11二叉树(上

,关于“树”,还有三个比较相似的概念:高度(Height)、深度(Depth)、(Level)。它们的定义是这样的:

概念

例子

记这几个概念,我还有一个小窍门,就是类比“高度”“深度”“层”这几个名词在生活中的含义。

在我们的生活中,“高度”这个概念,其实就是从下往上度量,比如我们要度量第 10 层楼的高度、第 13 层楼的高度,起点都是地面。所以,树这种数据结构的高度也是一样,从最底层开始计数,并且计数的起点是 0。
“深度”这个概念在生活中是从上往下度量的,比如水中鱼的深度,是从水平面开始度量的。所以,树这种数据结构的深度也是类似的,从根结点开始度量,并且计数起点也是 0。

“层数”跟深度的计算类似,不过,计数起点是 1,也就是说根节点的位于第 1 层。

其中,编号 2 的二叉树中,叶子节点全都在最底层,除了叶子节点之外,每个节点都有左右两个子节点,这种二叉树就叫作满二叉树

编号 3 的二叉树中,叶子节点都在最底下两层,最后一层的叶子节点都靠左排列,并且除了最后一层,其他层的节点个数都要达到最大,这种二叉树叫作完全二叉树

满二叉树很好理解,也很好识别,但是完全二叉树,有的人可能就分不清了。我画了几个完全二叉树和非完全二叉树的例子,你可以对比着看看。

image.jpeg

想要存储一棵二叉树,我们有两种方法,一种是基于指针或者引用的二叉链式存储法,一种是基于数组的顺序存储法。

我们先来看比较简单、直观的链式存储法。从图中你应该可以很清楚地看到,每个节点有三个字段,其中一个存储数据,另外两个是指向左右子节点的指针。我们只要拎住根节点,就可以通过左右子节点的指针,把整棵树都串起来。这种存储方式我们比较常用。大部分二叉树代码都是通过这种结构来实现的。

数据结构

我们再来看,基于数组的顺序存储法。我们把根节点存储在下标 i = 1 的位置,那左子节点存储在下标 2 * i = 2 的位置,右子节点存储在 2 * i + 1 = 3 的位置。以此类推,B 节点的左子节点存储在 2 * i = 2 * 2 = 4 的位置,右子节点存储在 2 * i + 1 = 2 * 2 + 1 = 5 的位置。

顺序存储法

过,我刚刚举的例子是一棵完全二叉树,所以仅仅“浪费”了一个下标为 0 的存储位置。如果是非完全二叉树,其实会浪费比较多的数组存储空间。你可以看我举的下面这个例子。

非完全二叉树

所以,如果某棵二叉树是一棵完全二叉树,那用数组存储无疑是最节省内存的一种方式。因为数组的存储方式并不需要像链式存储法那样,要存储额外的左右子节点的指针。这也是为什么完全二叉树会单独拎出来的原因,也是为什么完全二叉树要求最后一层的子节点都靠左的原因。

当我们讲到堆和堆排序的时候,你会发现,堆其实就是一种完全二叉树,最常用的存储方式就是数组。

二叉树的遍历

前面我讲了二叉树的基本定义和存储方法,现在我们来看二叉树中非常重要的操作,二叉树的遍历。这也是非常常见的面试题。

如何将所有节点都遍历打印出来呢?经典的方法有三种,前序遍历中序遍历后序遍历。其中,前、中、后序,表示的是节点与它的左右子树节点遍历打印的先后顺序。

  • 前序遍历是指,对于树中的任意节点来说,先打印这个节点,然后再打印它的左子树,最后打印它的右子树。

  • 中序遍历是指,对于树中的任意节点来说,先打印它的左子树,然后再打印它本身,最后打印它的右子树。

  • 后序遍历是指,对于树中的任意节点来说,先打印它的左子树,然后再打印它的右子树,最后打印这个节点本身。

遍历过程

实际上,二叉树的前、中、后序遍历就是一个递归的过程。比如,前序遍历,其实就是先打印根节点,然后再递归地打印左子树,最后递归地打印右子树。

二叉树的前、中、后序遍历的递归实现是不是很简单?你知道二叉树遍历的时间复杂度是多少吗?我们一起来看看。

从我前面画的前、中、后序遍历的顺序图,可以看出来,每个节点最多会被访问两次,所以遍历操作的时间复杂度,跟节点的个数 n 成正比,也就是说二叉树遍历的时间复杂度是 O(n)。

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