码迷,mamicode.com
首页 > 其他好文 > 详细

数据结构-二叉树

时间:2020-05-14 13:24:22      阅读:62      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:数值   线索二叉树   mat   数据   代码   int   tostring   img   下标   

1、二叉树

1.1 为什么需要树这种数据结构

  1)数组存储方式的分析

  优点:通过下标方式访问元素,速度快。对于有序数组,还可以使用二分查找检索速度。

  缺点:如果要检索具体某个值,或者插入值(按一定顺序)回整体移动,效率较低

  2)链式存储方式的分析

  优点:在一定程度上对数组存储方式有优化(插入一个数值节点,只需要将插入节点,链接到链表中即可,删除效率也很好)

  缺点:在进行检索时,效率仍然较低,比如(检索某个值,需要从节点开始遍历)

  3)树存储方式的分析

  能提高数据存储,读取的效率,比如利用二叉排序树,既可以保证数据的检索速度,同时也可以保证数据的插入,删除,修改的速度。

  案例:[7,3,10,1,5,9,12]

技术图片

 

 

 1.2 二叉树的概念

  1)树有很多种,每个节点最多只能有两个子节点的一种形式称为二叉树。

  2)如果该二叉树的所有叶子节点都在最后一层,并且结点总数=2^n-1,n为层数,则我们称为满二叉树。

技术图片

 

  3)如果该二叉树的所有叶子节点都在最后一层或者倒数第二层,而且最后一层的叶子节点在左边连续,倒数第二层的叶子节点在右边连续,我们称为完全二叉树

技术图片

结点HeroNode, 定义二叉树BinaryTree,创建二叉树binaryTree

public class BinaryTreeDemo {
public static void main(String[] args) {
        //先需要创建一颗二叉树
        BinaryTree binaryTree = new BinaryTree();
        //创建需要的结点
        HeroNode root = new HeroNode(1, "宋江");
        HeroNode node2 = new HeroNode(2, "吴用");
        HeroNode node3 = new HeroNode(3, "卢俊义");
        HeroNode node4 = new HeroNode(4, "林冲");
        HeroNode node5 = new HeroNode(5, "关胜");
        
        //说明,我们先手动创建该二叉树,后面我们学习递归的方式创建二叉树
        root.setLeft(node2);
        root.setRight(node3);
        node3.setRight(node4);
        node3.setLeft(node5);
        binaryTree.setRoot(root);
}
}
//定义BinaryTree 二叉树
class BinaryTree {
    private HeroNode root;

    public void setRoot(HeroNode root) {
        this.root = root;
    }
}

//先创建HeroNode 结点
class HeroNode {
    private int no;
    private String name;
    private HeroNode left; //默认null
    private HeroNode right; //默认null
    public HeroNode(int no, String name) {
        this.no = no;
        this.name = name;
    }
    public int getNo() {
        return no;
    }
    public void setNo(int no) {
        this.no = no;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public HeroNode getLeft() {
        return left;
    }
    public void setLeft(HeroNode left) {
        this.left = left;
    }
    public HeroNode getRight() {
        return right;
    }
    public void setRight(HeroNode right) {
        this.right = right;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + "]";
    }
}

 

 1.3 二叉树遍历

  使用前序,中序和后序对下面的二叉树进行遍历

  1)前序遍历:先输出父节点,再遍历左子树和右子树

  2)中序遍历:先遍历左子树,再输出父节点,再遍历右子树

  3)后序遍历:先遍历左子树,再遍历右子树,最后输出父节点

技术图片

基于1.2的代码, 以前序遍历为例:中序遍历infixOrder与后序遍历postOrder只需要将前序遍历的System.out.println(this);分别放在左子树遍历后与右子树遍历后

class BinaryTree {
    //前序遍历
    public void preOrder() {
        if(this.root != null) {
            this.root.preOrder();
        }else {
            System.out.println("二叉树为空,无法遍历");
        }
    }
}
class HeroNode {
        //编写前序遍历的方法
    public void preOrder() {
        System.out.println(this); //先输出父结点
        //递归向左子树前序遍历
        if(this.left != null) {
            this.left.preOrder();
        }
        //递归向右子树前序遍历
        if(this.right != null) {
            this.right.preOrder();
        }
    }
}

