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樹 (數據結構)

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一棵樹

在計算機科學中,(英語:tree)是一種抽象數據類型(ADT)或是實作這種抽象數據類型的數據結構,用來模擬具有樹狀結構性質的數據集合。它是由n(n>0)個有限節點組成一個具有層次關係的集合。把它叫做「樹」是因為它看起來像一棵倒掛的樹,也就是說它是根朝上,而葉朝下的。它具有以下的特點:

  • 每個節點都只有有限個子節點或無子節點;
  • 沒有父節點的節點稱為根節點;
  • 每一個非根節點有且只有一個父節點;
  • 除了根節點外,每個子節點可以分為多個不相交的子樹;
  • 樹裡面沒有環路(cycle)

術語

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  1. 節點的度:一個節點含有的子樹的個數稱為該節點的度;
  2. 樹的度:一棵樹中,最大的節點度稱為樹的度;
  3. 葉節點終端節點:度為零的節點;
  4. 非終端節點分支節點:度不為零的節點;
  5. 父親節點父節點:若一個節點含有子節點,則這個節點稱為其子節點的父節點;
  6. 孩子節點子節點:一個節點含有的子樹的根節點稱為該節點的子節點;
  7. 兄弟節點:具有相同父節點的節點互稱為兄弟節點;
  8. 節點的層次:從根開始定義起,根為第1層,根的子節點為第2層,以此類推;
  9. 深度:對於任意節點n,n的深度為從根到n的唯一路徑長,根的深度為0;
  10. 高度:對於任意節點n,n的高度為從n到一片樹葉的最長路徑長,所有樹葉的高度為0;
  11. 堂兄弟節點:父節點在同一層的節點互為堂兄弟;
  12. 節點的祖先:從根到該節點所經分支上的所有節點;
  13. 子孫:以某節點為根的子樹中任一節點都稱為該節點的子孫。
  14. 森林:由m(m>=0)棵互不相交的樹的集合稱為森林;

樹的種類

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有序/無序:
  • 無序樹:樹中任意節點的子節點之間沒有順序關係,這種樹稱為無序樹,也稱為自由樹。
  • 有序樹/搜索樹/查找樹:樹中任意節點的子節點之間有順序關係,這種樹稱為有序樹。即樹的所有節點按照一定的順序排列,這樣進行插入、刪除、查找時效率就會非常高
平衡/不平衡:
節點的分叉情況:
  • 等叉樹:是每個節點的鍵值個數都相同、子節點個數也都相同
    • 二叉樹:每個節點最多含有兩個子樹的樹稱為二叉樹;
      • 完全二叉樹:對於一棵二叉樹,假設其深度為d(d>1)。除了第d層外,其它各層的節點數目均已達最大值,且第d層所有節點從左向右連續地緊密排列,這樣的二叉樹被稱為完全二叉樹;
        • 滿二叉樹:所有葉節點都在最底層的完全二叉樹;
      • 平衡二叉樹AVL樹):當且僅當任何節點的兩棵子樹的高度差不大於1的二叉樹;
      • 排序二叉樹:也稱二叉查找樹、二叉搜索樹、有序二叉樹;
    • 霍夫曼樹帶權路徑最短的二叉樹稱為哈夫曼樹或最優二叉樹;
    • 多叉樹英語m-ary tree
  • 不等叉樹:每個節點的鍵值個數不一定相同、子節點個數也不一定相同
    • B樹:對不等叉樹的節點鍵值數和插入、刪除邏輯添加一些特殊的要求,使其能達到絕對平衡的效果。B樹全稱Balance Tree。如果某個B樹上所有節點的分叉數最大值是m,則把這個B數叫做m階B樹。

存儲

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父節點表示法

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存儲結構

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/* 树节点的定义 */
#define MAX_TREE_SIZE 100
typedef struct
{
  TElemType data;
  int parent; /* 父节点位置域 */
} PTNode;
typedef struct
{
  PTNode nodes[MAX_TREE_SIZE];
  int n; /* 节点数 */
} PTree;
A
B
E

