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synced 2026-07-12 23:36:06 +00:00
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<p align="center"> 图 7-15 完全二叉树的数组表示 </p>
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如下代码给出了数组表示下的二叉树的简单实现,包括以下操作:
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以下代码实现了一个基于数组表示的二叉树,包括以下几种操作。
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- 给定某节点,获取它的值、左(右)子节点、父节点。
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- 获取前序遍历、中序遍历、后序遍历、层序遍历序列。
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## 7.3.3 优势与局限性
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二叉树的数组表示的优点包括:
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二叉树的数组表示主要有以下优点。
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- 数组存储在连续的内存空间中,对缓存友好,访问与遍历速度较快。
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- 不需要存储指针,比较节省空间。
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- 允许随机访问节点。
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然而,数组表示也具有一些局限性:
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然而,数组表示也存在一些局限性。
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- 数组存储需要连续内存空间,因此不适合存储数据量过大的树。
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- 增删节点需要通过数组插入与删除操作实现,效率较低。
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# 7.4 二叉搜索树
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如图 7-16 所示,「二叉搜索树 binary search tree」满足以下条件:
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如图 7-16 所示,「二叉搜索树 binary search tree」满足以下条件。
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1. 对于根节点,左子树中所有节点的值 $<$ 根节点的值 $<$ 右子树中所有节点的值。
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2. 任意节点的左、右子树也是二叉搜索树,即同样满足条件 `1.` 。
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### 1. 查找节点
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给定目标节点值 `num` ,可以根据二叉搜索树的性质来查找。如图 7-17 所示,我们声明一个节点 `cur` ,从二叉树的根节点 `root` 出发,循环比较节点值 `cur.val` 和 `num` 之间的大小关系:
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给定目标节点值 `num` ,可以根据二叉搜索树的性质来查找。如图 7-17 所示,我们声明一个节点 `cur` ,从二叉树的根节点 `root` 出发,循环比较节点值 `cur.val` 和 `num` 之间的大小关系。
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- 若 `cur.val < num` ,说明目标节点在 `cur` 的右子树中,因此执行 `cur = cur.right` 。
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- 若 `cur.val > num` ,说明目标节点在 `cur` 的左子树中,因此执行 `cur = cur.left` 。
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<p align="center"> 图 7-18 在二叉搜索树中插入节点 </p>
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在代码实现中,需要注意以下两点:
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在代码实现中,需要注意以下两点。
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- 二叉搜索树不允许存在重复节点,否则将违反其定义。因此,若待插入节点在树中已存在,则不执行插入,直接返回。
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- 为了实现插入节点,我们需要借助节点 `pre` 保存上一轮循环的节点。这样在遍历至 $\text{None}$ 时,我们可以获取到其父节点,从而完成节点插入操作。
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### 3. 删除节点
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与插入节点类似,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。接下来,根据待删除节点的子节点数量,删除操作需分为三种情况:
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与插入节点类似,我们需要保证在删除操作完成后,二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质仍然满足。
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如图 7-19 所示,当待删除节点的度为 $0$ 时,表示待删除节点是叶节点,可以直接删除。
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1. 在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。
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2. 根据待删除节点的子节点数量(三种情况),执行对应的删除节点操作。
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如图 7-19 所示,当待删除节点的度为 $0$ 时,表示该节点是叶节点,可以直接删除。
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当待删除节点的度为 $2$ 时,我们无法直接删除它,而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左 $<$ 根 $<$ 右”的性质,**因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点**。
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假设我们选择右子树的最小节点(即中序遍历的下一个节点),则删除操作如图 7-21 所示。
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假设我们选择右子树的最小节点(即中序遍历的下一个节点),则删除操作流程如图 7-21 所示。
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1. 找到待删除节点在“中序遍历序列”中的下一个节点,记为 `tmp` 。
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2. 将 `tmp` 的值覆盖待删除节点的值,并在树中递归删除节点 `tmp` 。
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}