 1.4 查找指定节点

技术图片

基于1.2的代码,以前序遍历为例,中序遍历,后续遍历类似

class BinaryTree {    
        public HeroNode preOrderSearch(int no) {
        if(root != null) {
            return root.preOrderSearch(no);
        } else {
            return null;
        }
    }    
}

 

class HeroNode {
//前序遍历查找
    public HeroNode preOrderSearch(int no) {
        System.out.println("进入前序遍历");
        //比较当前结点是不是
        if(this.no == no) {
            return this;
        }
        //1.则判断当前结点的左子节点是否为空,如果不为空,则递归前序查找
        //2.如果左递归前序查找,找到结点,则返回
        HeroNode resNode = null;
        if(this.left != null) {
            resNode = this.left.preOrderSearch(no);
        }
        if(resNode != null) {//说明我们左子树找到
            return resNode;
        }
        //1.左递归前序查找,找到结点,则返回,否继续判断,
        //2.当前的结点的右子节点是否为空,如果不空,则继续向右递归前序查找
        if(this.right != null) {
            resNode = this.right.preOrderSearch(no);
        }
        return resNode;
    }
}

2、顺序存储二叉树

  从数据存储来看,数组存储方式和树的存储方式可以相互转换,即数组可以转换成树,树也可以转换成数组。

  技术图片

 

 

 要求:

  1)右图的二叉树的结点,要求以数组的方式来存放arr:[1,2,3,4,5,6,6]

  2)要求在遍历数组arr时,仍然可以以前序遍历,中序遍历和后序遍历的方式完成结点的遍历

顺序存储二叉树的特点:

  1)顺序二叉树通常只考虑完全二叉树

  2)第n个元素的左子节点为2*n+1

  3)第n个元素的右子节点为2*n+2

  4)第n个元素的父节点为(n-1)/2

  5)n:表示二叉树中的第几个元素(按0开始编号如图所示) 

前序遍历为例,这里的代码和之前的没有关系了。

public class ArrBinaryTreeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };
        //创建一个 ArrBinaryTree
        ArrBinaryTree arrBinaryTree = new ArrBinaryTree(arr);
        arrBinaryTree.preOrder(); // 1,2,4,5,3,6,7
    }
}

//编写一个ArrayBinaryTree, 实现顺序存储二叉树遍历
class ArrBinaryTree {
    private int[] arr;//存储数据结点的数组

    public ArrBinaryTree(int[] arr) {
        this.arr = arr;
    }    
    //重载preOrder
    public void preOrder() {
        this.preOrder(0);
    }
    
    //编写一个方法,完成顺序存储二叉树的前序遍历
    /**
     * 
     * @param index 数组的下标 
     */
    public void preOrder(int index) {
        //如果数组为空,或者 arr.length = 0
        if(arr == null || arr.length == 0) {
            System.out.println("数组为空,不能按照二叉树的前序遍历");
        }
        //输出当前这个元素
        System.out.println(arr[index]); 
        //向左递归遍历
        if((index * 2 + 1) < arr.length) {
            preOrder(2 * index + 1 );
        }
        //向右递归遍历
        if((index * 2 + 2) < arr.length) {
            preOrder(2 * index + 2);
        }
    } 
}

3、线索化二叉树

3.1 线索二叉树基本介绍

    1)n个结点的二叉链表中含有n+1【公式2n-(n-1)=n+1】个空指针域。利用二叉链表中的空指针域,存放指向该结点在某种遍历次序下的前驱和后继结点的指针(这种附加的指针称为"线索")

  2)这种加上了线索的二叉链表称为线索链表,相应的二叉树称为线索二叉树(ThreadedBinaryTree)。根据线索性质的不同,线索二叉树可分为前序线索二叉树、中序线索二叉树和后序线索二叉树三种

  3)一个结点的前一个结点,称为前驱结点

  4)一个结点的后一个结点,称为后继结点

3.2 应用实例

  应用案例说明:将下面的二叉树,进行中序线索二叉树。中序遍历的数列为{8,3,10,1,14,6}

技术图片

 

 

   思路分析:中序遍历的结果:{8,3,10,1,14,6}

 技术图片

 

 

   说明:当线索化二叉树后,Node节点的属性left和right,有如下情况:

  1)left指向的是左子树,也可能是指向的前驱节点.比如①节点left指向的左子树,而⑩节点的left指向的就是前驱节点.

