Merge branch 'master' into master

This commit is contained in:
Yudong Jin
2022-12-27 19:16:39 +08:00
committed by GitHub
139 changed files with 6761 additions and 913 deletions
+175 -9
View File
@@ -92,7 +92,14 @@ G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorit
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* AVL 树结点类 */
class TreeNode {
public int val; // 结点值
public int height; // 结点高度
public TreeNode? left; // 左子结点
public TreeNode? right; // 右子结点
public TreeNode(int x) { val = x; }
}
```
「结点高度」是最远叶结点到该结点的距离,即走过的「边」的数量。需要特别注意,**叶结点的高度为 0 ,空结点的高度为 -1** 。我们封装两个工具函数,分别用于获取与更新结点的高度。
@@ -162,7 +169,19 @@ G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorit
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 获取结点高度 */
public int height(TreeNode? node)
{
// 空结点高度为 -1 ,叶结点高度为 0
return node == null ? -1 : node.height;
}
/* 更新结点高度 */
private void updateHeight(TreeNode node)
{
// 结点高度等于最高子树高度 + 1
node.height = Math.Max(height(node.left), height(node.right)) + 1;
}
```
### 结点平衡因子
@@ -226,7 +245,14 @@ G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorit
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 获取平衡因子 */
public int balanceFactor(TreeNode? node)
{
// 空结点平衡因子为 0
if (node == null) return 0;
// 结点平衡因子 = 左子树高度 - 右子树高度
return height(node.left) - height(node.right);
}
```
!!! note
@@ -256,7 +282,7 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
![right_rotate_with_grandchild](avl_tree.assets/right_rotate_with_grandchild.png)
“向右旋转” 是一种形象化的说法,实际需要通过修改结点指针实现,代码如下所示。
“向右旋转”是一种形象化的说法,实际需要通过修改结点指针实现,代码如下所示。
=== "Java"
@@ -326,12 +352,26 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 右旋操作 */
TreeNode? rightRotate(TreeNode? node)
{
TreeNode? child = node.left;
TreeNode? grandChild = child?.right;
// 以 child 为原点,将 node 向右旋转
child.right = node;
node.left = grandChild;
// 更新结点高度
updateHeight(node);
updateHeight(child);
// 返回旋转后子树的根节点
return child;
}
```
### Case 2 - 左旋
类似地,如果将取上述失衡二叉树的 “镜像” ,那么则需要「左旋」操作。观察发现,**「左旋」和「右旋」操作是镜像对称的,两者对应解决的两种失衡情况也是对称的**。
类似地,如果将取上述失衡二叉树的“镜像”,那么则需要「左旋」操作。观察发现,**「左旋」和「右旋」操作是镜像对称的,两者对应解决的两种失衡情况也是对称的**。
![left_rotate_with_grandchild](avl_tree.assets/left_rotate_with_grandchild.png)
@@ -405,7 +445,20 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 左旋操作 */
TreeNode? leftRotate(TreeNode? node)
{
TreeNode? child = node.right;
TreeNode? grandChild = child?.left;
// 以 child 为原点,将 node 向左旋转
child.left = node;
node.right = grandChild;
// 更新结点高度
updateHeight(node);
updateHeight(child);
// 返回旋转后子树的根节点
return child;
}
```
### Case 3 - 先左后右
@@ -537,7 +590,44 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 执行旋转操作,使该子树重新恢复平衡 */
TreeNode? rotate(TreeNode? node)
{
// 获取结点 node 的平衡因子
int balanceFactorInt = balanceFactor(node);
// 左偏树
if (balanceFactorInt > 1)
{
if (balanceFactor(node.left) >= 0)
{
// 右旋
return rightRotate(node);
}
else
{
// 先左旋后右旋
node.left = leftRotate(node?.left);
return rightRotate(node);
}
}
// 右偏树
if (balanceFactorInt < -1)
{
if (balanceFactor(node.right) <= 0)
{
// 左旋
return leftRotate(node);
}
else
{
// 先右旋后左旋
node.right = rightRotate(node?.right);
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无需旋转,直接返回
return node;
}
```
## AVL 树常用操作
@@ -632,7 +722,30 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 插入结点 */
public TreeNode? insert(int val)
{
root = insertHelper(root, val);
return root;
}
/* 递归插入结点(辅助函数) */
private TreeNode? insertHelper(TreeNode? node, int val)
{
if (node == null) return new TreeNode(val);
/* 1. 查找插入位置,并插入结点 */
if (val < node.val)
node.left = insertHelper(node.left, val);
else if (val > node.val)
node.right = insertHelper(node.right, val);
else
return node; // 重复结点不插入,直接返回
updateHeight(node); // 更新结点高度
/* 2. 执行旋转操作,使该子树重新恢复平衡 */
node = rotate(node);
// 返回子树的根节点
return node;
}
```
### 删除结点
@@ -768,7 +881,60 @@ AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影
=== "C#"
```csharp title="avl_tree.cs"
/* 删除结点 */
public TreeNode? remove(int val)
{
root = removeHelper(root, val);
return root;
}
/* 递归删除结点(辅助函数) */
private TreeNode? removeHelper(TreeNode? node, int val)
{
if (node == null) return null;
/* 1. 查找结点,并删除之 */
if (val < node.val)
node.left = removeHelper(node.left, val);
else if (val > node.val)
node.right = removeHelper(node.right, val);
else
{
if (node.left == null || node.right == null)
{
TreeNode? child = node.left != null ? node.left : node.right;
// 子结点数量 = 0 ,直接删除 node 并返回
if (child == null)
return null;
// 子结点数量 = 1 ,直接删除 node
else
node = child;
}
else
{
// 子结点数量 = 2 ,则将中序遍历的下个结点删除,并用该结点替换当前结点
TreeNode? temp = minNode(node.right);
node.right = removeHelper(node.right, temp.val);
node.val = temp.val;
}
}
updateHeight(node); // 更新结点高度
/* 2. 执行旋转操作,使该子树重新恢复平衡 */
node = rotate(node);
// 返回子树的根节点
return node;
}
/* 获取最小结点 */
private TreeNode? minNode(TreeNode? node)
{
if (node == null) return node;
// 循环访问左子结点,直到叶结点时为最小结点,跳出
while (node.left != null)
{
node = node.left;
}
return node;
}
```
### 查找结点
+109 -6
View File
@@ -173,12 +173,28 @@ comments: true
=== "C#"
```csharp title="binary_search_tree.cs"
/* 查找结点 */
TreeNode? search(int num)
{
TreeNode? cur = root;
// 循环查找,越过叶结点后跳出
while (cur != null)
{
// 目标结点在 root 的右子树中
if (cur.val < num) cur = cur.right;
// 目标结点在 root 的左子树中
else if (cur.val > num) cur = cur.left;
// 找到目标结点,跳出循环
else break;
}
// 返回目标结点
return cur;
}
```
### 插入结点
给定一个待插入元素 `num` ,为了保持二叉搜索树 “左子树 < 根结点 < 右子树” 的性质,插入操作分为两步:
给定一个待插入元素 `num` ,为了保持二叉搜索树“左子树 < 根结点 < 右子树”的性质,插入操作分为两步:
1. **查找插入位置:** 与查找操作类似,我们从根结点出发,根据当前结点值和 `num` 的大小关系循环向下搜索,直到越过叶结点(遍历到 $\text{null}$ )时跳出循环;
2. **在该位置插入结点:** 初始化结点 `num` ,将该结点放到 $\text{null}$ 的位置
@@ -377,7 +393,33 @@ comments: true
=== "C#"
```csharp title="binary_search_tree.cs"
/* 插入结点 */
TreeNode? insert(int num)
{
// 若树为空,直接提前返回
if (root == null) return null;
TreeNode? cur = root, pre = null;
// 循环查找,越过叶结点后跳出
while (cur != null)
{
// 找到重复结点,直接返回
if (cur.val == num) return null;
pre = cur;
// 插入位置在 root 的右子树中
if (cur.val < num) cur = cur.right;
// 插入位置在 root 的左子树中
else cur = cur.left;
}
// 插入结点 val
TreeNode node = new TreeNode(num);
if (pre != null)
{
if (pre.val < num) pre.right = node;
else pre.left = node;
}
return node;
}
```
为了插入结点,需要借助 **辅助结点 `prev`** 保存上一轮循环的结点,这样在遍历到 $\text{null}$ 时,我们也可以获取到其父结点,从而完成结点插入操作。
@@ -386,7 +428,7 @@ comments: true
### 删除结点
与插入结点一样,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的 “左子树 < 根结点 < 右子树” 的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除结点。接下来,根据待删除结点的子结点数量,删除操作需要分为三种情况:
与插入结点一样,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的“左子树 < 根结点 < 右子树”的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除结点。接下来,根据待删除结点的子结点数量,删除操作需要分为三种情况:
**待删除结点的子结点数量 $= 0$ 。** 表明待删除结点是叶结点,直接删除即可。
@@ -744,7 +786,68 @@ comments: true
=== "C#"
```csharp title="binary_search_tree.cs"
/* 删除结点 */
TreeNode? remove(int num)
{
// 若树为空,直接提前返回
if (root == null) return null;
TreeNode? cur = root, pre = null;
// 循环查找,越过叶结点后跳出
while (cur != null)
{
// 找到待删除结点,跳出循环
if (cur.val == num) break;
pre = cur;
// 待删除结点在 root 的右子树中
if (cur.val < num) cur = cur.right;
// 待删除结点在 root 的左子树中
else cur = cur.left;
}
// 若无待删除结点,则直接返回
if (cur == null || pre == null) return null;
// 子结点数量 = 0 or 1
if (cur.left == null || cur.right == null)
{
// 当子结点数量 = 0 / 1 时, child = null / 该子结点
TreeNode? child = cur.left != null ? cur.left : cur.right;
// 删除结点 cur
if (pre.left == cur)
{
pre.left = child;
}
else
{
pre.right = child;
}
}
// 子结点数量 = 2
else
{
// 获取中序遍历中 cur 的下一个结点
TreeNode? nex = min(cur.right);
if (nex != null)
{
int tmp = nex.val;
// 递归删除结点 nex
remove(nex.val);
// 将 nex 的值复制给 cur
cur.val = tmp;
}
}
return cur;
}
/* 获取最小结点 */
TreeNode? min(TreeNode? root)
{
if (root == null) return root;
// 循环访问左子结点,直到叶结点时为最小结点,跳出
while (root.left != null)
{
root = root.left;
}
return root;
}
```
## 二叉搜索树的优势
@@ -763,7 +866,7 @@ comments: true
- **删除元素:** 与无序数组中的情况相同,使用 $O(n)$ 时间;
- **获取最小 / 最大元素:** 数组头部和尾部元素即是最小和最大元素,使用 $O(1)$ 时间;
观察发现,无序数组和有序数组中的各操作的时间复杂度是 “偏科” 的,即有的快有的慢;**而二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,在数据量 $n$ 很大时有巨大优势**。
观察发现,无序数组和有序数组中的各操作的时间复杂度是“偏科”的,即有的快有的慢;**而二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,在数据量 $n$ 很大时有巨大优势**。
<div class="center-table" markdown>
@@ -778,7 +881,7 @@ comments: true
## 二叉搜索树的退化
理想情况下,我们希望二叉搜索树的是 “左右平衡” 的(详见「平衡二叉树」章节),此时可以在 $\log n$ 轮循环内查找任意结点。
理想情况下,我们希望二叉搜索树的是“左右平衡”的(详见「平衡二叉树」章节),此时可以在 $\log n$ 轮循环内查找任意结点。
如果我们动态地在二叉搜索树中插入与删除结点,**则可能导致二叉树退化为链表**,此时各种操作的时间复杂度也退化之 $O(n)$ 。
Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 72 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 94 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 77 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 68 KiB

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 62 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 62 KiB

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 55 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 55 KiB

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 49 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 49 KiB

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 64 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 64 KiB

+113 -377
View File
@@ -4,7 +4,7 @@ comments: true
# 二叉树
「二叉树 Binary Tree」是一种非线性数据结构,代表着祖先与后代之间的派生关系,体现着 “一分为二” 的分治逻辑。类似于链表,二叉树也是以结点为单位存储的,结点包含「值」和两个「指针」。
「二叉树 Binary Tree」是一种非线性数据结构,代表着祖先与后代之间的派生关系,体现着“一分为二”的分治逻辑。类似于链表,二叉树也是以结点为单位存储的,结点包含「值」和两个「指针」。
=== "Java"
@@ -86,7 +86,7 @@ comments: true
val: number;
left: TreeNode | null;
right: TreeNode | null;
constructor(val?: number, left?: TreeNode | null, right?: TreeNode | null) {
this.val = val === undefined ? 0 : val; // 结点值
this.left = left === undefined ? null : left; // 左子结点指针
@@ -98,23 +98,29 @@ comments: true
=== "C"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title=""
/* 链表结点类 */
class TreeNode {
int val; // 结点值
TreeNode? left; // 左子结点指针
TreeNode? right; // 右子结点指针
TreeNode(int x) { val = x; }
}
```
结点的两个指针分别指向「左子结点 Left Child Node」和「右子结点 Right Child Node」,并且称该结点为两个子结点的「父结点 Parent Node」。给定二叉树某结点,将左子结点以下的树称为该结点的「左子树 Left Subtree」,右子树同理。
除了叶结点外,每个结点都有子结点和子树。例如,若将上图的「结点 2」看作父结点,那么其左子结点和右子结点分别为「结点 4」和「结点 5」,左子树和右子树分别为「结点 4 以下的树」和「结点 5 以下的树」。
![binary_tree_definition](binary_tree.assets/binary_tree_definition.png)
<p align="center"> Fig. 子结点与子树 </p>
需要注意,父结点、子结点、子树是可以向下递推的。例如,如果将上图的「结点 2」看作父结点,那么其左子结点和右子结点分别为「结点 4」和「结点 5」,左子树和右子树分别为「结点 4 以下的树」和「结点 5 以下的树」。
## 二叉树常见术语
二叉树的术语较多,建议尽量理解并记住。后续可能遗忘,可以在需要使用时回来查看确认。
@@ -136,27 +142,6 @@ comments: true
值得注意,我们通常将「高度」和「深度」定义为“走过边的数量”,而有些题目或教材会将其定义为“走过结点的数量”,此时高度或深度都需要 + 1 。
## 二叉树最佳和最差结构
当二叉树的每层的结点都被填满时,达到「完美二叉树」;而当所有结点都偏向一边时,二叉树退化为「链表」。
![binary_tree_corner_cases](binary_tree.assets/binary_tree_corner_cases.png)
<p align="center"> Fig. 二叉树的最佳和最差结构 </p>
如下表所示,在最佳和最差结构下,二叉树的叶结点数量、结点总数、高度等达到极大或极小值。
<div class="center-table" markdown>
| | 完美二叉树 | 链表 |
| ----------------------------- | ---------- | ---------- |
| 第 $i$ 层的结点数量 | $2^{i-1}$ | $1$ |
| 树的高度为 $h$ 时的叶结点数量 | $2^h$ | $1$ |
| 树的高度为 $h$ 时的结点总数 | $2^{h+1} - 1$ | $h + 1$ |
| 树的结点总数为 $n$ 时的高度 | $\log_2 (n+1) - 1$ | $n - 1$ |
</div>
## 二叉树基本操作
**初始化二叉树。** 与链表类似,先初始化结点,再构建引用指向(即指针)。
@@ -265,13 +250,24 @@ comments: true
=== "C"
```c title="binary_tree.c"
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree.cs"
/* 初始化二叉树 */
// 初始化结点
TreeNode n1 = new TreeNode(1);
TreeNode n2 = new TreeNode(2);
TreeNode n3 = new TreeNode(3);
TreeNode n4 = new TreeNode(4);
TreeNode n5 = new TreeNode(5);
// 构建引用指向(即指针)
n1.left = n2;
n1.right = n3;
n2.left = n4;
n2.right = n5;
```
**插入与删除结点。** 与链表类似,插入与删除结点都可以通过修改指针实现。
@@ -354,422 +350,162 @@ comments: true
=== "C"
```c title="binary_tree.c"
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree.cs"
/* 插入与删除结点 */
TreeNode P = new TreeNode(0);
// 在 n1 -> n2 中间插入结点 P
n1.left = P;
