【数据结构】二叉树算法讲解（定义+算法原理+源码）

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目录

一、二叉树定义（特点+结构）

二叉树算法性质：

二、算法实现（完整代码）

三、算法总结

二叉树的优点：

 二叉树的缺点：

二叉树的应用：

小结

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一、二叉树定义（特点+结构）

二叉树是一种树形结构，每个节点最多有两个子节点，分别称为左子节点和右子节点。二叉树具有以下定义和特点：

1. 节点：二叉树是由节点构成的集合。每个节点包含三个基本信息：
   - 数据元素（或称为节点值）。
   - 指向左子节点的指针/引用。
   - 指向右子节点的指针/引用。

2. 根节点： 二叉树中的一个节点被称为根节点，它是整个树的起始节点。一棵二叉树只有一个根节点。

3. 叶子节点：没有子节点的节点被称为叶子节点（或叶节点）。

4. 父节点和子节点： 每个节点都有一个父节点，除了根节点。父节点指向它的子节点。

5. 深度：一个节点的深度是从根节点到该节点的唯一路径的边的数量。根节点的深度为0。

6. 高度/深度： 一棵二叉树的高度（或深度）是树中任意节点的最大深度。

7. 子树：二叉树中的任意节点和它的所有子孙节点组成的集合被称为子树。

8. 二叉搜索树（BST）：在二叉搜索树中，每个节点的左子树中的节点值都小于该节点的值，而右子树中的节点值都大于该节点的值。

9. 满二叉树：如果一棵深度为k，且有2^k - 1个节点的二叉树被称为满二叉树。

10. 完全二叉树：对于一棵深度为k的二叉树，除了最后一层外，其它各层的节点数都达到最大值，且最后一层的节点都集中在左边，被称为完全二叉树。

二叉树的定义为：

struct TreeNode {int val;                 // 节点值TreeNode *left;          // 左子节点指针TreeNode *right;         // 右子节点指针TreeNode(int x) : val(x), left(NULL), right(NULL) {}
};

上述定义为C++中使用类实现的二叉树节点定义，包含节点值、左子节点指针和右子节点指针。

二叉树算法性质：

你提到的这些性质描述了二叉搜索树（Binary Search Tree，BST）的一些重要特征。让我们逐一解释这些性质：

1. 将任何一个点看作Root节点，则这个点的左子树也是 Binary Search Tree：这表示二叉搜索树中每个节点的左子树都满足二叉搜索树的性质，即左子树上的节点值小于当前节点的值。

2. 将任何一个点看作Root节点，则这个点的右子树也是 Binary Search Tree：类似地，这表明每个节点的右子树都是一个二叉搜索树，右子树上的节点值大于当前节点的值。

3. Binary Search Tree中的最小节点，一定是整棵树中最左下的叶子节点：这是因为最小节点不会有左子节点，只能一直沿着左子树往下走，直到叶子节点。

4. Binary Search Tree中的最大节点，一定是整棵树中最右下的叶子节点：同样，最大节点不会有右子节点，只能一直沿着右子树往下走，直到叶子节点。

这些性质是二叉搜索树在节点排列和结构上的特点，它们使得在二叉搜索树上执行搜索、插入和删除等操作更加高效。通过遵循这些性质，可以确保在整个树结构中维持有序性，使得二叉搜索树成为一种常用的数据结构。