  2)right指向的是右子树,也可能是指向后继节点,比如①节点right指向的是右子树,而⑩节点的right指向的是后继节点

 创建结点是只需要将1.2的class HeroNode{}的代码复制过来加入以下代码并且得到它的get,set函数。main函数与之前的相似

 private int leftType;
private int rightType;

因为线索化后,各个结点指向有变化,因此原来的遍历方式不能使用,这时需要使用新的方式遍历线索化二叉树,各个节点可以通过线型方式遍历,因此无需使用递归方式,这样也提高了遍历的效率。遍历的次序应当和中序遍历保持一致。

//定义ThreadedBinaryTree 实现了线索化功能的二叉树
class ThreadedBinaryTree {
    private HeroNode root;
    
    //为了实现线索化,需要创建要给指向当前结点的前驱结点的指针
    //在递归进行线索化时,pre 总是保留前一个结点
    private HeroNode pre = null;

    public void setRoot(HeroNode root) {
        this.root = root;
    }
    
    //重载一把threadedNodes方法
    public void threadedNodes() {
        this.threadedNodes(root);
    }
    
    //遍历线索化二叉树的方法
    public void threadedList() {
        //定义一个变量,存储当前遍历的结点,从root开始
        HeroNode node = root;
        while(node != null) {
            //循环的找到leftType == 1的结点,第一个找到就是8结点
            //后面随着遍历而变化,因为当leftType==1时,说明该结点是按照线索化
            //处理后的有效结点
            while(node.getLeftType() == 0) {
                node = node.getLeft();
            }
            
            //打印当前这个结点
            System.out.println(node);
            //如果当前结点的右指针指向的是后继结点,就一直输出
            while(node.getRightType() == 1) {
                //获取到当前结点的后继结点
                node = node.getRight();
                System.out.println(node);
            }
            //替换这个遍历的结点
            node = node.getRight();
            
        }
    }
    
    //编写对二叉树进行中序线索化的方法
    /**
     * 
     * @param node 就是当前需要线索化的结点
     */
    public void threadedNodes(HeroNode node) {
        
        //如果node==null, 不能线索化
        if(node == null) {
            return;
        }
        
        //(一)先线索化左子树
        threadedNodes(node.getLeft());
        //(二)线索化当前结点[有难度]
        
        //处理当前结点的前驱结点
        //以8结点来理解
        //8结点的.left = null , 8结点的.leftType = 1
        if(node.getLeft() == null) {
            //让当前结点的左指针指向前驱结点 
            node.setLeft(pre); 
            //修改当前结点的左指针的类型,指向前驱结点
            node.setLeftType(1);
        }
        
        //处理后继结点
        if (pre != null && pre.getRight() == null) {
            //让前驱结点的右指针指向当前结点
            pre.setRight(node);
            //修改前驱结点的右指针类型
            pre.setRightType(1);
        }
        //!!! 每处理一个结点后,让当前结点是下一个结点的前驱结点
        pre = node;
        
        //(三)在线索化右子树
        threadedNodes(node.getRight());        
    }

4、二叉排序树

   二叉排序树:BST:(BinarySort(Search)Tree),对于二叉排序树的任何一个非叶子节点,要求左子节点的值比当前节点的值小,右子节点的值比当前节点的值大。

  特别说明:如果有相同的值,可以将该节点放在左子节点或右子节点

4.1 创建

//创建Node结点
class Node {
    int value;
    Node left;
    Node right;
    public Node(int value) {
        
        this.value = value;
    }
            //添加结点的方法
    //递归的形式添加结点,注意需要满足二叉排序树的要求
    public void add(Node node) {
        if(node == null) {
            return;
        }
        