P.left = n2;
// 删除结点 P
n1.left = n2;
```
!!! note
插入结点会改变二叉树的原有逻辑结构,删除结点往往意味着删除了该结点的所有子树。因此,二叉树中的插入与删除一般都是由一套操作配合完成的,这样才能实现有意义的操作。
## 二叉树遍历
## 常见二叉树类型
非线性数据结构的遍历操作比线性数据结构更加复杂,往往需要使用搜索算法来实现。常见的二叉树遍历方式有层序遍历、前序遍历、中序遍历、后序遍历。
### 完美二叉树
### 层序遍历
「完美二叉树 Perfect Binary Tree」的所有层的结点都被完全填满。在完美二叉树中,所有结点的度 = 2 ;若树高度 $= h$ ,则结点总数 $= 2^{h+1} - 1$ ,呈标准的指数级关系,反映着自然界中常见的细胞分裂。
「层序遍历 Hierarchical-Order Traversal」从顶至底、一层一层地遍历二叉树,并在每层中按照从左到右的顺序访问结点。
!!! tip
层序遍历本质上是「广度优先搜索 Breadth-First Traversal」,其体现着一种 “一圈一圈向外” 的层进遍历方式
在中文社区中,完美二叉树常被称为「满二叉树」,请注意与完满二叉树区分
![binary_tree_bfs](binary_tree.assets/binary_tree_bfs.png)
![perfect_binary_tree](binary_tree.assets/perfect_binary_tree.png)
<p align="center"> Fig. 二叉树的层序遍历 </p>
### 完全二叉树
广度优先遍历一般借助「队列」来实现。队列的规则是 “先进先出” ,广度优先遍历的规则是 ”一层层平推“ ,两者背后的思想是一致的
「完全二叉树 Complete Binary Tree」只有最底层的结点未被填满,且最底层结点尽量靠左填充
=== "Java"
**完全二叉树非常适合用数组来表示**。如果按照层序遍历序列的顺序来存储,那么空结点 `null` 一定全部出现在序列的尾部,因此我们就可以不用存储这些 null 了。
```java title="binary_tree_bfs.java"
/* 层序遍历 */
List<Integer> hierOrder(TreeNode root) {
// 初始化队列,加入根结点
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>() {{ add(root); }};
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
List<Integer> list = new ArrayList<>();
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode node = queue.poll(); // 队列出队
list.add(node.val); // 保存结点值
if (node.left != null)
queue.offer(node.left); // 左子结点入队
if (node.right != null)
queue.offer(node.right); // 右子结点入队
}
return list;
}
```
![complete_binary_tree](binary_tree.assets/complete_binary_tree.png)
=== "C++"
### 完满二叉树
```cpp title="binary_tree_bfs.cpp"
/* 层序遍历 */
vector<int> hierOrder(TreeNode* root) {
// 初始化队列,加入根结点
queue<TreeNode*> queue;
queue.push(root);
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
vector<int> vec;
while (!queue.empty()) {
TreeNode* node = queue.front();
queue.pop(); // 队列出队
vec.push_back(node->val); // 保存结点
if (node->left != nullptr)
queue.push(node->left); // 左子结点入队
if (node->right != nullptr)
queue.push(node->right); // 右子结点入队
}
return vec;
}
```
「完满二叉树 Full Binary Tree」除了叶结点之外,其余所有结点都有两个子结点。
=== "Python"
![full_binary_tree](binary_tree.assets/full_binary_tree.png)
```python title="binary_tree_bfs.py"
""" 层序遍历 """
def hier_order(root):
# 初始化队列,加入根结点
queue = collections.deque()
queue.append(root)
# 初始化一个列表,用于保存遍历序列
result = []
while queue:
# 队列出队
node = queue.popleft()
# 保存节点值
result.append(node.val)
if node.left is not None:
# 左子结点入队
queue.append(node.left)
if node.right is not None:
# 右子结点入队
queue.append(node.right)
return result
```
### 平衡二叉树
=== "Go"
「平衡二叉树 Balanced Binary Tree」中任意结点的左子树和右子树的高度之差的绝对值 $\leq 1$ 。
```go title="binary_tree_bfs.go"
/* 层序遍历 */
func levelOrder(root *TreeNode) []int {
// 初始化队列,加入根结点
queue := list.New()
queue.PushBack(root)
// 初始化一个切片,用于保存遍历序列
nums := make([]int, 0)
for queue.Len() > 0 {
// poll
node := queue.Remove(queue.Front()).(*TreeNode)
// 保存结点
nums = append(nums, node.Val)
if node.Left != nil {
// 左子结点入队
queue.PushBack(node.Left)
}
if node.Right != nil {
// 右子结点入队
queue.PushBack(node.Right)
}
}
return nums
}
```
![balanced_binary_tree](binary_tree.assets/balanced_binary_tree.png)
=== "JavaScript"
## 二叉树的退化
```js title="binary_tree_bfs.js"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root) {
// 初始化队列,加入根结点
let queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
let list = [];
while (queue.length) {
let node = queue.shift(); // 队列出队
list.push(node.val); // 保存结点
if (node.left)
queue.push(node.left); // 左子结点入队
if (node.right)
queue.push(node.right); // 右子结点入队
}
return list;
}
```
当二叉树的每层的结点都被填满时,达到「完美二叉树」;而当所有结点都偏向一边时,二叉树退化为「链表」。
=== "TypeScript"
- 完美二叉树是一个二叉树的“最佳状态”,可以完全发挥出二叉树“分治”的优势;
- 链表则是另一个极端,各项操作都变为线性操作,时间复杂度退化至 $O(n)$ ;
```typescript title="binary_tree_bfs.ts"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root: TreeNode | null): number[] {
// 初始化队列,加入根结点
const queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
const list: number[] = [];
while (queue.length) {
let node = queue.shift() as TreeNode; // 队列出队
list.push(node.val); // 保存结点
if (node.left) {
queue.push(node.left); // 左子结点入队
}
if (node.right) {
queue.push(node.right); // 右子结点入队
}
}
return list;
}
```
![binary_tree_corner_cases](binary_tree.assets/binary_tree_corner_cases.png)
=== "C"
<p align="center"> Fig. 二叉树的最佳和最差结构 </p>
```c title="binary_tree_bfs.c"
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree_bfs.cs"
```
### 前序、中序、后序遍历
相对地,前、中、后序遍历皆属于「深度优先遍历 Depth-First Traversal」,其体现着一种 “先走到尽头,再回头继续” 的回溯遍历方式。
如下图所示,左侧是深度优先遍历的的示意图,右上方是对应的递归实现代码。深度优先遍历就像是绕着整个二叉树的外围 “走” 一圈,走的过程中,在每个结点都会遇到三个位置,分别对应前序遍历、中序遍历、后序遍历。
![binary_tree_dfs](binary_tree.assets/binary_tree_dfs.png)
<p align="center"> Fig. 二叉树的前 / 中 / 后序遍历 </p>
如下表所示,在最佳和最差结构下,二叉树的叶结点数量、结点总数、高度等达到极大或极小值。
<div class="center-table" markdown>
| 位置 | 含义 | 此处访问结点时对应 |
| ---------- | ------------------------------------ | ----------------------------- |
| 橙色圆圈处 | 刚进入此结点,即将访问该结点的左子树 | 前序遍历 Pre-Order Traversal |
| 蓝色圆圈处 | 已访问完左子树,即将访问右子树 | 中序遍历 In-Order Traversal |
| 紫色圆圈处 | 已访问完左子树和右子树,即将返回 | 后序遍历 Post-Order Traversal |
| | 完美二叉树 | 链表 |
| ----------------------------- | ---------- | ---------- |
| 第 $i$ 层的结点数量 | $2^{i-1}$ | $1$ |
| 树的高度为 $h$ 时的叶结点数量 | $2^h$ | $1$ |
| 树的高度为 $h$ 时的结点总数 | $2^{h+1} - 1$ | $h + 1$ |
| 树的结点总数为 $n$ 时的高度 | $\log_2 (n+1) - 1$ | $n - 1$ |
</div>
## 二叉树表示方式 *
我们一般使用二叉树的「链表表示」,即存储单位为结点 `TreeNode` ,结点之间通过指针(引用)相连接。本文前述示例代码展示了二叉树在链表表示下的各项基本操作。
那能否可以用「数组表示」二叉树呢?答案是肯定的。先来分析一个简单案例,给定一个「完美二叉树」,将结点按照层序遍历的顺序编号(从 0 开始),那么可以推导得出父结点索引与子结点索引之间的「映射公式」:**设结点的索引为 $i$ ,则该结点的左子结点索引为 $2i + 1$ 、右子结点索引为 $2i + 2$** 。
**本质上,映射公式的作用就是链表中的指针**。对于层序遍历序列中的任意结点,我们都可以使用映射公式来访问子结点。因此,可以直接使用层序遍历序列(即数组)来表示完美二叉树。
![array_representation_mapping](binary_tree.assets/array_representation_mapping.png)
然而,完美二叉树只是个例,二叉树中间层往往存在许多空结点(即 `null` ),而层序遍历序列并不包含这些空结点,并且我们无法单凭序列来猜测空结点的数量和分布位置,**即理论上存在许多种二叉树都符合该层序遍历序列**。显然,这种情况无法使用数组来存储二叉树。
![array_representation_without_empty](binary_tree.assets/array_representation_without_empty.png)
为了解决此问题,考虑按照完美二叉树的形式来表示所有二叉树,**即在序列中使用特殊符号来显式地表示“空位”**。如下图所示,这样处理后,序列(数组)就可以唯一表示二叉树了。
=== "Java"
```java title="binary_tree_dfs.java"
/* 前序遍历 */
void preOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.add(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
void inOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.add(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
void postOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.add(root.val);
}
```java title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int 的包装类 Integer ,就可以使用 null 来标记空位
Integer[] tree = { 1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15 };
```
=== "C++"
```cpp title="binary_tree_dfs.cpp"
/* 前序遍历 */
void preOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
vec.push_back(root->val);
preOrder(root->left);
preOrder(root->right);
}
/* 中序遍历 */
void inOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root->left);
vec.push_back(root->val);
inOrder(root->right);
}
/* 后序遍历 */
void postOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root->left);
postOrder(root->right);
vec.push_back(root->val);
}
```cpp title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 为了符合数据类型为 int ,使用 int 最大值标记空位
// 该方法的使用前提是没有结点的值 = INT_MAX
vector<int> tree = { 1, 2, 3, 4, INT_MAX, 6, 7, 8, 9, INT_MAX, INT_MAX, 12, INT_MAX, INT_MAX, 15 };
```
=== "Python"
```python title="binary_tree_dfs.py"
""" 前序遍历二叉树 """
def pre_order(root: typing.Optional[TreeNode]):
if root is None:
return
# 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
result.append(root.val)
pre_order(root=root.left)
pre_order(root=root.right)
""" 中序遍历二叉树 """
def in_order(root: typing.Optional[TreeNode]):
if root is None:
return
# 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
in_order(root=root.left)
result.append(root.val)
in_order(root=root.right)
""" 后序遍历二叉树 """
