数据结构之二叉树的性质与存储结构
- 1、二叉树的性质
- 2、二叉树的存储结构
数据结构是程序设计的重要基础,它所讨论的内容和技术对从事软件项目的开发有重要作用。学习数据结构要达到的目标是学会从问题出发,分析和研究计算机加工的数据的特性,以便为应用所涉及的数据选择适当的逻辑结构、存储结构及其相应的操作方法,为提高利用计算机解决问题的效率服务。
数据结构是指数据元素的集合及元素间的相互关系和构造方法。元素之间的相互关系是数据的 逻辑结构,数据元素及元素之间关系的存储称为 存储结构(或物理结构)。数据结构按照逻辑关系的不同分为 线性结构和 非线性结构两大类,其中,非线性结构又可分为树结构和图结构。
树结构是一种非常重要的非线性结构,该结构中的一个数据元素可以有两个或两个以上的直接后继元素,树可以用来描述客观世界中广泛存在的层次结构关系。
二叉树是 n(n≥0)个结点的有限集合,它或者是空树(n=0),或者是由一个根结点及两棵不相交的且分别称为左、右子树的二叉树所组成。可见,二叉树具有递归性质。
1、二叉树的性质
(1)二叉树第 i 层(i≥1)上最多有 2i-1 个结点。
(2)高度为 k 的二叉树最多有 2k-1 个结点 (k≥1)。
由性质 1,每一层的结点数都取最大值
Σ
i
=
1
k
2
i
−
1
=
2
k
−
1
{\huge\Sigma}^k_{i=1}2^{i-1} = 2^k-1
Σi=1k2i−1=2k−1 即可。
(3)对于任何一棵二叉树,若其终端结点数为 n0,度为2的结点数为 n2,则n0=n2+1。
(4)具有n 个结点的完全二叉树的深度为[log2n]+1。
若深度为 k 的二叉树有 2k-1 个结点,则称其为满二叉树。可以对满二叉树中的结点进行连续编号: 约定编号从根结点起,自上而下、自左至右依次进行。深度为 k、有 n 个结点的二叉树,当且仅当其每一个结点都与深度为 k 的满二叉树中编号从1至n 的结点一一对应时,称之为完全二叉树。满二叉树如下图 (a)所示,高度为 3 的一个完全二叉树如下图 (b) 所示。
在一个高度为 h 的完全二叉树中,除了第 h 层(即最后一层),其余各层都是满的。在第 h 层上的结点必须从左到右依次放置,不能留空。下图 © 所示的二叉树不是完全二叉树,因为 6号结点的左边有空结点。
2、二叉树的存储结构
(1)二叉树的顺序存储结构
顺序存储是用一组地址连续的存储单元存储二叉树中的结点,必须把结点排成一个适当的线性序列,并且结点在这个序列中的相互位置能反映出结点之间的逻辑关系。
用一组地址连续的存储单元存储二叉树中的结点,必须把结点排成一个适当的线性序列,并且结点在这个序列中的相互位置能反映出结点之间的逻辑关系。对于深度为 k 的完全二叉树,除第k层外,其余各层中含有最大的结点数,即每一层的结点数恰为其上一层结点数的两倍,由此从一个结点的编号可推知其双亲、左孩子和右孩子的编号。
假设有编号为 i 的结点,则有:
● 若 i=1,则该结点为根结点,无双亲;若 i>1,则该结点的双亲结点为[i/2]。
● 若 2≤n,则该结点的左孩子编号为 2i,否则无左孩子。
● 若 2i+1≤n,则该结点的右孩子编号为 2i+1,否则无右孩子。
完全二叉树的顺序存储结构如下图所示。
显然,完全二叉树采用顺序存储结构既简单又节省空间,对于一般的二叉树,则不宜采用顺序存储结构。因为一般的二叉树也必须按照完全二叉树的形式存储,也就是要添上一些实际并不存在的“虚结点”,这将造成空间的浪费,如下图所示。
在最坏情况下,一个深度为 k 且只有 k 个结点的二叉树(单支树) 需要 2k-1 个存储单元。
(2)二叉树的链式存储结构
由于二叉树的结点中包含有数据元素、左子树的根、右子树的根及双亲等信息,因此可以用三叉链表或二叉链表(即一个结点含有 3 个指针或两个指针)来存储二叉树,链表的头指针指向二叉树的根结点,如下图所示。
设结点中的数据元素为整型,则二叉链表的结点类型定义如下:
typedef struct BiTnode{
int data;
struct BiTnode *lchild,*rchild;
}BiTnode.*BiTree;
在不同的存储结构中,实现二叉树的运算方法也不同,具体应采用什么存储结构,除考虑二叉树的形态外还应考虑需要进行的运算特点。