        //判断传入的结点的值,和当前子树的根结点的值关系
        if(node.value < this.value) {
            //如果当前结点左子结点为null
            if(this.left == null) {
                this.left = node;
            } else {
                //递归的向左子树添加
                this.left.add(node);
            }
        } else { //添加的结点的值大于 当前结点的值
            if(this.right == null) {
                this.right = node;
            } else {
                //递归的向右子树添加
                this.right.add(node);
            }
            
        }
    }
}

 

//创建二叉排序树
class BinarySortTree {
    private Node root;
    public Node getRoot() {
        return root;
    }
    //添加结点的方法
    public void add(Node node) {
        if(root == null) {
            root = node;//如果root为空则直接让root指向node
        } else {
            root.add(node);
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {7, 3, 10, 12, 5, 1, 9, 2};
        BinarySortTree binarySortTree = new BinarySortTree();
        //循环的添加结点到二叉排序树
        for(int i = 0; i< arr.length; i++) {
            binarySortTree.add(new Node(arr[i]));
        }
}

4.2 删除结点

  二叉排序树的删除情况比较复杂,有下面三种情况需要考虑

  1)删除叶子节点(比如:2,5,9,12)

  2)删除只有一颗子树的节点(比如:1)

  3)删除有两颗子树的节点.(比如:7,3,10)

技术图片

 

 

 基于4.1代码,寻找要删除的结点,要删除结点的父结点

class Node {
    int value;
    Node left;
    Node right;
    public Node(int value) {       
        this.value = value;
    }    
    
    //查找要删除的结点
    /**
     * 
     * @param value 希望删除的结点的值
     * @return 如果找到返回该结点,否则返回null
     */
    public Node search(int value) {
        if(value == this.value) { //找到就是该结点
            return this;
        } else if(value < this.value) {//如果查找的值小于当前结点,向左子树递归查找
            //如果左子结点为空
            if(this.left  == null) {
                return null;
            }
            return this.left.search(value);
        } else { //如果查找的值不小于当前结点,向右子树递归查找
            if(this.right == null) {
                return null;
            }
            return this.right.search(value);
        }
        
    }
    //查找要删除结点的父结点
    /**
     * 
     * @param value 要找到的结点的值
     * @return 返回的是要删除的结点的父结点,如果没有就返回null
     */
    public Node searchParent(int value) {
        //如果当前结点就是要删除的结点的父结点,就返回
        if((this.left != null && this.left.value == value) || 
                (this.right != null && this.right.value == value)) {
            return this;
        } else {
            //如果查找的值小于当前结点的值, 并且当前结点的左子结点不为空
            if(value < this.value && this.left != null) {
                return this.left.searchParent(value); //向左子树递归查找
            } else if (value >= this.value && this.right != null) {
                return this.right.searchParent(value); //向右子树递归查找
            } else {
                return null; // 没有找到父结点
            }
        }
        
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Node [value=" + value + "]";
    }
}

基于4.1的代码,删除结点

class BinarySortTree {
    private Node root;
    public Node getRoot() {
        return root;
    }

    //查找要删除的结点
    public Node search(int value) {
        if(root == null) {
            return null;
        } else {
            return root.search(value);
        }
    }
    
    //查找父结点
    public Node searchParent(int value) {
        if(root == null) {
            return null;
        } else {
            return root.searchParent(value);
        }
    }
    
    //编写方法: 
    //1. 返回的 以node 为根结点的二叉排序树的最小结点的值
    //2. 删除node 为根结点的二叉排序树的最小结点
    /**
     * 
     * @param node 传入的结点(当做二叉排序树的根结点)
     * @return 返回的 以node 为根结点的二叉排序树的最小结点的值
     */
    public int delRightTreeMin(Node node) {
        Node target = node;
        //循环的查找左子节点,就会找到最小值
        while(target.left != null) {
            target = target.left;
        }
        //这时 target就指向了最小结点
        //删除最小结点
        delNode(target.value);
        return target.value;
    }
    
    
    //删除结点
    public void delNode(int value) {
        if(root == null) {
            return;
        }else {
            //1.需求先去找到要删除的结点  targetNode
            Node targetNode = search(value);
            //如果没有找到要删除的结点
            if(targetNode == null) {
                return;
            }
            //如果我们发现当前这颗二叉排序树只有一个结点
            if(root.left == null && root.right == null) {
                root = null;
                return;
            }
            