H

I

J

C

D

F

G

K

基本操作

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設已有鏈隊列類型LinkQueue的定義及基本操作(參見隊列)。

構造空樹
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清空或銷毀一個樹也是同樣的操作

void ClearTree(PTree *T)
{ 
  T->n = 0;
}
構造樹
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void CreateTree(PTree *T)
{ 
  LinkQueue q;
  QElemType p,qq;
  int i=1,j,l;
  char c[MAX_TREE_SIZE]; /* 临时存放孩子节点数组 */
  InitQueue(&q); /* 初始化队列 */
  printf("请输入根节点(字符型,空格为空): ");
  scanf("%c%*c",&T->nodes[0].data); /* 根节点序号为0,%*c吃掉回车符 */
  if(T->nodes[0].data!=Nil) /* 非空树 */
  {
    T->nodes[0].parent=-1 ; /* 根节点无父节点 */
    qq.name=T->nodes[0].data;
    qq.num=0;
    EnQueue(&q,qq); /* 入队此节点 */
    while(i<MAX_TREE_SIZE&&!QueueEmpty(q)) /* 数组未满且队不空 */
    {
      DeQueue(&q,&qq); /* 节点加入队列 */
      printf("请按长幼顺序输入节点%c的所有孩子: ",qq.name);
      gets(c);
      l=strlen(c);
      for(j=0;j<l;j++)
      {
        T->nodes[i].data=c[j];
        T->nodes[i].parent=qq.num;
        p.name=c[j];
        p.num=i;
        EnQueue(&q,p); /* 入队此节点 */
        i++;
      }
    }
    if(i>MAX_TREE_SIZE)
    {
      printf("节点数超过数组容量\n");
      exit(OVERFLOW);
    }
    T->n=i;
  }
  else
    T->n=0;
}
判斷樹是否為空
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Status TreeEmpty(PTree *T)
{ /* 初始条件:树T存在。操作结果:若T为空树,则返回TRUE,否则返回FALSE */
  return T->n==0;
}
獲取樹的深度
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int TreeDepth(PTree *T)
{ /* 初始条件:树T存在。操作结果:返回T的深度 */
  int k,m,def,max=0;
  for(k=0;k<T->n;++k)
  {
    def=1; /* 初始化本节点的深度 */
    m=T->nodes[k].parent;
    while(m!=-1)
    {
      m=T->nodes[m].parent;
      def++;
    }
    if(max<def)
      max=def;
  }
  return max; /* 最大深度 */
}
獲取根節點
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TElemType Root(PTree *T)
{ /* 初始条件:树T存在。操作结果:返回T的根 */
  int i;
  for(i=0;i<T->n;i++)
    if(T->nodes[i].parent<0)
      return T->nodes[i].data;
  return Nil;
}
獲取第i個節點的值
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TElemType Value(PTree *T,int i)
{ /* 初始条件:树T存在,i是树T中节点的序号。操作结果:返回第i个节点的值 */
  if(i<T->n)
    return T->nodes[i].data;
  else
    return Nil;
}
改變節點的值
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Status Assign(PTree *T,TElemType cur_e,TElemType value)
{ /* 初始条件:树T存在,cur_e是树T中节点的值。操作结果:改cur_e为value */
  int j;
  for(j=0;j<T->n;j++)
  {
    if(T->nodes[j].data==cur_e)
    {
      T->nodes[j].data=value;
      return OK;
    }
  }
  return ERROR;
}
獲取節點的父節點
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TElemType Parent(PTree *T,TElemType cur_e)
{ /* 初始条件:树T存在,cur_e是T中某个节点 */
  /* 操作结果:若cur_e是T的非根节点,则返回它的父节点,否则函数值为"空"*/
  int j;
