树

树的定义

树（Tree）是n（n≥0）个结点的有限集，它或为空树（n = 0）；或为非空树，对于非空树T：
- 有且仅有一个称之为根的结点；
- 除根结点以外的其余结点可分为m（m＞0）个互不相交的有限集T1, T2, …, Tm, 其中每一个集合本身又是一棵树，并且称为根的子树（SubTree）。
树是n个结点的有限集

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树的其他表示方式

树的概念

每个节点有零个或多个子节点；
没有父节点的节点称为根节点；
每一个非根节点有且只有一个父节点；
除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树；

树的基本术语

根：即根结点(没有前驱)
叶子：即终端结点(没有后继)
节点：即树的数据元素
节点的度：一个节点含有的子树的个数称为该节点的度；
树的度：一棵树中，最大的节点的度称为树的度；
叶节点或终端节点：度为零的节点；
分支节点：即度不为0的结点（也称为内部结点）
父亲节点或父节点：若一个节点含有子节点，则这个节点称为其子节点的父节点；
孩子节点或子节点：一个节点含有的子树的根节点称为该节点的子节点；
兄弟节点：具有相同父节点的节点互称为兄弟节点；
节点的层次：从根开始定义起，根为第1层，根的子节点为第2层，以此类推；
树的高度或深度：树中节点的最大层次；
堂兄弟节点：父节点在同一层的节点互为堂兄弟；
节点的祖先：从根到该节点所经分支上的所有节点；
子孙：以某节点为根的子树中任一节点都称为该节点的子孙。
森林：由m（m>=0）棵互不相交的树的集合称为森林；

树的种类

无序树：树中任意节点的子节点之间没有顺序关系，这种树称为无序树，也称为自由树；
有序树：树中任意节点的子节点之间有顺序关系，这种树称为有序树；
二叉树：每个节点最多含有两个子树的树称为二叉树；
完全二叉树：对于一颗二叉树，假设其深度为d(d>1)。除了第d层外，其它各层的节点数目均

已达最大值，且第d层所有节点从左向右连续地紧密排列，这样的二叉树被称为完全二叉树，其中满二叉树的定义是所有叶节点都在最底层的完全二叉树;

平衡二叉树（AVL树）：当且仅当任何节点的两棵子树的高度差不大于1的二叉树；
排序二叉树（二叉查找树（英语：Binary Search Tree），也称二叉搜索树、有序二叉

树）；

霍夫曼树（用于信息编码）：带权路径最短的二叉树称为哈夫曼树或最优二叉树；
B树：一种对读写操作进行优化的自平衡的二叉查找树，能够保持数据有序，拥有多余两个子树。

常见应用场景

xml，html等，那么编写这些东西的解析器的时候，不可避免用到树
路由协议就是使用了树的算法
mysql数据库索引
文件系统的目录结构
所以很多经典的AI算法其实都是树搜索，此外机器学习中的decision tree也是树结构

二叉树

二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。通常子树被称作“左子树”（left subtree）和“右子树”（right subtree）
- 有且仅有一个称之为根的结点；
- 除根结点以外的其余结点分为两个互不相交的子集T1和T2，分别称为T的左子树和右子树，且T1和T2本身又都是二叉树。
基本特点
- 结点的度小于等于2
- 有序树（子树有序，不能颠倒）

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二叉树的性质

在二叉树的第i层上至多有2^(i-1)个结点
深度为k的二叉树至多有2^(k-1)个结点
对于任何一棵二叉树，若2度的结点数有n2个，则叶子数n0必定为n2＋1 （即n0=n2+1）
具有n个结点的完全二叉树的深度必为[log2n]＋1
对完全二叉树，若从上至下、从左至右编号，则编号为i 的结点，其左孩子编号必为2i，其右孩子编号必为2i＋1；其双亲的编号必为i/2。