            //去找到targetNode的父结点
            Node parent = searchParent(value);
            //如果要删除的结点是叶子结点
            if(targetNode.left == null && targetNode.right == null) {
                //判断targetNode 是父结点的左子结点,还是右子结点
                if(parent.left != null && parent.left.value == value) { //是左子结点
                    parent.left = null;
                } else if (parent.right != null && parent.right.value == value) {//是由子结点
                    parent.right = null;
                }
            } else if (targetNode.left != null && targetNode.right != null) { //删除有两颗子树的节点
                int minVal = delRightTreeMin(targetNode.right);
                targetNode.value = minVal;
                
                
            } else { // 删除只有一颗子树的结点
                //如果要删除的结点有左子结点 
                if(targetNode.left != null) {
                    if(parent != null) {
                        //如果 targetNode 是 parent 的左子结点
                        if(parent.left.value == value) {
                            parent.left = targetNode.left;
                        } else { //  targetNode 是 parent 的右子结点
                            parent.right = targetNode.left;
                        } 
                    } else {
                        root = targetNode.left;
                    }
                } else { //如果要删除的结点有右子结点 
                    if(parent != null) {
                        //如果 targetNode 是 parent 的左子结点
                        if(parent.left.value == value) {
                            parent.left = targetNode.right;
                        } else { //如果 targetNode 是 parent 的右子结点
                            parent.right = targetNode.right;
                        }
                    } else {
                        root = targetNode.right;
                    }
                }
                
            }
            
        }
    }
}

五、 平衡二叉树

  给你一个数列{1,2,3,4,5,6},要求创建一颗二叉排序树(BST),并分析问题所在.

  左边BST存在的问题分析:

  1)左子树全部为空,从形式上看,更像一个单链表

  2)插入速度没有影响

  3)查询速度明显降低(因为需要依次比较),不能发挥BST的优势,因为每次还需要比较左子树,其查询速度比单链表还慢

  4)解决方案-平衡二叉树(AVL)

5.1 基本介绍

  1)平衡二叉树也叫平衡二叉搜索树(Self-balancingbinarysearchtree)又被称为AVL树,可以保证查询效率较高。

  2)具有以下特点:它是一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1,并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。平衡二叉树的常用实现方法有红黑树、AVL、替罪羊树、Treap、伸展树等

5.2 应用案例-单旋转(左旋转)

技术图片

 

 

 在4.1二叉排序树代码的基础上添加左子树、右子树、树的高度以及左旋转的方法。

class Node{
    public int leftHeight() {
        if (left == null) {
            return 0;
        }
        return left.height();
    }

    // 返回右子树的高度
    public int rightHeight() {
        if (right == null) {
            return 0;
        }
        return right.height();
    }

    // 返回 以该结点为根结点的树的高度
    public int height() {
        return Math.max(left == null ? 0 : left.height(), right == null ? 0 : right.height()) + 1;
    }
    
    //左旋转方法
    private void leftRotate() {
        
        //创建新的结点,以当前根结点的值
        Node newNode = new Node(value);
        //把新的结点的左子树设置成当前结点的左子树
        newNode.left = left;
        //把新的结点的右子树设置成带你过去结点的右子树的左子树
        newNode.right = right.left;
        //把当前结点的值替换成右子结点的值
        value = right.value;
        //把当前结点的右子树设置成当前结点右子树的右子树
        right = right.right;
        //把当前结点的左子树(左子结点)设置成新的结点
        left = newNode;
        
    }
}

5.3 应用案例-单旋转(右旋转)

 

class Node{
//右旋转
    private void rightRotate() {
        Node newNode = new Node(value);
        newNode.right = right;
        newNode.left = left.right;
        value = left.value;
        left = left.left;
        right = newNode;
    }
}

5.3双旋转

1.当符合右旋转的条件时

2.如果它的左子树的右子树高度大于它的左子树的高度

3.先对当前这个结点的左节点进行左旋转

4.在对当前结点进行右旋转的操作即可

 

 

1.当符合左旋转的条件时

 

2.如果它的右子树的左子树高度大于它的右子树的高度

 

