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Java中關(guān)于二叉樹的概念以及搜索二叉樹詳解

 更新時(shí)間:2021年09月15日 16:27:06   作者:飛人01_01  
二叉樹是一種很有用的非線性結(jié)構(gòu),日常的開發(fā)中常會用到,關(guān)于二叉樹的概念以及搜索二叉樹本文給大家介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下

hello, everyone. Long time no see. 本期文章,我們主要講解一下二叉樹的相關(guān)概念,順便也把搜索二叉樹(也叫二叉排序樹)講一下。我們直接進(jìn)入正題吧!GitHub源碼鏈接

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一、二叉樹的概念

為什么要使用二叉樹?

為什么要用到樹呢?因?yàn)樗ǔ=Y(jié)合了另外兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):一種是有序數(shù)組,另一種是鏈表。在樹中查找數(shù)據(jù)項(xiàng)的速度和在有序數(shù)組中查找一樣快,并且插入數(shù)據(jù)項(xiàng)和刪除數(shù)據(jù)項(xiàng)的速度也和鏈表一樣。下面,我們先來稍微思考一下這些話題,然后再深入地研究樹的細(xì)節(jié)。

在有序數(shù)組中插入數(shù)據(jù)太慢了,而在鏈表中查找數(shù)據(jù)也太慢了。所以到后來就有了二叉樹這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

樹是什么?

在深入講解二叉樹前,我們先簡單地認(rèn)識一下樹這個(gè)概念。樹是由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)組合而成,例如,可以把城市看成節(jié)點(diǎn),將各個(gè)城市之間的交通路線看成邊。當(dāng)然說的更準(zhǔn)確一點(diǎn),這個(gè)例子更應(yīng)該是屬于圖的范疇內(nèi),關(guān)于圖的相關(guān)知識點(diǎn)。我們到后面再來討論。如下圖,就是一棵樹。

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樹的相關(guān)術(shù)語!

​ 如下圖所示

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根節(jié)點(diǎn)

​ 樹最頂端的節(jié)點(diǎn)稱為根節(jié)點(diǎn),一棵樹只有一個(gè)根節(jié)點(diǎn),一般也是整棵樹遍歷的開始。

路徑

​ 設(shè)想一下,從樹中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),沿著邊走向另一個(gè)節(jié)點(diǎn),所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)順序排列就稱為“路徑”。

父節(jié)點(diǎn)

​ 就像這個(gè)名稱一樣,在二叉樹中扮演“父親”的角色, 在二叉樹中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(除了根節(jié)點(diǎn)),都有一個(gè)邊向上可以找到該節(jié)點(diǎn)的”父節(jié)點(diǎn)“。

子節(jié)點(diǎn)

​ 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能有一條或多條邊向下連接其他節(jié)點(diǎn),下面的這些節(jié)點(diǎn)就稱為它的“子節(jié)點(diǎn)”。

葉節(jié)點(diǎn)

​ 沒有子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為“葉子節(jié)點(diǎn)”或簡稱“葉節(jié)點(diǎn)”。樹中只有一個(gè)根,但是可以有很多葉節(jié)點(diǎn)。

子樹

​ 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為“子樹”的根,它和它所有的子節(jié)點(diǎn),子節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)等都含在子樹中。就像家族中那樣,一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子樹包含它所有的子孫。

訪問

​ 當(dāng)程序控制流程到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),就稱為“訪問”這個(gè)節(jié)點(diǎn),通常是為了在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處執(zhí)行某種操作,例如查看節(jié)點(diǎn)某個(gè)數(shù)據(jù)字段的值或顯示節(jié)點(diǎn)。如果僅僅是在路徑上從某個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)經(jīng)過了一個(gè)節(jié)點(diǎn),不認(rèn)為是訪問了這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

層(深度)

​ 也就相當(dāng)于我們?nèi)艘粯樱覀冞@一輩人,就可以看做一層。而爸媽那一輩,又是另外一層。

關(guān)鍵字

​ 如圖中所示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)里,有一個(gè)數(shù)值,這個(gè)數(shù)值我們就稱為關(guān)鍵字。

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滿二叉樹

​ 在一顆二叉樹中,如果所有分支節(jié)點(diǎn)都存在左子樹和右子樹,并且所有的葉節(jié)點(diǎn)都在同一層上,這樣的二叉樹,稱為滿二叉樹。如上圖所示。

完全二叉樹

​ 對一顆具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的二叉樹按從上至下,從左到右的順序編號,如果編號為i(1 <= i <= n)的節(jié)點(diǎn)與同樣深度的滿二叉樹中編號為i的節(jié)點(diǎn)在二叉樹中的位置完全一樣,則這棵樹就被稱為完全二叉樹。

從字面上的意思來看,滿二叉樹一定是完全二叉樹,而完全二叉樹不一定是滿的。如下圖:

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二叉樹的五大性質(zhì)

1.在二叉樹的第i層上,最多有2(i-1)的次方個(gè)節(jié)點(diǎn)。例如:第三層上,最多也就有4個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.深度為k的二叉樹,最多有2k的次方 - 1個(gè)節(jié)點(diǎn)。 例如:深度為3的二叉樹,最多也就只有7個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.對任何一顆二叉樹,葉子節(jié)點(diǎn)的總數(shù)記為n0,度為2的節(jié)點(diǎn)的總數(shù)記為n2。則n0 = n2 + 1。解釋:度為2的節(jié)點(diǎn),指的是該節(jié)點(diǎn)左右子節(jié)點(diǎn)都有的情況,我們稱為度為2的節(jié)點(diǎn)。那如果左右子節(jié)點(diǎn),有且僅有一個(gè)的時(shí)候,我們就叫度為1的節(jié)點(diǎn)。

4.具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的完全二叉樹的深度為 log2n + 1。(此處的對數(shù) 向下取整)

由滿二叉樹的定義我們可以知道,深度為k的 滿二叉樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)n一定等于 2k的次方 - 1。因?yàn)檫@是最多的節(jié)點(diǎn)數(shù),再由這個(gè)公式,我們就可以倒推出

k = log2(n + 1)。比如節(jié)點(diǎn)數(shù)為8的滿二叉樹,深度就是3。

5.如果對一顆有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的完全二叉樹的節(jié)點(diǎn),按照從上至下,從左到右,對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號:則有如下性質(zhì):

​ 1). 如果i=1,則該節(jié)點(diǎn)就是這棵樹的根結(jié)點(diǎn)。若i不等于1,則i節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)就是i / 2節(jié)點(diǎn)。

​ 2). 如果2i > n,(n為整棵樹的總節(jié)點(diǎn)數(shù)),則i節(jié)點(diǎn)沒有左子節(jié)點(diǎn),反之就是2i就是左子節(jié)點(diǎn)。

​ 3). 如果2i + 1 > n,(n為整棵樹的總節(jié)點(diǎn)數(shù)),則i節(jié)點(diǎn)沒有右子節(jié)點(diǎn),反之就是2i + 1就是右子節(jié)點(diǎn)。

二、搜索二叉樹

上面我們講解完了二叉樹的一些基本的概念,現(xiàn)在我們繼續(xù)來看下一個(gè)知識點(diǎn):搜索二叉樹。

定義:一個(gè)節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵字值小于這個(gè)節(jié)點(diǎn),右子節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵字值大于或等于這個(gè)父節(jié)點(diǎn)。如下圖,就是一個(gè)搜索二叉樹。

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可能會有同學(xué)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律,那就是搜索二叉樹的中序遍歷的結(jié)果就是一個(gè)升序的。所以在判斷一顆樹是不是搜索二叉樹時(shí),就可以從這里入手。

知道了定義,我們就可以根據(jù)定義來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的代碼。

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

class TreeNode {
    int val; //關(guān)鍵字
    TreeNode left; //左子節(jié)點(diǎn)
    TreeNode right; //右子節(jié)點(diǎn)
    
    public TreeNode(int val) {
        this.val = val;
    }
}

搜索二叉樹的整體框架結(jié)構(gòu)

public class BST {
    private TreeNode root; //根結(jié)點(diǎn)
    
    public void insert(int val) { //插入新的節(jié)點(diǎn)
        
    }
    
    public void remove(int val) { //刪除對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)
        
    }
    
    public boolean contains(int val) { //查詢是否有該值
        
    }
}

我們就一個(gè)一個(gè)的講解每一方法具體的實(shí)現(xiàn):

插入

插入新的節(jié)點(diǎn),這個(gè)算是比較簡單的。我們拿到依次比較當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的值和傳遞進(jìn)來的形參值,如果形參值更小一點(diǎn),我們就往左子樹上做遞歸,繼續(xù)這個(gè)操作即可。

//遞歸解法
public void insert(int val) {
    root = process(val, root);
}

private TreeNode process(int val, TreeNode node) {
    if (node == null) { //如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為null,說明已經(jīng)走到頭了,此時(shí)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn),返回即可
        return new TreeNode(val);
    } 
    if (val < node.val) { //小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
        node.left = process(val, node.left);
    } else {
        node.right = process(val, node.right); //大于等于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
    }
    return node;
}
//非遞歸解法
public void insert(int val) {
    TreeNode node = new TreeNode(val); //先創(chuàng)建好節(jié)點(diǎn)
    TreeNode parent = null; //父節(jié)點(diǎn),用于連接新的節(jié)點(diǎn)
    TreeNode cur = root; //當(dāng)前移動的節(jié)點(diǎn)
    
    if (root == null) {
        root = node; //還沒有根結(jié)點(diǎn)的情況
    } else {
        while (true) {
            parent = cur;
            if (val < cur.val) { //小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的情況
                cur = cur.left;
                if (cur == null) { //如果為null了,說明走到了最后的節(jié)點(diǎn)
                    parent.left = node;
                    return;
                }
            } else { //大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的情況
                cur = cur.right;
                if (cur == null) {
                    parent.right = node; //如果為null,就走到最后節(jié)點(diǎn)了
                    return;
                }
            }
        }
    }
}

遞歸與非遞歸的解法,差異只是在于空間復(fù)雜度。當(dāng)整棵樹很大時(shí),遞歸去調(diào)用,就會耗費(fèi)大量的??臻g。而非遞歸的解法,只是耗費(fèi)了幾個(gè)引用的空間。

請?zhí)砑訄D片描述

刪除

刪除是一個(gè)比較難的點(diǎn),刪除之后,還需要保持搜索二叉樹的結(jié)構(gòu)。所以我們需要分為三種情況:

  • 被刪除節(jié)點(diǎn)是葉節(jié)點(diǎn)。
  • 被刪除節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)。
  • 被刪除節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)。

我們需要循環(huán)遍歷這顆樹,找到需要被刪除的節(jié)點(diǎn),并且在遍歷的過程中,還需要記錄被刪除節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)是誰,以及被刪除節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)的左孩子還是右孩子。所以循環(huán)時(shí),有三個(gè)變量,分別是parent、cur和isLeftChild。

在找到需要被刪除的節(jié)點(diǎn)后。再對這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷,看這個(gè)節(jié)點(diǎn)是葉節(jié)點(diǎn)?還是只有一個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)?又或者是有兩個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)的情況。

  1. 如果是葉節(jié)點(diǎn),parent的left(或者是right)置為null
  2. 如果只有一個(gè)節(jié)點(diǎn),我們就需要繞過cur節(jié)點(diǎn),直接連接cur的left或者right
  3. 如果是有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),我們就需要找到cur的后繼節(jié)點(diǎn)。也就是cur的右子樹中,最小的節(jié)點(diǎn)。

其次我們還需要判斷被刪除的節(jié)點(diǎn),是不是root根結(jié)點(diǎn)?如果是,就需要更換根結(jié)點(diǎn)。

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非遞歸版本大致框架:

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//非遞歸版本
public boolean remove(int val) { //刪除對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)
    if (root == null) {
        throw new RuntimeException("root is null.");
    }

