二叉树是计算机科学中一种基础且重要的数据结构,它属于树形结构的一个重要类型。以下是二叉树的理论基础,包括定义、基本形态、特殊类型、性质以及遍历方式等方面的内容。
一、定义
二叉树(Binary Tree)是n(n≥0)个结点的有限集合,该集合或者为空集(称为空二叉树),或者由一个根结点和两棵互不相交的、分别称为根结点的左子树和右子树组成。二叉树是一种有序树,即左右子树是有顺序的,不能颠倒。
二、基本形态
二叉树是递归定义的,其节点有左右子树之分。逻辑上,二叉树有五种基本形态:
- 空二叉树:没有任何节点的二叉树。
- 只有一个根节点的二叉树:仅包含一个根节点,没有子节点。
- 只有左子树:根节点只有左子树,没有右子树。
- 只有右子树:根节点只有右子树,没有左子树。
- 完全二叉树:除了最后一层外,每一层都被完全填满,并且所有节点都尽可能地向左对齐。
三、特殊类型
- 满二叉树:如果一棵二叉树只有度为0的节点和度为2的节点,并且度为0的节点在同一层上,则这棵二叉树为满二叉树。满二叉树一定是完全二叉树,但完全二叉树不一定是满二叉树。
- 二叉搜索树(BST):又称为二叉查找树或二叉排序树。它满足以下性质:对于树中的任意节点X,其左子树中的所有节点的值都小于X的值,而其右子树中的所有节点的值都大于X的值。此外,二叉搜索树的左子树和右子树也分别是二叉搜索树。
- 平衡二叉搜索树:在二叉搜索树的基础上,增加了平衡性要求,即任意节点的左右子树的高度差不超过1。常见的平衡二叉搜索树有AVL树和红黑树等。
四、性质
二叉树具有以下几个重要性质:
- 第i层上的节点数目最多为2^(i-1)(i≥1)。
- 深度为k的二叉树至多有2^k-1个节点(k≥1)。
- 包含n个节点的二叉树的高度至少为log2(n+1)。
- 在任意一棵二叉树中,若终端节点的个数为n0,度为2的节点数为n2,则n0=n2+1。
五、遍历方式
遍历是对树的一种最基本的运算,即按一定的规则和顺序走遍二叉树的所有节点,使每一个节点都被访问一次,而且只被访问一次。二叉树的遍历方式主要有以下几种:
- 前序遍历(Pre-order Traversal):首先访问根节点,然后遍历左子树,最后遍历右子树。
- 中序遍历(In-order Traversal):首先遍历左子树,然后访问根节点,最后遍历右子树。在二叉搜索树中,中序遍历的结果是一个有序序列。
- 后序遍历(Post-order Traversal):首先遍历左子树,然后遍历右子树,最后访问根节点。
- 层序遍历(Level-order Traversal):按照从上到下、从左到右的顺序遍历二叉树的节点。层序遍历通常使用队列来实现。
六、存储方式
二叉树可以链式存储,也可以顺序存储。
顺序存储: