的子節(jié)點(diǎn)為第2層，以此類推

樹(shù)的高度或深度：樹(shù)中節(jié)點(diǎn)的最大層次；示例中樹(shù)的高度為4

堂兄弟節(jié)點(diǎn)：雙親在同一層的節(jié)點(diǎn)互為堂兄弟；如下圖：H、I互為兄弟節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)的祖先：從根到該節(jié)點(diǎn)所經(jīng)分支上的所有節(jié)點(diǎn)；示例中A是所有節(jié)點(diǎn)的祖先

子孫：以某節(jié)點(diǎn)為根的子樹(shù)中任一節(jié)點(diǎn)都稱為該節(jié)點(diǎn)的子孫。示例中所有節(jié)點(diǎn)都是A的子孫

森林：由m（m>0）棵互不相交的樹(shù)的集合稱為森林

多個(gè)不相交的樹(shù)就是森林

1.3樹(shù)的代碼表示

表示樹(shù)的方式有很多種，比如下面這種

#define?N?5?//指定樹(shù)的度為5
struct?TreeNode
{
??int?data;
??struct?TreeNode*?subs[N];//用指針數(shù)組存放孩子節(jié)點(diǎn)的指針
};

但這種方法不夠優(yōu)，給大家展示一個(gè)用的最廣泛的方法——孩子兄弟表示法

typedef?int?DataType;
struct?Node
{
?struct?Node*?_firstChild1;?//?第一個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)
?struct?Node*?_pNextBrother;?//?指向其下一個(gè)兄弟結(jié)點(diǎn)
?DataType?_data;?//?結(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)域
};

通過(guò)這種方法，父親節(jié)點(diǎn)只需要保存它的第一個(gè)娃，其他娃就讓大娃的兄弟節(jié)點(diǎn)來(lái)找

也就是家長(zhǎng)只用管老大，老大管老二，老二管老三，依次往下……

實(shí)際寫(xiě)代碼的結(jié)構(gòu)大概是下圖這樣

2.二叉樹(shù)

在實(shí)際中，二叉樹(shù)是使用較多的一種樹(shù)的結(jié)構(gòu)

2.1概念

二叉樹(shù)是度為2的樹(shù)，它是一個(gè)特殊的樹(shù)

• 二叉樹(shù)不存在度大于2的節(jié)點(diǎn)
• 二叉樹(shù)是有序樹(shù)，它的娃（子樹(shù)）有左右之分，次序不能顛倒

所以，二叉樹(shù)都是由下面各類節(jié)點(diǎn)組成的樹(shù)

2.2特殊的二叉樹(shù)

滿二叉樹(shù)：如果每一個(gè)層的節(jié)點(diǎn)數(shù)都達(dá)到最大值，那這個(gè)二叉樹(shù)就是滿二叉樹(shù)。也就是說(shuō)：滿二叉樹(shù)的層數(shù)為k，且節(jié)點(diǎn)總數(shù)是2k-1

滿二叉樹(shù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)是一個(gè)等比數(shù)列公式2 0 + 2 1 + 2 2 + . . . + 2 k ? 1 = 1 ? ( 1 ? 2 k ) / ( 1 ? 2 ) = 2 k ? 1 2^0+2^1+2^2+...+2^{k-1}=1*(1-2^k)/(1-2)=2^k -1 20+21+22+...+2k?1=1?(1?2k)/(1?2)=2k?1

完全二叉樹(shù)：完全二叉樹(shù)是效率很高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于深度為K，有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的二叉樹(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都與深度為K的滿二叉樹(shù)中編號(hào)從1至n的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)時(shí)，稱為完全二叉樹(shù)。

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，完全二叉樹(shù)的最后一層不一定滿，但必須要從左到右連續(xù)

滿二叉樹(shù)是一個(gè)特殊的完全二叉樹(shù)

2.3二叉樹(shù)的性質(zhì)