二叉树节点表示

案例ly01.py

二叉树遍历

深度优先，一般用递归
- 先序(Preorder)
- 中序(Inorder)
- 后序(Postorder)
广度优先，一般用队列

满二叉树

满二叉树_百度百科
除最后一层无任何子节点外，每一层上的所有结点都有两个子结点的二叉树。
国内教程定义：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。
- 满足等比数列公式，具有如下性质
  - 满二叉树的结点数一定是奇数个
  - 第i层上的结点数为：2^i-1
  - 层数为k的满二叉树的叶子结点个数（最后一层）: 2^k-1
国外（国际）定义：a binary tree T is full if each node is either a leaf or possesses exactly two childnodes.（如果一棵二叉树的结点要么是叶子结点，要么它有两个子结点，这样的树就是满二叉树。(一棵满二叉树的每一个结点要么是叶子结点，要么它有两个子结点，但是反过来不成立，因为完全二叉树也满足这个要求，但不是满二叉树)）
- 度为0或者2，不存在度为1的结点

满二叉树和完全二叉树的区别

满二叉树是叶子一个也不少的树，而完全二叉树虽然前n-1层是满的，但最底层却允许在右边缺少连续若干个结点。满二叉树是完全二叉树的一个特例。
在这里插入图片描述

C++代码实现

#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;

#define OVERFLOW -2 
#define OK 1
#define NULL 0
#define ERROR -1

#define MAXSIZE 100

typedef int Status;

typedef char TelemType;

/*------------------二叉树顺序存储----------------*/
/*
适于存满二叉树和完全二叉树
*/
// typedef TelemType SqBiTree[MAXSIZE];

// SqBiTree bt;  // 包含100存放TelemType类型数据的数组

/*-----------------二叉树链式存储------------------*/

/*
二叉链表
*/
typedef struct BiTNode {
    TelemType data;  // 结点数据域
    struct BiTNode* lchild, * rchild;  // 左右子树指针 
    int flag;  // 后序遍历标志位
}BiTNode, * BiTree;

typedef BiTree SElemType;

typedef struct {
    BiTNode* link;
    int tag;  // 后序遍历标志位
}BElemType;


// 顺序栈结构体
typedef struct {
    SElemType* base;
    SElemType* top;
    int stacksize;
}SqStack;

// 顺序栈初始化
Status InitStack(SqStack& S) {
    S.base = new SElemType[MAXSIZE];
    if (!S.base) return OVERFLOW;
    S.top = S.base;
    S.stacksize = MAXSIZE;
    return OK;
}

// 判断顺序栈是否为空
bool StackEmpty(SqStack S) {
    if (S.top == S.base) return true;
    else return false;
}

// 判断是否为满栈
bool StackFull(SqStack S) {
    if (S.top - S.base >= S.stacksize)
        return true;
    else return false;
}

// 入栈
Status Push(SqStack& S, BiTree e) {
    if (StackFull(S))  // 满栈 
        return ERROR;
    *S.top++ = e;
    // *S.top = e;
    // S.top ++;
    return OK;
}

// 出栈
Status Pop(SqStack& S, BiTree& e) {
    if (StackEmpty(S))  // 栈空
        return ERROR;
    e = *--S.top;
    // S.top --;
    // e = *S.top;
    return OK;
}

/*
# 遍历规则
- 若二叉树为空树，则空操作
- DLR-先序遍历，先根再左再右
- LDR-中序遍历，先左再根再右
- LRD-后序遍历，先左再右再根
*/


/*--------先序(根)遍历---------*/
// 递归算法
/*
若二叉树为空，则空操作
否则:
    访问根结点 (D)
    中序遍历左子树 (L)
    中序遍历右子树 (R)
*/
void PreOrder(BiTree T) {
    if (T) {
        cout << T->data;
        PreOrder(T->lchild);
        PreOrder(T->rchild);
    }
}

