二叉树基础及常见类型

简介: 二叉树是数据结构的核心,不仅是红黑树、堆、图等复杂结构的基础,更蕴含递归思维,贯穿回溯、动态规划等算法。掌握二叉树,等于掌握算法之魂。本站将带你深入理解各类二叉树及其应用。

我认为二叉树是最重要的基本数据结构,没有之一。
如果你是初学者,现在这个阶段我很难给你彻底解释清楚得出这个结论的原因,你需要认真学习本站后面的内容才能逐渐理解。我暂且总结两个点:
1、二叉树本身是比较简单的基础数据结构,但是很多复杂的数据结构都是基于二叉树的,比如 红黑树(二叉搜索树)、多叉树、二叉堆、图、字典树、并查集、线段树 等等。你把二叉树玩明白了,这些数据结构都不是问题;如果你不把二叉树搞明白,这些高级数据结构你也很难驾驭。
2、二叉树不单纯是一种数据结构,更代表着递归的思维方式。一切递归算法,比如 回溯算法、BFS 算法、动态规划 本质上也是把具体问题抽象成树结构,你只要抽象出来了,这些问题最终都回归二叉树的问题。同样看一段算法代码,在别人眼里是一串文本,每个字都认识,但连起来就不认识了;而在你眼里的代码就是一棵树,想咋改就咋改,咋改都能改对,实在是太简单了。
后面的数据结构章节包含大量关于二叉树的讲解和习题,你按照本站的目录顺序学习,我会带你把二叉树彻底搞懂,到时候你就明白我为什么这么重视二叉树了。
几种常见的二叉树
二叉树的主要难点在于做算法题,它本身其实没啥难的,就是这样一种树形结构嘛:
1
/ \
2 3
/ / \
4 5 6
/ \
7 8
上面就是一棵普通的二叉树,几个术语你要了解一下:
1、每个节点下方直接相连的节点称为子节点,上方直接相连的节点称为父节点。比方说节点 3 的父节点是 1,左子节点是 5,右子节点是 6;节点 5 的父节点是 3,左子节点是 7,没有右子节点。
2、我们称最上方那个没有父节点的节点 1 为根节点,称最下层没有子节点的节点 4、7、8 为叶子节点。
3、我们称从根节点到最下方叶子节点经过的节点个数为二叉树的最大深度/高度,上面这棵树的最大深度是 4,即从根节点 1 到叶子节点 7 或 8 的路径上的节点个数。
没啥别的可说的了,就是这么简单。有一些稍微特殊一些的二叉树,有他们自己的名字,你要了解一下,后面做题时见到这些专业术语,你就知道题目在说啥了。
满二叉树
直接看图比较直观,满二叉树就是每一层节点都是满的,整棵树像一个正三角形:

满二叉树有个优势,就是它的节点个数很好算。假设深度为 h,那么总节点数就是 2^h - 1,等比数列求和嘛,我们应该都学过的。
完全二叉树
完全二叉树指:二叉树每一层节点都紧凑靠左排列,且除了最后一层,其他每层都必须是满的:

不难发现,满二叉树其实是一种特殊的完全二叉树。完全二叉树的特点:由于它的节点紧凑排列,如果从左到右从上到下对它的每个节点编号,那么父子节点的索引存在明显的规律。
完全二叉树还有个比较难发觉的性质:完全二叉树的左右子树也是完全二叉树。或者更准确地说应该是:完全二叉树的左右子树中,至少有一棵是满二叉树

二叉搜索树
二叉搜索树(Binary Search Tree,简称 BST)是一种很常见的二叉树,它的定义是:对于树中的每个节点,其左子树的每个节点的值都要小于这个节点的值,右子树的每个节点的值都要大于这个节点的值。你可以简单记为「左小右大」。我把「子树的每个节点」加粗了,这是初学者常犯的错误,不要只看子节点,而要看整棵子树的所有节点。比方说,下面这棵树就是一棵 BST:
7
/ \
4 9
/ \ \
1 5 10
节点 7 的左子树所有节点的值都小于 7,右子树所有节点的值都大于 7;节点 4 的左子树所有节点的值都小于 4,右子树所有节点的值都大于 4,以此类推。下面这棵树就不是 BST:
7
/ \
4 9
/ \ \
1 8 10
如果你只注意每个节点的左右子节点,似乎看不出问题。你应该看整棵子树,注意看节点 7 的左子树中有个节点 8,比 7 大,这就不符合 BST 的定义了。
BST 是非常常用的数据结构。因为左小右大的特性,可以让我们在 BST 中快速找到某个节点,或者找到某个范围内的所有节点,这是 BST 的优势所在。
比方说,对于一棵普通的二叉树,其中的节点大小没有任何规律可言,那么你要找到某个值为 x 的节点,只能从根节点开始遍历整棵树。而对于 BST,你可以先对比根节点和 x 的大小关系,如果 x 比根节点大,那么根节点的整棵左子树就可以直接排除了,直接从右子树开始找,这样就可以快速定位到值为 x 的那个节点。
关于 BST,后面会专门章节详解,并且配有大量的习题,这里先讲些基础概念就够你用了。
二叉树的实现方式
最常见的二叉树就是类似链表那样的链式存储结构,每个二叉树节点有指向左右子节点的指针,这种方式比较简单直观。力扣/LeetCode 上给你输入的二叉树一般都是用这种方式构建的,二叉树节点类 TreeNode 一般长这样:
class TreeNode {
int val;
TreeNode left;
TreeNode right;
TreeNode(int x) { this.val = x; }
}