    TreeNode parent = root;
    TreeNode cur = root;
    boolean isLeftChild = true;

    while (cur != null && cur.val != val) { //循環(huán)查找需要被刪除的節(jié)點(diǎn)
        parent = cur;
        if (val < cur.val) {
            cur = cur.left;
            isLeftChild = true;
        } else {
            cur = cur.right;
            isLeftChild = false;
        }
    }

    if (cur == null) { //沒找到需要刪除的節(jié)點(diǎn)
        return false;
    }

    //找到了需要被刪除的節(jié)點(diǎn)
    if ( cur.left== null && cur.right == null) { //葉節(jié)點(diǎn)的情況
        if (cur == root) {
            root = null;
        } else if (isLeftChild) {
            parent.left = null;
        } else {
            parent.right = null;
        }
    } else if (cur.right == null) {
        if (cur == root) {
            root = root.left;
        } else if (isLeftChild) {
            parent.left = cur.left;
        } else {
            parent.right = cur.left;
        }
    } else if (cur.left == null) { //只有一個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)的情況
        if (cur == root) {
            root = root.right;
        } else if (isLeftChild) {
            parent.left = cur.right;
        } else {
            parent.right = cur.right;
        }
    } else { //有兩個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)的情況
        TreeNode minNode = findMinNode(cur.right);
        if (cur == root) {
            root = minNode;
        } else if (isLeftChild) {
            parent.left = minNode;
        } else {
            parent.right = minNode;
        }
        minNode.left = cur.left; //新節(jié)點(diǎn)minNode的左孩子指向被刪除節(jié)點(diǎn)cur的左孩子
        // C/C++語言,需要回收cur內(nèi)存空間
    }
    return true;
}

private TreeNode findMinNode(TreeNode head)  {
    TreeNode pre = null;
    TreeNode cur = head;
    TreeNode next = head.left;
    while (next != null) {
        pre = cur;
        cur = next;
        next = next.left; //一直尋找該樹的最左的節(jié)點(diǎn)
    }
    if (pre != null) {
        pre.left = cur.right; //cur就是最左邊的節(jié)點(diǎn),pre的cur的父節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)的left指向cur的right
        cur.right = head; //cur的right指向head這個(gè)根結(jié)點(diǎn)
    }
    return cur; //返回最左邊的節(jié)點(diǎn)
}
//遞歸版本
public void remove2(int val) {
    if (root == null) {
        throw new RuntimeException("root is null.");
    }

    process2(val, root);
}

private TreeNode process2(int val, TreeNode node) {
    if (node == null) {
        return null;
    }
    if (val < node.val) { //小于
        node.left = process2(val, node.left);
    } else if (val > node.val){ //大于
        node.right = process2(val, node.right);
    } else if (node.left != null && node.right != null) { //上面的if沒成立,說明val相等。這里是兩個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)的情況
        
        node.val = getMinNodeVal(node.right); //覆蓋右子樹中最小的節(jié)點(diǎn)值
        
        node.right = process2(node.val, node.right); // 重新對已經(jīng)覆蓋的數(shù)值進(jìn)行刪除
        
    } else { //只有一個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)或者沒有節(jié)點(diǎn)的情況
        node = node.left != null? node.left : node.right;
    }
    return node;
}

private int getMinNodeVal(TreeNode node) {
    TreeNode pre = null;
    TreeNode cur = node;
    while (cur != null) {
        pre = cur;
        cur = cur.left;
    }
    return pre.val;
}

遞歸版本的刪除,只是將右子樹最小節(jié)點(diǎn)的值,賦值給了cur,然后遞歸調(diào)用去刪除右子樹上最小值的節(jié)點(diǎn)。

最后一個(gè)contains方法就簡單了,遍歷整顆二叉樹,找到了val就返回true,否則返回false。

public boolean contains(int val) {
    TreeNode cur = root;
    while (cur != null) {
        if (cur.val == val) {
            return true;
        } else if (val < cur.val) {
            cur = cur.left;
        } else {
            cur = cur.right;
        }
    }
    return false;
}

最后自己再寫一個(gè)中序遍歷的方法,看看自己寫的代碼是否正確了呢。切記:搜索二叉樹中序遍歷的結(jié)果,一定是一個(gè)升序的。不知道怎么寫遍歷方法的,可以看一下前期文章:通俗易懂講解C語言與Java中二叉樹的三種非遞歸遍歷方式。
好啦,本期文章就到此結(jié)束啦,我們下期見?。?!

到此這篇關(guān)于Java中關(guān)于二叉樹的概念以及搜索二叉樹詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 二叉樹內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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    2021-03-03
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