def post_order(root: typing.Optional[TreeNode]):
if root is None:
return
# 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
post_order(root=root.left)
post_order(root=root.right)
result.append(root.val)
```python title=""
“”“ 二叉树的数组表示 ”“”
# 直接使用 None 来表示空位
tree = [1, 2, 3, 4, None, 6, 7, 8, 9, None, None, 12, None, None, 15]
```
=== "Go"
```go title="binary_tree_dfs.go"
/* 前序遍历 */
func preOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
nums = append(nums, node.Val)
preOrder(node.Left)
preOrder(node.Right)
}
/* 中序遍历 */
func inOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(node.Left)
nums = append(nums, node.Val)
inOrder(node.Right)
}
/* 后序遍历 */
func postOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(node.Left)
postOrder(node.Right)
nums = append(nums, node.Val)
}
```go title=""
```
=== "JavaScript"
```js title="binary_tree_dfs.js"
/* 前序遍历 */
function preOrder(root){
if (root === null) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.push(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
function inOrder(root) {
if (root === null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.push(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
function postOrder(root) {
if (root === null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.push(root.val);
}
```js title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 直接使用 null 来表示空位
let tree = [1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15];
```
=== "TypeScript"
```typescript title="binary_tree_dfs.ts"
/* 前序遍历 */
function preOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.push(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
function inOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.push(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
function postOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.push(root.val);
}
```typescript title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 直接使用 null 来表示空位
let tree: (number | null)[] = [1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15];
```
=== "C"
```c title="binary_tree_dfs.c"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree_dfs.cs"
```csharp title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int? 可空类型 ,就可以使用 null 来标记空位
int?[] tree = { 1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15 };
```
!!! note
![array_representation_with_empty](binary_tree.assets/array_representation_with_empty.png)
使用循环一样可以实现前、中、后序遍历,但代码相对繁琐,有兴趣的同学可以自行实现
回顾「完全二叉树」的满足条件,其只有最底层有空结点,并且最底层的结点尽量靠左,因而所有空结点都一定出现在层序遍历序列的末尾。**因为我们先验地确定了空位的位置,所以在使用数组表示完全二叉树时,可以省略存储“空位”**。“便于使用数组表示”也是完全二叉树受欢迎的原因之一
![array_representation_complete_binary_tree](binary_tree.assets/array_representation_complete_binary_tree.png)
数组表示有两个优点: 一是不需要存储指针,节省空间;二是可以随机访问结点。然而,当二叉树中的“空位”很多时,数组中只包含很少结点的数据,空间利用率很低。

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 59 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 59 KiB

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 171 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 171 KiB

+410
View File
@@ -0,0 +1,410 @@
---
comments: true
---
# 二叉树遍历
非线性数据结构的遍历操作比线性数据结构更加复杂,往往需要使用搜索算法来实现。常见的二叉树遍历方式有层序遍历、前序遍历、中序遍历、后序遍历。
## 层序遍历
「层序遍历 Hierarchical-Order Traversal」从顶至底、一层一层地遍历二叉树,并在每层中按照从左到右的顺序访问结点。
层序遍历本质上是「广度优先搜索 Breadth-First Traversal」,其体现着一种“一圈一圈向外”的层进遍历方式。
![binary_tree_bfs](binary_tree_traversal.assets/binary_tree_bfs.png)
<p align="center"> Fig. 二叉树的层序遍历 </p>
广度优先遍历一般借助「队列」来实现。队列的规则是“先进先出”,广度优先遍历的规则是 ”一层层平推“ ,两者背后的思想是一致的。
=== "Java"
```java title="binary_tree_bfs.java"
/* 层序遍历 */
List<Integer> hierOrder(TreeNode root) {
// 初始化队列,加入根结点
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>() {{ add(root); }};
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
List<Integer> list = new ArrayList<>();
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode node = queue.poll(); // 队列出队
list.add(node.val); // 保存结点值