// 你可以这样构建一棵二叉树:
TreeNode root = new TreeNode(1);
root.left = new TreeNode(2);
root.right = new TreeNode(3);
root.left.left = new TreeNode(4);
root.right.left = new TreeNode(5);
root.right.right = new TreeNode(6);

// 构建出来的二叉树是这样的:
// 1
// / \
// 2 3
// / / \
// 4 5 6
另外,在一般的算法题中,我们可能会把实际问题抽象成二叉树结构,但我们并不需要真的用 TreeNode 创建一棵二叉树出来,而是直接用类似 哈希表 的结构来表示二叉树/多叉树。比方说上面那棵二叉树
1
/ \
2 3
/ / \
4 5 6
我可以用一个哈希表,其中的键是父节点 id,值是子节点 id 的列表(每个节点的 id 是唯一的),那么一个键值对就是一个多叉树节点了,这棵多叉树就可以表示成这样:
// 1 -> [2, 3]
// 2 -> [4]
// 3 -> [5, 6]

HashMap> tree = new HashMap<>();
tree.put(1, Arrays.asList(2, 3));
tree.put(2, Collections.singletonList(4));
tree.put(3, Arrays.asList(5, 6));
这样就可以模拟和操作二叉树/多叉树结构,后文讲到图论的时候你就会知道,它有一个新的名字叫做 邻接表。

相关文章
|
存储 缓存
什么是TS流?
什么是TS流?
1012 0
|
监控 文件存储 对象存储
Synology群晖DS916+上启用阿里云同步CloudSync,备份资料就是爽!
有了她,再也不用担心数据没有及时备份了,群晖推出Cloud Sync,群晖+阿里云对象存储,建立完备、廉价的信息备份方案!
31443 1
|
XML Java Nacos
Spring Boot 整合Nacos 版本兼容适配 史上最详细文档
本文介绍SpringBoot整合Nacos的完整流程,涵盖Nacos下载安装、配置中心与服务发现集成、版本兼容性问题及实战配置。重点解决SpringBoot 3.3.0与Nacos版本适配难题,推荐使用Spring Cloud Alibaba方案,并提供项目开源地址供参考学习。
|
SQL 存储 大数据
【大数据技术Hadoop+Spark】Hive基础SQL语法DDL、DML、DQL讲解及演示(附SQL语句)
【大数据技术Hadoop+Spark】Hive基础SQL语法DDL、DML、DQL讲解及演示(附SQL语句)
1038 0
|
12月前
|
安全 PHP 开发者
拥抱现代PHP:告别老式Switch,用Match表达式优雅你的代码
拥抱现代PHP:告别老式Switch,用Match表达式优雅你的代码
|
11月前
|
存储 人工智能 前端开发
基于若依框架+AI的养老项目
中州养老系统是专为养老院打造的一体化管理软件,覆盖来访、入住、服务、财务等全流程。分管理后台与家属端,实现机构高效运营与家属便捷互动。技术上采用Vue3+Element Plus前端,若依+SpringBoot后端,MySQL+Redis存储,集成阿里云IOT、OSS及AI工具,助力智慧养老。
|
11月前
|
安全 搜索推荐 API
巧用拼多多API,精准定位下沉市场,销量一路狂飙!
本文探讨如何利用拼多多开放平台API,精准洞察下沉市场用户需求与行为,通过数据驱动实现选品优化、精准营销与个性化运营,助力商家提升销量。涵盖热销分析、用户画像、定向优惠等场景,强调合规与技术落地要点,打造高效增长闭环。(238字)
|
SQL 弹性计算 运维
Hologres计算组实例&分时弹性入门实践
本文由骆撷冬(Hologres PD)撰写,围绕Hologres计算组实例与分时弹性的入门实践展开。内容分为三部分:第一部分介绍Hologres计算组实例的原理与架构,解决负载隔离、资源浪费、大任务和运维难题;第二部分演示计算组实例的入门实践,包括管理、授权、连接及监控等操作;第三部分讲解分时弹性的使用,涵盖配置方法、成本优化及监控告警。通过具体案例与操作步骤,帮助用户更好地理解和应用Hologres的弹性计算能力。
|
JSON API 数据格式
1688 满足跨境业务需求而提供的一组 API 接口
1688跨境属性接口系列是1688开放平台为满足跨境业务需求提供的API接口,核心接口1688.item_get用于查询商品的跨境属性,帮助开发者和商家获取关键信息,更好地开展跨境贸易。公共参数包括key、secret等,支持多种返回格式,默认json。Python示例代码展示了如何调用该接口获取海关编码、税率等信息。使用步骤包括注册、构建请求、发送请求和处理响应。
|
人工智能 搜索推荐 物联网
Android系统版本演进与未来展望####
本文深入探讨了Android操作系统从诞生至今的发展历程,详细阐述了其关键版本迭代带来的创新特性、用户体验提升及对全球移动生态系统的影响。通过对Android历史版本的回顾与分析,本文旨在揭示其成功背后的驱动力,并展望未来Android可能的发展趋势与面临的挑战,为读者呈现一个既全面又具深度的技术视角。 ####