数据结构的树存储结构

之前介绍的所有的数据结构都是线性存储结构。本章所介绍的树结构是一种非线性存储结构， 存储的是具有“一对多”关系的数据元素的集合。

(A) (B)

图 1 树的示例

图 1(A) 是使用树结构存储的集合 {A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M} 的示意图。对于数据 A 来说，和数据 B、C、D 有关系；对于数据 B 来说，和 E、F 有关系。这就是“一对多”的关系。

将具有“一对多”关系的集合中的数据元素按照图 1（A）的形式进行存储，整个存储形状在逻辑结构上看，类似于实际生活中倒着的树（图 1（B）倒过来），所以称这种存储结构为“树型”存储结构。

树的结点

结点：使用树结构存储的每一个数据元素都被称为“结点”。例如，图 1（A）中，数据元素 A 就是一个结点；

父结点（双亲结点）、子结点和兄弟结点：对于图 1（A）中的结点 A、B、C、D 来说，A 是 B、C、D 结点的父结点（也称为“双亲结点”），而 B、C、D 都是 A 结点的子结点（ 也称“孩子结点”）。对于 B、C、D 来说，它们都有相同的父结点，所以它们互为兄弟结点。

树根结点（简称“根结点”）：每一个非空树都有且只有一个被称为根的结点。图 1（A）中，结点 A 就是整棵树的根结点。

树根的判断依据为：如果一个结点没有父结点， 那么这个结点就是整棵树的根结点。

叶子结点：如果结点没有任何子结点，那么此结点称为叶子结点（叶结点）。例如图 1（A）中，结点 K、L、F、G、M、I、J 都是这棵树的叶子结点。

子树和空树

子树：如图 1（A）中，整棵树的根结点为结点 A，而如果单看结点 B、E、F、K、L 组成的部分来说，也是棵树，而且节点 B 为这棵树的根结点。所以称 B、E、F、K、L 这几个结点组成的树为整棵树的子树；同样，结点 E、K、L 构成的也是一棵子树，根结点为 E。

注意：单个结点也是一棵树，只不过根结点就是它本身。图 1（A）中，结点 K、L、F 等都是树，且都是整棵树的子树。

知道了子树的概念后，树也可以这样定义：树是由根结点和若干棵子树构成的。

空树：如果集合本身为空，那么构成的树就被称为空树。空树中没有结点。

补充：在树结构中，对于具有同一个根结点的各个子树，相互之间不能有交集。例如，图 1（A）中，除了根结点 A，其余元素又各自构成了三个子树，根结点分别为 B、C、D，这三个子树相互之间没有相同的结点。如果有，就破坏了树的结构，不能算做是一棵树。

结点的度和层次

对于一个结点，拥有的子树数（结点有多少分支）称为结点的度（Degree） 。例如，图 1（A）中，根结点 A 下分出了 3 个子树，所以，结点 A 的度为 3。

一棵树的度是树内各结点的度的最大值。图 1（A）表示的树中，各个结点的度的最大值为 3，所以，整棵树的度的值是 3。

结点的层次：从一棵树的树根开始，树根所在层为第一层，根的孩子结点所在的层为第二层，依次类推。对于图 1（A）来说，A 结点在第一层，B、C、D 为第二层，E、F、G、H、I、J 在第三层，K、L、M 在第四层。

一棵树的深度（高度）是树中结点所在的最大的层次。图 1（A）树的深度为 4。

如果两个结点的父结点虽不相同，但是它们的父结点处在同一层次上，那么这两个结点互为堂兄弟。例如，图 1（A）中，结点 G 和 E、F、H、I、J 的父结点都在第二层，所以之间为堂兄弟的关系。

有序树和无序树

如果树中结点的子树从左到右看，谁在左边，谁在右边，是有规定的，这棵树称为有序树；反之称为无序树。

在有序树中，一个结点最左边的子树称为"第一个孩子"，最右边的称为"最后一个孩子"。

拿图 1（A）来说，如果是其本身是一棵有序树，则以结点 B 为根结点的子树为整棵树的第一个孩子，以结点 D 为根结点的子树为整棵树的最后一个孩子。

森林

由 m（m >= 0）个互不相交的树组成的集合被称为森林。图 1（A）中 ，分别以 B、C、D 为根结点的三棵子树就可以称为森林。

前面讲到，树可以理解为是由根结点和若干子树构成的，而这若干子树本身是一个森林，所以，树还可以理解为是由根结点和森林组成的。用一个式子表示为：

Tree =（root,F）

其中，root 表示树的根结点，F 表示由 m（m >= 0）棵树组成的森林。

树的表示方法

除了图 1（A）表示树的方法外，还有其他表示方法：

（A）（B）

图2 树的表示形式

图 2（A）是以嵌套的集合的形式表示的（集合之间绝不能相交，即图中任意两个圈不能相交）。

图 2（B）使用的是凹入表示法（了解即可），表示方式是：最长条为根结点，相同长度的表示在同一层次。 例如 B、C、D 长度相同，都为 A 的子结点，E 和 F 长度相同，为 B 的子结点，K 和 L 长度相同，为 E 的子结点，依此类推。

最常用的表示方法是使用广义表的方式。图 1（A）用广义表表示为：

(A , ( B ( E ( K , L ) , F ) , C ( G ) , D ( H ( M ) , I , J ) ) )