if (node.left != null)
queue.offer(node.left); // 左子结点入队
if (node.right != null)
queue.offer(node.right); // 右子结点入队
}
return list;
}
```
=== "C++"
```cpp title="binary_tree_bfs.cpp"
/* 层序遍历 */
vector<int> hierOrder(TreeNode* root) {
// 初始化队列,加入根结点
queue<TreeNode*> queue;
queue.push(root);
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
vector<int> vec;
while (!queue.empty()) {
TreeNode* node = queue.front();
queue.pop(); // 队列出队
vec.push_back(node->val); // 保存结点
if (node->left != nullptr)
queue.push(node->left); // 左子结点入队
if (node->right != nullptr)
queue.push(node->right); // 右子结点入队
}
return vec;
}
```
=== "Python"
```python title="binary_tree_bfs.py"
```
=== "Go"
```go title="binary_tree_bfs.go"
/* 层序遍历 */
func levelOrder(root *TreeNode) []int {
// 初始化队列,加入根结点
queue := list.New()
queue.PushBack(root)
// 初始化一个切片,用于保存遍历序列
nums := make([]int, 0)
for queue.Len() > 0 {
// poll
node := queue.Remove(queue.Front()).(*TreeNode)
// 保存结点
nums = append(nums, node.Val)
if node.Left != nil {
// 左子结点入队
queue.PushBack(node.Left)
}
if node.Right != nil {
// 右子结点入队
queue.PushBack(node.Right)
}
}
return nums
}
```
=== "JavaScript"
```js title="binary_tree_bfs.js"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root) {
// 初始化队列,加入根结点
let queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
let list = [];
while (queue.length) {
let node = queue.shift(); // 队列出队
list.push(node.val); // 保存结点
if (node.left)
queue.push(node.left); // 左子结点入队
if (node.right)
queue.push(node.right); // 右子结点入队
}
return list;
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="binary_tree_bfs.ts"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root: TreeNode | null): number[] {
// 初始化队列,加入根结点
const queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
const list: number[] = [];
while (queue.length) {
let node = queue.shift() as TreeNode; // 队列出队
list.push(node.val); // 保存结点
if (node.left) {
queue.push(node.left); // 左子结点入队
}
if (node.right) {
queue.push(node.right); // 右子结点入队
}
}
return list;
}
```
=== "C"
```c title="binary_tree_bfs.c"
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree_bfs.cs"
/* 层序遍历 */
public List<int?> hierOrder(TreeNode root)
{
// 初始化队列,加入根结点
Queue<TreeNode> queue = new();
queue.Enqueue(root);
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
List<int> list = new();
while (queue.Count != 0)
{
TreeNode node = queue.Dequeue(); // 队列出队
list.Add(node.val); // 保存结点值
if (node.left != null)
queue.Enqueue(node.left); // 左子结点入队
if (node.right != null)
queue.Enqueue(node.right); // 右子结点入队
}
return list;
}
```
## 前序、中序、后序遍历
相对地,前、中、后序遍历皆属于「深度优先遍历 Depth-First Traversal」,其体现着一种“先走到尽头,再回头继续”的回溯遍历方式。
如下图所示,左侧是深度优先遍历的的示意图,右上方是对应的递归实现代码。深度优先遍历就像是绕着整个二叉树的外围“走”一圈,走的过程中,在每个结点都会遇到三个位置,分别对应前序遍历、中序遍历、后序遍历。
![binary_tree_dfs](binary_tree_traversal.assets/binary_tree_dfs.png)
<p align="center"> Fig. 二叉树的前 / 中 / 后序遍历 </p>
<div class="center-table" markdown>
| 位置 | 含义 | 此处访问结点时对应 |
| ---------- | ------------------------------------ | ----------------------------- |
| 橙色圆圈处 | 刚进入此结点,即将访问该结点的左子树 | 前序遍历 Pre-Order Traversal |
| 蓝色圆圈处 | 已访问完左子树,即将访问右子树 | 中序遍历 In-Order Traversal |
| 紫色圆圈处 | 已访问完左子树和右子树,即将返回 | 后序遍历 Post-Order Traversal |
</div>
=== "Java"
```java title="binary_tree_dfs.java"
/* 前序遍历 */
void preOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.add(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
void inOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.add(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
void postOrder(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.add(root.val);
}
```
=== "C++"
```cpp title="binary_tree_dfs.cpp"
/* 前序遍历 */
void preOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
vec.push_back(root->val);
preOrder(root->left);
preOrder(root->right);
}
/* 中序遍历 */
void inOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root->left);
vec.push_back(root->val);