// 非递归算法
void PreOrder_1(BiTree T) {
    SqStack S;
    InitStack(S);
    BiTree p = T;
    while (p || !StackEmpty(S)) {
        // p非空且栈非空
        if (p) {
            /*
            输出元素
            保存入栈
            p = p->lchild
            */
            cout << p->data;
            Push(S, p);
            p = p->lchild;
        }
        else {
            /*
            出栈到p
            p = p->rchild
            */
            Pop(S, p);
            p = p->rchild;
        }
    }
}


/*--------中序(根)遍历---------*/
// 递归算法
/*
若二叉树为空，则空操作
否则:
    中序遍历左子树 (L)
    访问根结点 (D)
    中序遍历右子树 (R)
*/
void InOrder(BiTree T) {
    if (T) {
        InOrder(T->lchild);
        cout << T->data;
        InOrder(T->rchild);
    }
}

// 非递归算法
void InOrder_1(BiTree T) {
    BiTree p = T;
    SqStack S;
    InitStack(S);
    while (p || !StackEmpty(S)) {
        if (p) {
            /*
            保存--入栈
            p = p->lchild
            */
            Push(S, p);
            p = p->lchild;
        }
        else {
            /*
            出栈到p
            输出p->data
            p = p->rchild
            */
            Pop(S, p);
            cout << p->data;
            p = p->rchild;
        }
    }
}




/*
/*--------后序(根)遍历---------*/
// 递归算法
/*
若二叉树为空，则空操作
否则:
    中序遍历左子树 (L)
    中序遍历右子树 (R)
    访问根结点 (D)
*/
void PostOrder(BiTree T) {
    if (T) {
        PostOrder(T->lchild);
        PostOrder(T->rchild);
        cout << T->data;
    }
}

// 非递归算法
void PostOrder_1(BiTree T) {
    /*
    此函数应将数据类型改为"结点+标志位"，即上面代码中BElemType类型
    但由于修改类型后，需重新改写栈相关函数，故将标志位作为结构体BiTNode参数
    */
    BiTree p = T;
    SqStack S;
    // BElemType w;
    InitStack(S);
    while (p || !StackEmpty(S)) {
        if (p) {
            /*
            保存--入栈 flag = 1（结构体 p,flag）
            p = p->lchild
            */
            // w.link = p;
            // Push(S,w);
            Push(S, p);
            p->flag = 1;
            // w.tag = 1;
            p = p->lchild;
        }
        else {
            /*
            出栈到p
            switch(flag){
                case '1':
                    入栈 flag = 2
                    p = p->rchild
                case '2'
                    输出 p->data
                    p = NULL
            }
            保存--入栈
            p = p->rchild;
            */
            // Pop(S, w);
            Pop(S, p);
            // p = w.link;
            switch (p->flag) {
            case 1:
                p->flag = 2;
                // w.tag = 2;
                Push(S, p);
                p = p->rchild;
                break;
            case 2:
                cout << p->data;
                // 强制置空
                p = NULL;
                break;
            }
        }
    }
}


// 求二叉树叶子结点的个数
int CountLeaf(BiTree T) {
    // 先序遍历
    // 此处必须为static类型，递归会调用自身，只赋一次值
    static int count = 0;
    if (T) {
        if (!T->lchild && !T->rchild)
            count++;
        CountLeaf(T->lchild);
        CountLeaf(T->rchild);
    }
    return count;
}

// 求二叉树深度
/*
1. 求左二叉树深度
2. 求右二叉树深度
3. 取最大值加1
*/
int Depth(BiTree T) {
    // 后序遍历
    int dl, dr, d;
    if (!T)
        d = 0;
    else {
        dl = Depth(T->lchild);
        dr = Depth(T->rchild);
        d = 1 + (dl > dr ? dl : dr);
    }
    return d;
}