  for(j=1;j<T->n;j++) /* 根节点序号为0 */
    if(T->nodes[j].data==cur_e)
      return T->nodes[T->nodes[j].parent].data;
  return Nil;
}
獲取節點的最左孩子節點
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TElemType LeftChild(PTree *T,TElemType cur_e)
{ /* 初始条件:树T存在,cur_e是T中某个节点 */
  /* 操作结果:若cur_e是T的非叶子节点,则返回它的最左孩子,否则返回"空"*/
  int i,j;
  for(i=0;i<T->n;i++)
    if(T->nodes[i].data==cur_e) /* 找到cur_e,其序号为i */
      break;
  for(j=i+1;j<T->n;j++) /* 根据树的构造函数,孩子的序号>其父节点的序号 */
    if(T->nodes[j].parent==i) /* 根据树的构造函数,最左孩子(长子)的序号<其它孩子的序号 */
      return T->nodes[j].data;
  return Nil;
}
獲取節點的右兄弟節點
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TElemType RightSibling(PTree *T,TElemType cur_e)
{ /* 初始条件:树T存在,cur_e是T中某个节点 */
  /* 操作结果:若cur_e有右(下一个)兄弟,则返回它的右兄弟,否则返回"空"*/
  int i;
  for(i=0;i<T->n;i++)
    if(T->nodes[i].data==cur_e) /* 找到cur_e,其序号为i */
      break;
  if(T->nodes[i+1].parent==T->nodes[i].parent)
  /* 根据树的构造函数,若cur_e有右兄弟的话则右兄弟紧接其后 */
    return T->nodes[i+1].data;
  return Nil;
}
輸出樹
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void Print(PTree *T)
{ /* 输出树T。加 */
  int i;
  printf("节点个数=%d\n",T->n);
  printf(" 节点 父节点\n");
  for(i=0;i<T->n;i++)
  {
    printf("    %c",Value(T,i)); /* 节点 */
    if(T->nodes[i].parent>=0) /* 有父节点 */
      printf("    %c",Value(T,T->nodes[i].parent)); /* 父节点 */
    printf("\n");
  }
}
向樹中插入另一棵樹
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Status InsertChild(PTree *T,TElemType p,int i,PTree c)
{ /* 初始条件:树T存在,p是T中某个节点,1≤i≤p所指节点的度+1,非空树c与T不相交 */
  /* 操作结果:插入c为T中p节点的第i棵子树 */
  int j,k,l,f=1,n=0; /* 设交换标志f的初值为1,p的孩子数n的初值为0 */
  PTNode t;
  if(!TreeEmpty(T)) /* T不空 */
  {
    for(j=0;j<T->n;j++) /* 在T中找p的序号 */
      if(T->nodes[j].data==p) /* p的序号为j */
        break;
    l=j+1; /* 如果c是p的第1棵子树,则插在j+1处 */
    if(i>1) /* c不是p的第1棵子树 */
    {
      for(k=j+1;k<T->n;k++) /* 从j+1开始找p的前i-1个孩子 */
        if(T->nodes[k].parent==j) /* 当前节点是p的孩子 */
        {
          n++; /* 孩子数加1 */
          if(n==i-1) /* 找到p的第i-1个孩子,其序号为k1 */
            break;
        }
      l=k+1; /* c插在k+1处 */
    } /* p的序号为j,c插在l处 */
    if(l<T->n) /* 插入点l不在最后 */
      for(k=T->n-1;k>=l;k--) /* 依次将序号l以后的节点向后移c.n个位置 */
      {
        T->nodes[k+c.n]=T->nodes[k];
        if(T->nodes[k].parent>=l)
          T->nodes[k+c.n].parent+=c.n;
      }
    for(k=0;k<c.n;k++)
    {
      T->nodes[l+k].data=c.nodes[k].data; /* 依次将树c的所有节点插于此处 */
      T->nodes[l+k].parent=c.nodes[k].parent+l;
    }
    T->nodes[l].parent=j; /* 树c的根节点的父节点为p */
    T->n+=c.n; /* 树T的节点数加c.n个 */
    while(f)
    { /* 从插入点之后,将节点仍按层序排列 */
      f=0; /* 交换标志置0 */
      for(j=l;j<T->n-1;j++)
        if(T->nodes[j].parent>T->nodes[j+1].parent)