3.先对当前这个结点的右节点进行左旋转

 

4.在对当前结点进行左旋转的操作即可

 

在4.1二叉排序树的add方法尾部添加下面的代码:

class Node{
       if(rightHeight() - leftHeight() > 1) {
            //如果它的右子树的左子树的高度大于它的右子树的右子树的高度
        if(right != null && right.leftHeight() > right.rightHeight()) {
                //先对右子结点进行右旋转
                right.rightRotate();
                //然后在对当前结点进行左旋转
                leftRotate(); //左旋转..
            } else {
                //直接进行左旋转即可
                leftRotate();
            }
            return ; //必须要!!!
        }
        
        //当添加完一个结点后,如果 (左子树的高度 - 右子树的高度) > 1, 右旋转
    if(leftHeight() - rightHeight() > 1) {
            //如果它的左子树的右子树高度大于它的左子树的高度
            if(left != null && left.rightHeight() > left.leftHeight()) {
                //先对当前结点的左结点(左子树)->左旋转
                left.leftRotate();
                //再对当前结点进行右旋转
                rightRotate();
            } else {
                //直接进行右旋转即可
                rightRotate();
            }
        }
}        

六、B树

6.1二叉树的问题分析

  1)二叉树需要加载到内存的,如果二叉树的节点少,没有什么问题,但是如果二叉树的节点很多(比如1亿),就存在如下问题:

  2)问题1:在构建二叉树时,需要多次进行i/o操作(海量数据存在数据库或文件中),节点海量,构建二叉树时,速度有影响

  3)问题2:节点海量,也会造成二叉树的高度很大,会降低操作速度.

6.2 B树

 6.2.1  2-3树

 插入规则:

  1)2-3树的所有叶子节点都在同一层.(只要是B树都满足这个条件)

  2)有两个子节点的节点叫二节点,二节点要么没有子节点,要么有两个子节点.

  3)有三个子节点的节点叫三节点,三节点要么没有子节点,要么有三个子节点

  4)当按照规则插入一个数到某个节点时,不能满足上面三个要求,就需要拆,先向上拆,如果上层满,则拆本层,拆后仍然需要满足上面3个条件。

  5)对于三节点的子树的值大小仍然遵守(BST二叉排序树)的规则

6.2.2 B树

  前面已经介绍了2-3树和2-3-4树,他们就是B树。不适合查找连续数据

 

技术图片

对上图的说明:

  1)B树的阶:节点的最多子节点个数。比如2-3树的阶是3,2-3-4树的阶是4

  2)B-树的搜索,从根结点开始,对结点内的关键字(有序)序列进行二分查找,如果命中则结束,否则进入查询关键字所属范围的儿子结点;重复,直到所对应的儿子指针为空,或已经是叶子结点

  3)关键字集合分布在整颗树中,即叶子节点和非叶子节点都存放数据.

  4)搜索有可能在非叶子结点结束5)其搜索性能等价于在关键字全集内做一次二分查找

 

 

6.3 B+树

   B+树是B树的变体,也是一种多路搜索树。适合查找连续数据

技术图片

对上图的说明:

  1)B+树的搜索与B树也基本相同,区别是B+树只有达到叶子结点才命中(B树可以在非叶子结点命中),其性能也等价于在关键字全集做一次二分查找

  2)所有关键字都出现在叶子结点的链表中(即数据只能在叶子节点【也叫稠密索引】),且链表中的关键字(数据)恰好是有序的。

  3)不可能在非叶子结点命中

  4)非叶子结点相当于是叶子结点的索引(稀疏索引),叶子结点相当于是存储(关键字)数据的数据层

 

 

   5)更适合文件索引系统

  6)B树和B+树各有自己的应用场景,不能说B+树完全比B树好,反之亦然

 

注:尚硅谷学习笔记

 

数据结构-二叉树

标签:数值   线索二叉树   mat   数据   代码   int   tostring   img   下标   

原文地址:https://www.cnblogs.com/lgh544/p/12887788.html

踩
(0)
赞
(0)
   
举报
评论 一句话评论(0)
登录后才能评论!
© 2014 mamicode.com 版权所有  联系我们:gaon5@hotmail.com
迷上了代码!