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数据结构之堆和二叉树的简介

news 2025/10/29 20:23:12

1.树

1.1 树的概念与结构

如图所示，树是⼀种非线性的数据结构，它是由 n （n>=0）个有限结点组成⼀个具有层次关系的集合。把它叫做树是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。

• 有⼀个特殊的结点，称为根结点，根结点没有前驱结点。

• 除根结点外，其余结点被分成 M(M>0) 个互不相交的集合 T1 、 T2 、 …… 、 Tm ，其中每⼀个集合

Ti(1 <= i <= m) 又是⼀棵结构与树类似的子树。每棵子树的根结点有且只有⼀个前驱，可以

有 0 个或多个后继。因此，树是递归定义的。

注意：

1.树形结构中，子树之间不能有交集，否则就不是树形结构！！！（相交了称为图，而不是树）

2.除了根结点外，每个结点有且仅有⼀个父结点

3. ⼀棵N个结点的树有N-1条边

1.2 树相关术语

1.父结点/双亲结点：若⼀个结点含有子结点，则这个结点称为其子结点的父结点；如上图：A是B的父节点。

2.子结点/孩子结点：⼀个结点含有的子树的根结点称为该结点的⼦结点；如上图：B是A的孩⼦结点

3.结点的度：⼀个结点有几个孩子，他的度就是多少；比如A的度为6，F的度为2，K的度为0

4.树的度：⼀棵树中，最大的结点的度称为树的度；如上图：树的度为 6

5.叶子结点/终端结点：度为 0 的结点称为叶结点；如上图： B 、 C 、 H 、 I... 等结点为叶结点

6.分支结点/⾮终端结点：度不为 0 的结点；如上图： D 、 E 、 F 、 G... 等结点为分⽀结点

7.兄弟结点：具有相同父节点的结点互称为兄弟结点(亲兄弟)；如上图： B 、 C 是兄弟结点

8.结点的层次：从根开始定义起，根为第 1 层，根的子结点为第 2 层，以此类推；

9.树的高度或深度：树中结点的最大层次；如上图：树的高度为 4

10.结点的祖先：从根到该结点所经分支上的所有结点；如上图： A 是所有结点的祖先

11.路径：⼀条从树中任意节点出发，沿父节点-子节点连接，达到任意节点的序列；比如A到Q的路径为： A-E-J-Q；H到Q的路径H-D-A-E-J-Q

12.子孙：以某结点为根的⼦树中任⼀结点都称为该结点的⼦孙。如上图：所有结点都是A的⼦孙

13.森林：由 m （m>0）棵互不相交的树的集合称为森林；

1.3 树的表示

孩子兄弟表示法：

struct TreeNode 
{
struct Node* child;  // 左边开始的第⼀个孩⼦结点 
struct Node* brother; // 指向其右边的下⼀个兄弟结点 
int data;             // 结点中的数据域 
};

示例说明：

2. 二叉树

2.1 概念与结构

在树形结构中，我们最常用的就是二叉树，二叉树是结点的⼀个有限集合，该集合由⼀个根结点

加上两棵别称为左子树和右子树的⼆叉树组成或者为空。

从上图可以看出⼆叉树具备以下特点：

1. 二叉树不存在度大于 2 的结点

2. 二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒，因此二叉树是有序树

注意：对于任意的⼆叉树都是由以下几种情况复合而成的

2.2 特殊的二叉树

2.2.1 满二叉树

⼀个⼆叉树，如果每⼀个层的结点数都达到最大值，则这个二叉树就是满二叉树。也就是说，如果⼀个⼆叉树的层数为 K ，且结点总数是 2 k − 1 ，则它就是满二叉树。

2.2.2 完全⼆叉树

完全⼆叉树是效率很高的数据结构，完全二叉树是由满⼆叉树而引出来的。对于深度为 K 的，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 1 至 n 的结点一一对应时称之为完全二叉树。要注意的是满⼆叉树是⼀种特殊的完全二叉树。

（最后一层结点不一定达到最大）

💡 ⼆叉树性质

根据满二叉树的特点可知：

1）若规定根结点的层数为 1 ，则⼀棵非空二叉树的第i层上最多有 2 i −1 个结点

2）若规定根结点的层数为 1 ，则深度为 h 的二叉树的最大结点数是 2 h − 1

3）若规定根结点的层数为 1 ，具有 n 个结点的满二叉树的深度 h = log 2 ( n + 1) ( log 以2为底， n+1 为对数)

2.3 二叉树存储结构

二叉树⼀般可以使用两种结构存储，⼀种顺序结构，一种链式结构。

2.3.1 顺序结构

顺序结构存储就是使用数组来存储，⼀般使用数组只适合表示完全二叉树，因为不是完全二叉树会有空间的浪费，完全二叉树更适合使用顺序结构存储。

现实中我们通常把堆（⼀种二叉树）使用顺序结构的数组来存储，需要注意的是这里的堆和操作系统虚拟进程地址空间中的堆是两回事，⼀个是数据结构，⼀个是操作系统中管理内存的⼀块区域分段。

2.3.2 链式结构

二叉树的链式存储结构是指，⽤链表来表示⼀棵⼆叉树，即用链来指示元素的逻辑关系。通常的方法是链表中每个结点由三个域组成，数据域和左右指针域，左右指针分别用来给出该结点左孩子和右孩子所在的链结点的存储地址。链式结构又分为二叉链和三叉链，当前我们学习中一般都是二叉链。后面会学到高阶数据结构如红黑树等会用到三叉链。

简介到此结束，后续堆的实现内容请关注下一篇文章！

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