        {/* 如果节点j的父节点排在节点j+1的父节点之后(树没有按层序排列),交换两节点*/
          t=T->nodes[j];
          T->nodes[j]=T->nodes[j+1];
          T->nodes[j+1]=t;
          f=1; /* 交换标志置1 */
          for(k=j;k<T->n;k++) /* 改变父节点序号 */
            if(T->nodes[k].parent==j)
              T->nodes[k].parent++; /* 父节点序号改为j+1 */
            else if(T->nodes[k].parent==j+1)
              T->nodes[k].parent--; /* 父节点序号改为j */
        }
    }
    return OK;
  }
  else /* 树T不存在 */
    return ERROR;
}
刪除子樹
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Status deleted[MAX_TREE_SIZE+1]; /* 删除标志数组(全局量) */
void DeleteChild(PTree *T,TElemType p,int i)
{ /* 初始条件:树T存在,p是T中某个节点,1≤i≤p所指节点的度 */
  /* 操作结果:删除T中节点p的第i棵子树 */
  int j,k,n=0;
  LinkQueue q;
  QElemType pq,qq;
  for(j=0;j<=T->n;j++)
    deleted[j]=0; /* 置初值为0(不删除标记) */
  pq.name='a'; /* 此成员不用 */
  InitQueue(&q); /* 初始化队列 */
  for(j=0;j<T->n;j++)
    if(T->nodes[j].data==p)
      break; /* j为节点p的序号 */
  for(k=j+1;k<T->n;k++)
  {
    if(T->nodes[k].parent==j)
      n++;
    if(n==i)
      break; /* k为p的第i棵子树节点的序号 */
  }
  if(k<T->n) /* p的第i棵子树节点存在 */
  {
    n=0;
    pq.num=k;
    deleted[k]=1; /* 置删除标记 */
    n++;
    EnQueue(&q,pq);
    while(!QueueEmpty(q))
    {
      DeQueue(&q,&qq);
      for(j=qq.num+1;j<T->n;j++)
        if(T->nodes[j].parent==qq.num)
        {
          pq.num=j;
          deleted[j]=1; /* 置删除标记 */
          n++;
          EnQueue(&q,pq);
        }
    }
    for(j=0;j<T->n;j++)
      if(deleted[j]==1)
      {
        for(k=j+1;k<=T->n;k++)
        {
          deleted[k-1]=deleted[k];
          T->nodes[k-1]=T->nodes[k];
          if(T->nodes[k].parent>j)
            T->nodes[k-1].parent--;
        }
        j--;
      }
    T->n-=n; /* n为待删除节点数 */
  }
}
層序遍歷樹
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void TraverseTree(PTree *T,void(*Visit)(TElemType))
{ /* 初始条件:二叉树T存在,Visit是对节点操作的应用函数 */
  /* 操作结果:层序遍历树T,对每个节点调用函数Visit一次且仅一次 */
  int i;
  for(i=0;i<T->n;i++)
    Visit(T->nodes[i].data);
  printf("\n");
}

孩子鍊表表示法

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存儲結構

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/*树的孩子链表存储表示*/
typedef struct CTNode { // 孩子节点
  int child;
  struct CTNode *next;
} *ChildPtr;
typedef struct {
  ElemType data // 节点的数据元素
  ChildPtr firstchild // 孩子链表头指针
} CTBox;
typedef struct {
  CTBox nodes[MAX_TREE_SIZE]
  int n, r // 节点数和根节点的位置
} CTree;

A
B
E

H

I

J

C

D

F

G

K

森林、樹與二叉樹的轉換

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二叉樹相應章節

外部連結

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參考文獻

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