// 复制二叉树
BiTree Copy(BiTree T) {
    BiTree t, newl, newr;
    if (!T) {
        t = NULL;
        return t;
    }
    else {
        if (!T->lchild)
            newl = NULL;
        else
            newl = Copy(T->lchild);
        if (!T->rchild)
            newr = NULL;
        else
            newr = Copy(T->rchild);
        t = new BiTNode;
        t->data = T->data;
        t->lchild = newl;
        t->rchild = newr;
    }
    return t;
}

// 先序创建二叉树
Status CreateBiTree(BiTree& T) {
    char ch;
    cin >> ch;
    if (ch == '#') T = NULL;
    else {
        if (!(T = new BiTNode)) exit(OVERFLOW);
        T->data = ch;
        CreateBiTree(T->lchild);
        CreateBiTree(T->rchild);
    }
    return OK;
}

int main() {
    // 测试
    BiTree T, t;
    int n;
    CreateBiTree(T);

    
    // 递归遍历
    cout << "先序遍历为：" << endl;
    PreOrder(T);
    cout << endl << "中序遍历为：" << endl;
    InOrder(T);
    cout << endl << "后序遍历为： " << endl;
    PostOrder(T);
    cout << endl;

    // 叶子结点个数测试
    cout << "叶子结点个数为: " << CountLeaf(T) << endl;

    // 求树深度测试
    cout << "树的深度为：" << Depth(T) << endl;

    // 复制测试
    t = Copy(T);
    cout << "t 的先序遍历为： " << endl;
    PreOrder(t);
    cout << endl;
    


    /*
    // 非递归遍历
    cout << "先序遍历为：" << endl;
    PreOrder_1(T);
    cout << endl;

    cout << "中序遍历为：" << endl;
    InOrder_1(T);
    cout << endl;

    cout << "后序遍历为：" << endl;
    PostOrder_1(T);
    cout << endl;
    */

    return 0;
}

ab##c##
先序遍历为：
abc
中序遍历为：
bac
后序遍历为：
bca
叶子结点个数为: 2
树的深度为：2
t 的先序遍历为：
abc

python代码实现

'''案例ly01.py'''

class Node(object):
    '''节点类'''
    def __init__(self, elem=-1, lchild=None, rchild=None):
        self.elem = elem;
        self.lchild = lchild
        self.rchild = rchild

class Tree(object):
    '''树类'''
    def __init__(self, root=None):
        self.root = root

    def add(self, elem):
        '''为树添加节点'''
        node = Node(elem)
        # 如果树是空的，则对根节点赋值
        if self.root == None:
            self.root = node
        else:
            queue = []
            queue.append(self.root)
            # 对已有的节点进行层次遍历
            while queue:
                # 弹出队列的第一个元素
                cur = queue.pop(0)
                if cur.lchild == None:
                    cur.lchild = node
                    return
                elif cur.rchild == None:
                    cur.rchild = node
                    return
                else:
                    # 如果左右子树都不为空，加入队列继续判断
                    queue.append(cur.lchild)
                    queue.append(cur.rchild)


    def preorder(self, root):
        '''递归实现先序遍历'''
        if root == None:
            return
        print(root.elem)
        self.preorder(root.lchild)
        self.preorder(root.rchild)

    def inorder(self, root):
        '''递归实现中序遍历'''
        if root == None:
            return
        self.inorder(root.lchild)
        print(root.elem)
        self.inorder(root.rchild)

    def postorder(self, root):
        '''递归实现后序遍历'''
        if root == None:
            return
        self.postorder(root.lchild)
        self.postorder(root.rchild)
        print(root.elem)

    def breadth_travel(self, root):
        '''利用队列实现树的层次遍历'''
        if root == None:
            return
        queue = []
        queue.append(root)
        while queue:
            node = queue.pop(0)
            print(node.elem)
            if node.lchild != None:
                queue.append(node.lchild)
            if node.rchild != None:
                queue.append(node.rchild)

if __name__ == '__main__':
    t = Tree()

    for i in range(10):
        t.add(i)

    t.preorder(t.root)
    print('*' * 20)
    t.inorder(t.root)
    print('*' * 20)
    t.postorder(t.root)
    print('*' * 20)
    t.breadth_travel(t.root)