inOrder(root->right);
}
/* 后序遍历 */
void postOrder(TreeNode* root) {
if (root == nullptr) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root->left);
postOrder(root->right);
vec.push_back(root->val);
}
```
=== "Python"
```python title="binary_tree_dfs.py"
```
=== "Go"
```go title="binary_tree_dfs.go"
/* 前序遍历 */
func preOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
nums = append(nums, node.Val)
preOrder(node.Left)
preOrder(node.Right)
}
/* 中序遍历 */
func inOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(node.Left)
nums = append(nums, node.Val)
inOrder(node.Right)
}
/* 后序遍历 */
func postOrder(node *TreeNode) {
if node == nil {
return
}
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(node.Left)
postOrder(node.Right)
nums = append(nums, node.Val)
}
```
=== "JavaScript"
```js title="binary_tree_dfs.js"
/* 前序遍历 */
function preOrder(root){
if (root === null) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.push(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
function inOrder(root) {
if (root === null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.push(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
function postOrder(root) {
if (root === null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.push(root.val);
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="binary_tree_dfs.ts"
/* 前序遍历 */
function preOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.push(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
function inOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.push(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
function postOrder(root: TreeNode | null): void {
if (root === null) {
return;
}
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.push(root.val);
}
```
=== "C"
```c title="binary_tree_dfs.c"
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree_dfs.cs"
/* 前序遍历 */
void preOrder(TreeNode? root)
{
if (root == null) return;
// 访问优先级:根结点 -> 左子树 -> 右子树
list.Add(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中序遍历 */
void inOrder(TreeNode? root)
{
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 根结点 -> 右子树
inOrder(root.left);
list.Add(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 后序遍历 */
void postOrder(TreeNode? root)
{
if (root == null) return;
// 访问优先级:左子树 -> 右子树 -> 根结点
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.Add(root.val);
}
```
!!! note
使用循环一样可以实现前、中、后序遍历,但代码相对繁琐,有兴趣的同学可以自行实现。
-44
View File
@@ -1,44 +0,0 @@
---
comments: true
---
# 常见二叉树类型
## 完美二叉树
「完美二叉树 Perfect Binary Tree」,其所有层的结点都被完全填满。
!!! tip
在中文社区中,完美二叉树常被称为「满二叉树」,请注意与完满二叉树区分。
![perfect_binary_tree](binary_tree_types.assets/perfect_binary_tree.png)
完美二叉树的性质有:
- 若树高度 $= h$ ,则结点总数 $= 2^h - 1$
- TODO
## 完全二叉树
「完全二叉树 Complete Binary Tree」只有最底层的结点未被填满,且最底层结点都尽量靠左填充。
![complete_binary_tree](binary_tree_types.assets/complete_binary_tree.png)
完全二叉树有一个很好的性质,可以用「数组」来表示。
- TODO
## 完满二叉树
「完满二叉树 Full Binary Tree」除了叶结点之外,其余所有结点都有两个子结点。
![full_binary_tree](binary_tree_types.assets/full_binary_tree.png)
## 平衡二叉树
**「平衡二叉树 Balanced Binary Tree」** ,其任意结点的左子树和右子树的高度之差的绝对值 $\leq 1$ 。
![balanced_binary_tree](binary_tree_types.assets/balanced_binary_tree.png)
- TODO
+13
View File
@@ -3,3 +3,16 @@ comments: true
---
# 小结
- 二叉树是一种非线性数据结构,代表着“一分为二”的分治逻辑。二叉树的结点包含「值」和两个「指针」,分别指向左子结点和右子结点。
- 选定二叉树中某结点,将其左(右)子结点以下形成的树称为左(右)子树。
- 二叉树的术语较多,包括根结点、叶结点、层、度、边、高度、深度等。
- 二叉树的初始化、结点插入、结点删除操作与链表的操作方法类似。
- 常见的二叉树类型包括完美二叉树、完全二叉树、完满二叉树、平衡二叉树。完美二叉树是理想状态,链表则是退化后的最差状态。
- 二叉树可以使用数组表示,具体做法是将结点值和空位按照层序遍历的顺序排列,并基于父结点和子结点之间的索引映射公式实现指针。
- 二叉树层序遍历是一种广度优先搜索,体现着“一圈一圈向外”的层进式遍历方式,通常借助队列来实现。
- 前序、中序、后序遍历是深度优先搜索,体现着“走到头、再回头继续”的回溯遍历方式,通常使用递归实现。
- 二叉搜索树是一种高效的元素查找数据结构,查找、插入、删除操作的时间复杂度皆为 $O(\log n)$ 。二叉搜索树退化为链表后,各项时间复杂度劣化至 $O(n)$ ,因此如何避免退化是非常重要的课题。
- AVL 树又称平衡二叉搜索树,其通过旋转操作,使得在不断插入与删除结点后,仍然可以保持二叉树的平衡(不退化)。
- AVL 树的旋转操作分为右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋。在插入或删除结点后,AVL 树会从底置顶地执行旋转操作,使树恢复平衡。