总结

树型存储结构类似于家族的族谱，各个结点之间也同样可能具有父子、兄弟、表兄弟的关系。本节中，要重点理解树的根结点和子树的定义，同时要会计算树中各个结点的度和层次，以及树的深度。

什么是二叉树（包含满二叉树和完全二叉树）

简单地理解，满足以下两个条件的树就是二叉树：

本身是有序树；
树中包含的各个节点的度不能超过 2，即只能是 0、1 或者 2；

例如，图 1a) 就是一棵二叉树，而图 1b) 则不是。

图 1 二叉树示意图

二叉树的性质

经过前人的总结，二叉树具有以下几个性质：

二叉树中，第 i 层最多有 2i-1 个结点。
如果二叉树的深度为 K，那么此二叉树最多有 2K-1 个结点。
二叉树中，终端结点数（叶子结点数）为 n0，度为 2 的结点数为 n2，则 n0=n2+1。

性质 3 的计算方法为：对于一个二叉树来说，除了度为 0 的叶子结点和度为 2 的结点，剩下的就是度为 1 的结点（设为 n1），那么总结点 n=n0+n1+n2。

同时，对于每一个结点来说都是由其父结点分支表示的，假设树中分枝数为 B，那么总结点数 n=B+1。而分枝数是可以通过 n1 和 n2 表示的，即 B=n1+2*n2。所以，n 用另外一种方式表示为 n=n1+2*n2+1。

两种方式得到的 n 值组成一个方程组，就可以得出 n0=n2+1。

二叉树还可以继续分类，衍生出满二叉树和完全二叉树。

满二叉树

如果二叉树中除了叶子结点，每个结点的度都为 2，则此二叉树称为满二叉树。

图 2 满二叉树示意图

如图 2 所示就是一棵满二叉树。

满二叉树除了满足普通二叉树的性质，还具有以下性质：

满二叉树中第 i 层的节点数为 2n-1 个。
深度为 k 的满二叉树必有 2k-1 个节点，叶子数为 2k-1。
满二叉树中不存在度为 1 的节点，每一个分支点中都两棵深度相同的子树，且叶子节点都在最底层。
具有 n 个节点的满二叉树的深度为 log2(n+1)。

完全二叉树

如果二叉树中除去最后一层节点为满二叉树，且最后一层的结点依次从左到右分布，则此二叉树被称为完全二叉树。

图 3 完全二叉树示意图

如图 3a) 所示是一棵完全二叉树，图 3b) 由于最后一层的节点没有按照从左向右分布，因此只能算作是普通的二叉树。

完全二叉树除了具有普通二叉树的性质，它自身也具有一些独特的性质，比如说，n 个结点的完全二叉树的深度为 ⌊log2n⌋+1。

⌊log2n⌋ 表示取小于 log2n 的最大整数。例如，⌊log24⌋ = 2，而 ⌊log25⌋ 结果也是 2。

对于任意一个完全二叉树来说，如果将含有的结点按照层次从左到右依次标号（如图 3a)），对于任意一个结点 i ，完全二叉树还有以下几个结论成立：

当 i>1 时，父亲结点为结点 [i/2] 。（i=1 时，表示的是根结点，无父亲结点）
如果 2*i>n（总结点的个数），则结点 i 肯定没有左孩子（为叶子结点）；否则其左孩子是结点 2*i 。
如果 2*i+1>n ，则结点 i 肯定没有右孩子；否则右孩子是结点 2*i+1 。

二叉树的顺序存储结构（看了无师自通）

二叉树的存储结构有两种，分别为顺序存储和链式存储。本节先介绍二叉树的顺序存储结构。

二叉树的顺序存储，指的是使用顺序表（数组）存储二叉树。需要注意的是，顺序存储只适用于完全二叉树。换句话说，只有完全二叉树才可以使用顺序表存储。因此，如果我们想顺序存储普通二叉树，需要提前将普通二叉树转化为完全二叉树。

有读者会说，满二叉树也可以使用顺序存储。要知道，满二叉树也是完全二叉树，因为它满足完全二叉树的所有特征。

普通二叉树转完全二叉树的方法很简单，只需给二叉树额外添加一些节点，将其"拼凑"成完全二叉树即可。如图 1 所示：

图 1 普通二叉树的转化

图 1 中，左侧是普通二叉树，右侧是转化后的完全（满）二叉树。

解决了二叉树的转化问题，接下来学习如何顺序存储完全（满）二叉树。

完全二叉树的顺序存储，仅需从根节点开始，按照层次依次将树中节点存储到数组即可。

图 2 完全二叉树示意图

例如，存储图 2 所示的完全二叉树，其存储状态如图 3 所示：

图 3 完全二叉树存储状态示意图

同样，存储由普通二叉树转化来的完全二叉树也是如此。例如，图 1 中普通二叉树的数组存储状态如图 4 所示：

图 4 普通二叉树的存储状态

由此，我们就实现了完全二叉树的顺序存储。

不仅如此，从顺序表中还原完全二叉树也很简单。我们知道，完全二叉树具有这样的性质，将树中节点按照层次并从左到右依次标号（1,2,3,...），若节点 i 有左右孩子，则其左孩子节点为 2*i，右孩子节点为 2*i+1。此性质可用于还原数组中存储的完全二叉树，也就是实现由图 3 到图 2、由图 4 到图 1 的转变。

数据结构的树存储结构(下)：

数据结构的树存储结构(上)