二、算法实现（完整代码）

通过二叉树实现A、B、C、D的简单应用

#include<iostream>
using namespace std;
typedef char DataType;
struct BiNode
{DataType data;BiNode *lchild,*rchild;
};
//（1）假设二叉树采用链接存储方式存储，分别编写一个二叉树先序遍历的递归
//算法和非递归算法。
class BiTree
{public:BiTree(){root=Create(root);}//构造函数，建立一颗二叉树~BiTree(){Release(root);}//析构函数，释放各个节点的存储空间void Preorder(){Preorder(root);}//前序遍历二叉树void Inorder(){Inorder(root);}//中序遍历二叉树void Postorder(){Postorder(root);}//后序遍历二叉树void Levelorder(){Levelorder(root);};//层序遍历二叉树private:BiNode *root;//指向根节点的头指针BiNode *Create(BiNode *bt);//构造函数调用void Release(BiNode *bt);//析构函数调用void Preorder(BiNode *bt);//前序遍历函数调用void Inorder(BiNode *bt);//中序遍历函数调用void Postorder(BiNode *bt);//后序遍历函数调用void Levelorder(BiNode *bt);//层序遍历函数调用
};
//前序遍历
void BiTree::Preorder(BiNode *bt)
{if(bt==NULL)return;//递归调用的结束条件else{cout<<bt->data<<" ";//访问根节点bt的数据域Preorder(bt->lchild);//前序递归遍历bt的左子树Preorder(bt->rchild);//前序递归遍历bt的右子树}
}
//中序遍历
void BiTree::Inorder(BiNode *bt)
{if(bt==NULL)return;//递归调用的结束条件else{Inorder(bt->lchild);//中序递归遍历bt的左子树cout<<bt->data<<" ";//访问根节点的数据域Inorder(bt->rchild);//中序递归遍历bt的右子树}
}
//后序遍历
void BiTree::Postorder(BiNode *bt)
{if(bt==NULL)return;//递归调用的结束条件else{Postorder(bt->lchild);//后序递归遍历bt的左子树Postorder(bt->rchild);//后序递归遍历bt的右子树cout<<bt->data<<" ";//访问根节点bt的数据域}
}
//层序遍历
void BiTree::Levelorder(BiNode *bt){BiNode *Q[100],*q=NULL;int front=-1,rear=-1;//队列初始化 if(root == NULL) return;//二叉树为空，算法结束Q[++rear]=root;//根指针入队while(front!=rear){//当队列非空时 q=Q[++front];//出队cout<<q->data<<" ";if(q->lchild!=NULL) Q[++rear]=q->lchild;if(q->rchild!=NULL) Q[++rear]=q->rchild; } 
}
//创建二叉树 
BiNode *BiTree::Create(BiNode *bt)
{static int i=0;char ch;string str="AB#D##C##";ch=str[i++];if(ch=='#')bt=NULL;//建立一棵空树 else {bt=new BiNode;bt->data=ch;//生成一个结点，数据域为chbt->lchild=Create(bt->lchild);//递归建立左子树bt->rchild=Create(bt->rchild);//递归建立右子树}return bt;
}
//销毁二叉树 
void BiTree::Release(BiNode *bt)
{if(bt!=NULL){Release(bt->lchild);Release(bt->rchild);delete bt;}
}
int main()
{cout<<"创建一棵二叉树"<<endl;BiTree T;//创建一颗二叉树cout<<"---层序遍历---"<<endl;//A B C D T.Levelorder();cout<<endl;cout<<"---前序遍历---"<<endl;//A B D CT.Preorder();cout<<endl;cout<<"---中序遍历---"<<endl;//B D A CT.Inorder();cout<<endl;cout<<"---后序遍历---"<<endl;//D B C AT.Postorder();cout<<endl;return 0;
}