0
1
3
7
8
4
9
2
5
6
********************
7
3
8
1
9
4
0
5
2
6
********************
7
8
3
9
4
1
5
6
2
0
********************
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
[Finished in 0.1s]

线索二叉树

对一个非线性结构进行线性化操作，使每个结点（除第一个和最后一个外）在这些线性序列中有且仅有一个直接前驱和直接后继。
n 个结点的二叉链表中必定存在 n+1 个空链域，因此可利用这些空链域来存放结点的前驱和后继信息。
二叉链表加一头结点，lchild 域的指针指向二叉树的根结点，rchild 域的指针指向中序遍历时访问的最后一个结点。
二叉树中序序列中第一个结点的lchild 域的指针和最后一个结点rchild 域的指针均指向头结点。

/*---------二叉树的二叉线索存储表示---------*/
typedef int ElemType;
typedef enum PointerTag {Link, Thread};  // Link==0:指针，Thread==1:线索

typedef struct BiThrNode {
    ElemType data;  // 数据域
    struct BiThrNode* lchild, * rchild;  // 左右孩子指针
    PointerTag LTag, Rtag;  // 左右标志
}BiThrNode, * BiThrTree;

线索二叉树的术语

线索：指向结点前驱和后继的指针
线索链表：加上线索二叉链表
线索二叉树：加上线索的二叉树（图形式样）
线索化：对二叉树以某种次序遍历使其变为线索二叉树的过程

/*----------以结点p为根的子树中序线索化---------*/
void InThreading(BiThrTree p, BiThrNode *&pre) {
    if (p) {
        InThreading(p->lchild, pre);  // 递归线索化左子树
        if (!p->lchild) {
            p->LTag = Thread;  // 前驱线索化
            p->lchild = pre;  // p的左孩子指针指向pre(前驱)
        }
        if (!pre->rchild) {
            // 前驱无右孩子
            pre->RTag = Thread;  // 后继线索
            pre->rchild = p;  // 前驱右孩子指向后继
        }
        pre = p;
        InThreading(p->rchild, pre);  // 递归线索化右子树
    }
}

树和森林

树的存储结构

双亲表示法
- 以一组连续空间存储树的结点，同时在结点中附设一个指针，存放双亲结点在链表中的位置。
- 特点：找双亲容易，找孩子难
孩子链表表示法
- 每个结点有多个指针域，分别指向其子树的根。

树的二叉链表(孩子-兄弟）存储表示法

/*----树的存储结构->二叉链表表示法----*/
typedef struct CSNode {
    ElemType data;
    struct CSNode* firstchild, * nextsibling;
}CSNode, * CSTree;

将树转化为二叉树

加线：在兄弟之间加一连线
抹线：对每个结点，除了其左孩子外，去除其与其余孩子之间的连线
旋转：以树的根结点为轴心，将整棵树顺时针转45°

树转换成的二叉树其右子树一定为空

将二叉树转换成树

加线：若p结点是双亲结点的左孩子，则将p的右孩子，右孩子的右孩子，……沿分支找到的所有右孩子，都与p的双亲用线连起来
抹线：抹掉原二叉树中双亲与右孩子之间的连线
调整：将结点按层次排列,形成树结构

树的先序遍历与二叉树先序遍历相同
树的后序遍历相当于对应二叉树的中序遍历

数据结构——树和二叉树

树

树的定义

树的概念

树的基本术语

树的种类

常见应用场景

二叉树

二叉树的性质

二叉树节点表示

二叉树遍历

满二叉树

满二叉树和完全二叉树的区别

线索二叉树

线索二叉树的术语

树和森林

树的存储结构

将树转化为二叉树

将二叉树转换成树

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