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### 4. 中序遍历性质
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### 4. 中序遍历有序
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如图 7-22 所示,二叉树的中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历顺序,而二叉搜索树满足“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。
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这意味着在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一个重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
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利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无须额外排序,非常高效。
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利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无须进行额外的排序操作,非常高效。
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## 7.4.2 二叉搜索树的效率
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给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。
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观察表 7-2 ,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
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给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。观察表 7-2 ,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
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<p align="center"> 表 7-2 数组与搜索树的效率对比 </p>
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然而,如果我们在二叉搜索树中不断地插入和删除节点,可能导致二叉树退化为图 7-23 所示的链表,这时各种操作的时间复杂度也会退化为 $O(n)$ 。
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<p align="center"> 图 7-23 二叉搜索树的平衡与退化 </p>
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<p align="center"> 图 7-23 二叉搜索树的退化 </p>
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## 7.4.3 二叉搜索树常见应用
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- 「叶节点 leaf node」:没有子节点的节点,其两个指针均指向 $\text{None}$ 。
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- 「边 edge」:连接两个节点的线段,即节点引用(指针)。
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- 节点所在的「层 level」:从顶至底递增,根节点所在层为 1 。
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- 节点的「度 degree」:节点的子节点的数量。在二叉树中,度的取值范围是 0, 1, 2 。
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- 节点的「度 degree」:节点的子节点的数量。在二叉树中,度的取值范围是 0、1、2 。
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- 二叉树的「高度 height」:从根节点到最远叶节点所经过的边的数量。
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- 节点的「深度 depth」 :从根节点到该节点所经过的边的数量。
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- 节点的「深度 depth」:从根节点到该节点所经过的边的数量。
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- 节点的「高度 height」:从最远叶节点到该节点所经过的边的数量。
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我们也可以不使用递归,仅基于迭代实现前、中、后序遍历,有兴趣的同学可以自行实现。
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图 7-11 展示了前序遍历二叉树的递归过程,其可分为“递”和“归”两个逆向的部分:
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图 7-11 展示了前序遍历二叉树的递归过程,其可分为“递”和“归”两个逆向的部分。
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1. “递”表示开启新方法,程序在此过程中访问下一个节点。
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2. “归”表示函数返回,代表当前节点已经访问完毕。
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DFS 的前、中、后序遍历和访问数组的顺序类似,是遍历二叉树的基本方法,利用这三种遍历方法,我们可以得到一个特定顺序的遍历结果。例如在二叉搜索树中,由于结点大小满足 `左子结点值 < 根结点值 < 右子结点值` ,因此我们只要按照 `左->根->右` 的优先级遍历树,就可以获得有序的节点序列。
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!!! question "右旋操作是处理失衡节点 `node` , `child` , `grand_child` 之间的关系,那 `node` 的父节点和 `node` 原来的连接不需要维护吗?右旋操作后岂不是断掉了?"
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!!! question "右旋操作是处理失衡节点 `node`、`child`、`grand_child` 之间的关系,那 `node` 的父节点和 `node` 原来的连接不需要维护吗?右旋操作后岂不是断掉了?"
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我们需要从递归的视角来看这个问题。右旋操作 `right_rotate(root)` 传入的是子树的根节点,最终 `return child` 返回旋转之后的子树的根节点。子树的根节点和其父节点的连接是在该函数返回后完成的,不属于右旋操作的维护范围。
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!!! question "在 Java 中,字符串对比是否一定要用 `equals()` 方法?"
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在 Java 中,对于基本数据类型,`==` 用于对比两个变量的值是否相等。对于引用类型,两种符号的工作原理不同:
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在 Java 中,对于基本数据类型,`==` 用于对比两个变量的值是否相等。对于引用类型,两种符号的工作原理是不同的。
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- `==` :用来比较两个变量是否指向同一个对象,即它们在内存中的位置是否相同。
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- `equals()`:用来对比两个对象的值是否相等。
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