初识数据结构——二叉树从基础概念到实践应用

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初识二叉树：从基础概念到实践应用🌳

一、树型结构基础

1.1 树的基本概念

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树是一种非线性的数据结构，由n(n>0)个有限节点组成一个具有层次关系的集合。它看起来像一棵倒挂的树，根朝上而叶朝下。

关键特点：

有且仅有一个根节点，没有前驱节点
除根节点外，其余节点被分成M(M>0)个互不相交的子树
树是递归定义的

重要术语：

结点的度：一个结点含有子树的个数
树的度：树中所有结点度的最大值
叶子结点：度为0的结点
双亲结点/父结点：含有子结点的结点
孩子结点/子结点：一个结点含有的子树的根结点
根结点：没有双亲结点的结点
结点的层次：从根开始定义，根为第1层
树的高度/深度：树中结点的最大层次

1.2 树的表示方法

最常用的表示方法是孩子兄弟表示法：

class Node {int value;        // 树中存储的数据Node firstChild;  // 第一个孩子引用Node nextBrother; // 下一个兄弟引用
}

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二、二叉树详解

2.1 二叉树概念

二叉树是结点的一个有限集合，该集合：

或者为空
或者由一个根节点加上两棵分别称为左子树和右子树的二叉树组成

特点：

二叉树不存在度大于2的结点
二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒，是有序树

2.2 特殊二叉树

满二叉树：每层的结点数都达到最大值。层数为K，结点总数是2^K-1
完全二叉树：深度为K，有n个结点的二叉树，当且仅当其每一个结点都与深度为K的满二叉树中编号从0至n-1的结点一一对应

2.3 二叉树的性质

非空二叉树的第i层最多有2^(i-1)个结点
深度为K的二叉树最大结点数是2^K-1
对于任何二叉树，n0(叶子结点) = n2(度为2的结点) + 1
具有n个结点的完全二叉树深度为⌈log₂(n+1)⌉
完全二叉树的父子结点关系：
- 父结点序号：(i-1)/2
- 左孩子序号：2i+1
- 右孩子序号：2i+2

2.4 二叉树的存储

链式存储

// 孩子表示法
class Node {int val;    // 数据域Node left;  // 左孩子引用，常常代表左孩⼦为根的整棵左⼦树 Node right; // 右孩子引用，常常代表右孩⼦为根的整棵右⼦树 
}// 孩子双亲表示法
class Node {int val;Node left;  // 左孩子引用，常常代表左孩⼦为根的整棵左⼦树 Node right; // 右孩子引用，常常代表右孩⼦为根的整棵右⼦树 Node parent; // 当前节点的根节点
}

三、二叉树遍历

遍历(Traversal)是指沿着某条搜索路线，依次对树中每个结点均做⼀次且仅做⼀次访问。访问结点所做的操作依赖于具体的应⽤问题(比如：打印节点内容、节点内容加1)。遍历是⼆叉树上最重要的操作之一，是二叉树上进行其它运算之基础。
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3.1 递归遍历

(NLR)前序遍历：根节点 -> 左子树 -> 右子树
(LNR)中序遍历：左子树 -> 根节点 -> 右子树
(LRN)后序遍历：左子树 -> 右子树 -> 根节点

// 前序遍历
void preOrder(Node root) {if (root == null) return;System.out.print(root.val + " ");preOrder(root.left);preOrder(root.right);
}// 中序遍历
void inOrder(Node root) {if (root == null) return;inOrder(root.left);System.out.print(root.val + " ");inOrder(root.right);
}// 后序遍历
void postOrder(Node root) {if (root == null) return;postOrder(root.left);postOrder(root.right);System.out.print(root.val + " ");
}

3.2 层序遍历

从根节点出发，按层次从上到下、从左到右访问结点。

void levelOrder(Node root) {if (root == null) return;Queue<Node> queue = new LinkedList<>();queue.offer(root);while (!queue.isEmpty()) {Node cur = queue.poll();System.out.print(cur.val + " ");if (cur.left != null) queue.offer(cur.left);if (cur.right != null) queue.offer(cur.right);}
}

四、二叉树基本操作

代码示例：

// 获取节点个数
int size(Node root) {if (root == null) return 0;return 1 + size(root.left) + size(root.right);
}// 获取叶子节点个数
int getLeafNodeCount(Node root) {if (root == null) return 0;if (root.left == null && root.right == null) return 1;return getLeafNodeCount(root.left) + getLeafNodeCount(root.right);
}// 获取第k层节点个数
int getKLevelNodeCount(Node root, int k) {if (root == null || k <= 0) return 0;if (k == 1) return 1;return getKLevelNodeCount(root.left, k-1) + getKLevelNodeCount(root.right, k-1);
}// 获取二叉树高度
int getHeight(Node root) {if (root == null) return 0;return 1 + Math.max(getHeight(root.left), getHeight(root.right));
}// 查找值为val的节点
Node find(Node root, int val) {if (root == null) return null;if (root.val == val) return root;Node left = find(root.left, val);if (left != null) return left;return find(root.right, val);
}