常见数据结构-二叉树(上)二叉树遍历
一,什么是二叉树
二叉树的定义可以先通过下图有一个直观了解。
在计算机科学中,二叉树(英语:Binary tree
)是每个节点最多只有两个分支(即不存在分支度大于 2
的节点)的树结构。通常分支被称作“左子树”或“右子树”。二叉树的分支具有左右次序,不能随意颠倒。
这个图里面,有两个比较特殊的二叉树,分别是编号 2
和编号 3
这两个。
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,这种二叉树就叫做满二叉树。
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,这种二叉树叫做完全二叉树。
二,二叉树的存储
完全二叉树之所以这样定义是和二叉树的存储有关的。
二叉树的存储有两种方法,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。
链式存储法比较直观,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。如下图所示:
顺序存储法,假设把根节点存储在数组下标为 i = 1
的位置,则左子节点存储在下标为 2*i=2
的位置,右子节点在 2*i+1=3
的位置。如下图所示:
从顺序存储法定义可知,假设是非完全二叉树,则会浪费部分空间,2*i
位置没有元素,被浪费了。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。
三,二叉树的遍历
将二叉树所有节点打印出来的过程称为二叉树的遍历。二叉树的遍历方式有 4
种,前、中、后、层序遍历。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。
实际上,二叉树的前、中、后序遍历都是一个递归过程,如中序遍历,就是先递归的打印左子树,再打印根节点,最后递归的打印右子树。递归公式如下:
前序遍历的递推公式:
preOrder(r) = print r->preOrder(r->left)->preOrder(r->right)
中序遍历的递推公式:
inOrder(r) = inOrder(r->left)->print r->inOrder(r->right)
后序遍历的递推公式:
postOrder(r) = postOrder(r->left)->postOrder(r->right)->print r
二叉树前序遍历的顺序为:
- 先遍历根节点;
- 随后递归地遍历左子树;
- 最后递归地遍历右子树。
二叉树中序遍历的顺序为:
- 先递归地遍历左子树;
- 随后遍历根节点;
- 最后递归地遍历右子树。
在「递归」地遍历某个子树的过程中,我们也是将这颗子树看成一颗全新的树,按照上述的顺序进行遍历。挖掘「前序遍历」和「中序遍历」的性质,我们就可以得出本题的做法。
二叉树的前、中、后续遍历的递归实现代码如下:
二叉树的后续遍历 leetcode 链接在 leetcode145。
// Definition for a binary tree node.
struct TreeNode {
int val;
TreeNode *left;
TreeNode *right;
TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
};
class Solution {
public:
// 前序遍历,遍历结果存储在 vector 中
void preOrder(TreeNode* root, vector<int> &ret){
if(root == nullptr) return ;
ret.push_back(root->val);
preOrder(root->left, ret);
preOrder(root->right, ret);
}
// 中序遍历
void inOrder(TreeNode* root, vector<int> &ret){
if(root == nullptr) return ;
inOrder(root->left, ret);
ret.push_back(root->val);
inOrder(root->right, ret);
}
// 后续遍历
void postOrder(TreeNode* root, vector<int> &ret){
if(root == nullptr) return ;
postOrder(root->left, ret);
postOrder(root->right, ret);
ret.push_back(root->val);
}
};
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 成正比,也就是说二叉树遍历的时间复杂度是 。
2
次具体指的是,一次是获取该节点的左子节点对象,另一次是获取该节点的右子节点对象。
总结
二叉树的每个节点最多有两个子节点,分别是左子节点和右子节点。二叉树中,有两种比较特殊的树,分别是满二叉树和完全二叉树。满二叉树又是完全二叉树的一种特殊情况。
二叉树既可以用链式存储,也可以用数组顺序存储。数组顺序存储的方式比较适合完全二叉树,其他类型的二叉树用数组存储会比较浪费存储空间。除此之外,二叉树里非常重要的操作就是前、中、后序遍历操作,遍历的时间复杂度是 ,你需要理解并能用递归代码来实现。
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