• 若規(guī)定根節(jié)點(diǎn)的層數(shù)為1，則一棵非空二叉樹(shù)的第i層上最多有2(i-1)個(gè)結(jié)點(diǎn)
• 若規(guī)定根節(jié)點(diǎn)的層數(shù)為1，則深度為h的二叉樹(shù)的最大結(jié)點(diǎn)數(shù)是2h-1
• 對(duì)任何一棵二叉樹(shù), 如果度為0其葉結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n0, 度為2的分支結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n2，則有n0 = n2+1
• 若規(guī)定根節(jié)點(diǎn)的層數(shù)為1，具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的滿二叉樹(shù)的深度，h=log2(n+1) 。(ps：是log以2為底，n+1為對(duì)數(shù))
• 對(duì)于具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹(shù)，如果按照從上至下從左至右的數(shù)組順序?qū)λ泄?jié)點(diǎn)從0開(kāi)始編號(hào)，則對(duì)于序號(hào)為i的結(jié)點(diǎn)有：

1. 若i>0，i位置節(jié)點(diǎn)的雙親序號(hào)：(i-1)/2；i=0，i為根節(jié)點(diǎn)編號(hào)，無(wú)雙親節(jié)點(diǎn)
2. 若2i+1=n否則無(wú)左孩子
3. 若2i+2=n否則無(wú)右孩子

2.4幾個(gè)選擇題

1.?某二叉樹(shù)共有?399?個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中有?199?個(gè)度為?2?的結(jié)點(diǎn)，則該二叉樹(shù)中的葉子結(jié)點(diǎn)數(shù)為（?）
A?不存在這樣的二叉樹(shù)
B?200??√
C?198
D?199
//葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)量?總比度為2的節(jié)點(diǎn)多1
????
2.在具有?2n?個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹(shù)中，葉子結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為（?）
A?n????√
B?n+1
C?n-1
D?n/2
//N0+N1+N2=2n
//2N0+N1-1=2n
//N1只有0和1兩種可能，因?yàn)閚為整數(shù)，2n為偶數(shù)，所以2N0=2n，N0=n
????
3.一棵完全二叉樹(shù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)位為531個(gè)，那么這棵樹(shù)的高度為（?）
A?11
B?10??√
C?8
D?12
//假設(shè)高度是h
//完全二叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)最多2^h?-1
//?????????????最少2^(h-1)-1?+1
//可以通過(guò)這兩個(gè)公式，推斷出h=10

3.二叉樹(shù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

二叉樹(shù)一般可以使用兩種結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，一種順序結(jié)構(gòu)，一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

3.1順序存儲(chǔ)

順序結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)就是使用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)

一般使用數(shù)組只適合表示完全二叉樹(shù)，因?yàn)椴皇峭耆鏄?shù)會(huì)有空間的浪費(fèi)。

現(xiàn)實(shí)使用中只有堆才會(huì)使用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)

下一篇博客會(huì)帶大家認(rèn)識(shí)堆這個(gè)特殊的樹(shù)形結(jié)構(gòu)（和內(nèi)存里面那個(gè)堆????沒(méi)啥關(guān)系哈）

看到這張圖，你肯定想問(wèn)，如果用數(shù)組結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，那還怎么還原出一顆樹(shù)????呢？

這里我們需要理解物理存儲(chǔ)和邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)系

二叉樹(shù)順序存儲(chǔ)在物理上是一個(gè)數(shù)組，在邏輯上是一顆二叉樹(shù)

那怎么計(jì)算這種情況下的父親和娃呢？

• leftchild=parent*2+1
• rightchild=parent*2+2
• parent=(child-1)/2

怎么樣，是不是忽然感覺(jué)妙級(jí)了？

3.2鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)

這就就沒(méi)啥好說(shuō)的啦，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的二叉鏈就能構(gòu)成二叉樹(shù)

typedef?int?BTDataType;
//?二叉鏈
struct?BinaryTreeNode
{
??struct?BinTreeNode*?_pLeft;?//?指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)左孩子
??struct?BinTreeNode*?_pRight;?//?指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)右孩子
??BTDataType?_data;?//?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的值
}

結(jié)語(yǔ)

嘿嘿嘿，本篇博客到這里就結(jié)束啦！

https://blog.51cto.com/u_15307009/5202047