执行结果：

序存储的完全二叉树递归先序遍历算法描述（C++）如下：

//完全二叉树的顺序存储结构
#include <iostream>
#include <string.h>
#define MaxSize 100
using namespace std;
typedef char DataType;
class Tree{public:Tree(string str);//构造函数void createTree();//创建二叉树 void seqPreorder(int i);//先序遍历二叉树 void seqInorder(int i);//中序遍历二叉树 void seqPostorder(int i);//后序遍历二叉树 private: DataType node[MaxSize];//结点中的数据元素int num=0;//二叉树结点个数 string str;
};Tree::Tree(string str){this->str = str;
} void Tree::createTree(){for(int i = 1;i < str.length()+1 ;i++){node[i]=str[i-1];num++;}node[0] = (char)num;
}//顺序存储的完全二叉树递归先序遍历算法描述（C++）如下：
void Tree::seqPreorder(int i){if(i==0)//递归调用的结束条件return;else{cout<<"  "<<(char)node[i];//输出根结点if(2*i<=(char)node[0])seqPreorder(2*i);//先序遍历i的左子树elseseqPreorder(0);if(2*i+1<=(char)node[0])seqPreorder(2*i+1);//先序遍历i的右子树elseseqPreorder(0); } 
} //顺序存储的完全二叉树递归中序遍历算法描述（C++）如下：
void Tree::seqInorder(int i){if(i==0)//递归调用的结束条件return;else{if(2*i<=(char)node[0])seqInorder(2*i);//中序遍历i的左子树elseseqInorder(0);cout<<"  "<<(char)node[i];//输出根结点if(2*i+1<=(char)node[0])seqInorder(2*i+1);//中序遍历i的右子树elseseqInorder(0); } 
} //顺序存储的完全二叉树递归后序遍历算法描述（C++）如下：
void Tree::seqPostorder(int i){if(i==0)//递归调用的结束条件return;else{if(2*i<=(char)node[0])seqPostorder(2*i);//后序遍历i的左子树elseseqPostorder(0);if(2*i+1<=(char)node[0])seqPostorder(2*i+1);//后序遍历i的右子树elseseqPostorder(0); cout<<"  "<<(char)node[i];//输出根结点} 
} // （2）一棵完全二叉树以顺序方式存储，设计一个递归算法，对该完全二叉树进
//行中序遍历。
int main(){string str = "ABCDEFGHIJ";Tree T(str);//定义对象变量buscout<<"按层序编号的顺序存储所有结点:"<<str<<endl;T.createTree();cout<<"顺序存储的完全二叉树递归前序递归遍历:"<<endl; T.seqPreorder(1);cout<<endl; cout<<"顺序存储的完全二叉树递归中序递归遍历:"<<endl; T.seqInorder(1);cout<<endl; cout<<"顺序存储的完全二叉树递归后序递归遍历:"<<endl; T.seqPostorder(1);cout<<endl; return 0;
}

三、算法总结

二叉树的优点：

1. 快速查找： 在二叉搜索树（BST）中，查找某个元素的时间复杂度是O(log n)，这使得二叉树在查找操作上非常高效。

2. 有序性：BST保持元素的有序性，对于某些应用场景，如快速查找最小值、最大值或在某一范围内的值，二叉树非常有用。

3. 容易插入和删除：在BST中，插入和删除操作相对容易，不需要像其他数据结构一样频繁地移动元素。

4. 中序遍历：通过中序遍历二叉搜索树，可以得到有序的元素序列，这对于某些应用（如构建有序列表）很方便。

 二叉树的缺点：

1. 平衡性：如果不平衡，二叉搜索树的性能可能下降为线性级别，而不再是对数级别。因此，需要采取额外的措施来保持树的平衡，如 AVL 树或红黑树。

2. 对数据分布敏感： 对于某些特定的数据分布，比如按顺序插入的数据，可能导致二叉搜索树退化成链表，性能下降。

二叉树的应用：

1. 数据库索引：在数据库中，二叉搜索树被广泛应用于构建索引结构，以加速数据的检索。

2. 表达式解析：二叉树可用于构建表达式树，用于解析和求解数学表达式。

3. 哈夫曼编码：二叉树用于构建哈夫曼树，实现有效的数据压缩算法。

4. 文件系统：在文件系统的目录结构中，可以使用二叉树来组织和管理文件。

5. 网络路由：用于构建路由表，支持快速而有效的网络数据包路由。

6. 编译器设计： 语法分析阶段通常使用二叉树来构建语法树，以便后续的编译步骤。

7. 游戏开发：在游戏开发中，二叉树可以用于实现场景图、动画系统等。

8. 排序算法：一些排序算法，如快速排序，就是通过构建和操作二叉树来实现的。

总体而言，二叉树在计算机科学领域的应用非常广泛，它的特性使得它适用于多种数据管理和搜索场景。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的二叉树变体以及适当的平衡策略。

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