瑞_数据结构与算法_二叉树

文章目录

- 1 什么是二叉树
- 2 二叉树的存储
- - 2.1 使用树节点类TreeNode存储（代码）
  - 2.2 使用数组存储
- 3 二叉树的遍历
- - 3.1 广度优先遍历
  - 3.2 深度优先遍历
  - - 3.2.1 深度优先——前序遍历
    - 3.2.2 深度优先——中序遍历
    - 3.2.3 深度优先——后序遍历
  - 3.3 代码实现
  - - 3.3.1 递归实现——深度优先遍历
    - 3.3.2 非递归实现——深度优先遍历
    - - 3.3.2.1 前序遍历
      - 3.3.2.2 中序遍历
      - 3.3.2.3 后序遍历
      - 3.3.2.4 非递归实现深度优先——统一写法★★★
- 力扣题144 二叉树的前序遍历
- 力扣题94 二叉树的中序遍历
- 力扣题145. 二叉树的后序遍历

前言：本文章为瑞_系列专栏之《数据结构与算法》的二叉树篇。由于博主是从B站黑马程序员的《数据结构与算法》学习到的相关知识，所以本系列专栏主要针对该课程进行笔记总结和拓展，文中的部分原理及图解也是来源于黑马提供的资料。本文仅供大家交流、学习及研究使用，禁止用于商业用途，违者必究！

1 什么是二叉树

二叉树是一种树状结构：每个节点最多有两个孩子，左孩子和右孩子。

重要的二叉树结构：

完全二叉树（complete binary tree）是一种二叉树结构，除最后一层以外，每一层都必须填满，填充时要遵从先左后右。
平衡二叉树（balance binary tree）是一种二叉树结构，其中每个节点的左右子树高度相差不超过 1 。

2 二叉树的存储

二叉树的存储方式一般分为：使用树节点类TreeNode存储、使用数组存储。

2.1 使用树节点类TreeNode存储（代码）

定义树节点与左、右孩子引用（TreeNode），参考代码如下：

public class TreeNode {
    /**
     * 节点值
     */
    public int val;
    /**
     * 左孩子
     */
    public TreeNode left;
    /**
     * 右孩子
     */
    public TreeNode right;

    public TreeNode(int val) {
        this.val = val;
    }

    public TreeNode(TreeNode left, int val, TreeNode right) {
        this.left = left;
        this.val = val;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.valueOf(this.val);
    }
}

2.2 使用数组存储

类似于使用数组实现堆，数组索引为 0 处即是根节点，索引为 1 处即是根节点的左孩子，索引为 2 处即是根节点的右孩子，没有元素则使用null表示。

若以 0 作为树的根，索引可以通过如下方式计算：

父 = floor((子 - 1) / 2)
左孩子 = 父 * 2 + 1
右孩子 = 父 * 2 + 2

瑞：实际过程中按照业务需求自己选定，两种存储的表示方式都可行，没有对错，只有适合和更适合

3 二叉树的遍历

遍历主要分为以下两种：

广度优先遍历（Breadth-first order）：尽可能先访问距离根最近的节点，也称为层序遍历
深度优先遍历（Depth-first order）：对于二叉树，可以进一步分成三种（要深入到叶子节点）
1. pre-order 前序遍历，对于每一棵子树，先访问该节点，然后是左子树，最后是右子树
2. in-order 中序遍历，对于每一棵子树，先访问左子树，然后是该节点，最后是右子树
3. post-order 后序遍历，对于每一棵子树，先访问左子树，然后是右子树，最后是该节点

3.1 广度优先遍历

广度优先遍历（Breadth-first order）：尽可能先访问距离根最近的节点，也称为层序遍历，即“Z”字型遍历，如下图：

用队列来层序遍历是针对 TreeNode 这种方式表示的二叉树，如下表所示：

本轮开始时队列	本轮访问节点
[1]	1
[2, 3]	2
[3, 4]	3
[4, 5, 6]	4
[5, 6]	5
[6, 7, 8]	6
[7, 8]	7
[8]	8
[]

如上表所示，步骤为：

初始化，将根节点加入队列
循环处理队列中每个节点，直至队列为空
每次循环内处理节点后，将它的孩子节点（即下一层的节点）加入队列

对于数组表现的二叉树，则直接遍历数组即可，自然为层序遍历的顺序

3.2 深度优先遍历

深度优先遍历（Depth-first order）：对于二叉树，可以进一步分成三种（要深入到叶子节点）

pre-order 前序遍历，对于每一棵子树，先访问该节点，然后是左子树，最后是右子树
in-order 中序遍历，对于每一棵子树，先访问左子树，然后是该节点，最后是右子树
post-order 后序遍历，对于每一棵子树，先访问左子树，然后是右子树，最后是该节点

3.2.1 深度优先——前序遍历

前序遍历规则：

先访问该节点
然后是左子树
最后是右子树

按照前序遍历规则，执行顺序为：先访问根节点1（打印1），然后访问根节点1的左子树2（打印2），然后访问2的左子树4（打印4），由于4左右子树为null，所以4访问结束。退回到2，2的左子树已经遍历完了，右子树为null，即2遍历结束。退回到1，1的左子树已经遍历结束，开始遍历1的右子树3（打印3），访问3的左子树5（打印5），5的左右子树为null，退回到3，访问3的右子树6（打印6），前序遍历结束。

前序遍历的结果为：1,2,4,3,5,6
瑞：根左右

3.2.2 深度优先——中序遍历

中序遍历规则：

先访问左子树
然后是该节点
最后是右子树

按照中序遍历规则，左子树没遍历完之前是不能打印该节点的值，所以执行顺序为：先访问根节点1（不打印），然后访问根节点1的左子树2（不打印），然后访问2的左子树4（不打印），由于4左子树为null，所以此时打印4（打印4），4的右子树为null，4遍历结束。退回到2，2的左子树已经遍历完了，所以此时打印2（打印2），2的右子树为null，即2遍历结束。退回到1，1的左子树已经遍历结束，此时打印1（打印1），开始遍历1的右子树3（不打印），访问3的左子树5（不打印），5的左子树为null，所以此时打印5（打印5），5的右子树为null，5遍历结束。退回到3，3的左子树已经遍历完了，所以此时打印3（打印3），开始访问3的右子树6（不打印），6的左子树为null，所以此时打印6（打印6），6的右子树为null，中序遍历结束。

中序遍历的结果为：4,2,1,5,3,6
瑞：左根右

3.2.3 深度优先——后序遍历

后序遍历规则：

先访问左子树
然后是右子树
最后是该节点

按照后序遍历规则，左右子树没遍历完之前是不能打印该节点的值，所以执行顺序为：先访问根节点1（不打印），然后访问根节点1的左子树2（不打印），然后访问2的左子树4（不打印），由于4左子树为null、右子树为null，所以此时打印4（打印4），4遍历结束。退回到2，2的左子树已经遍历完了，2的右子树为null，所以此时打印2（打印2），即2遍历结束。退回到1，1的左子树已经遍历结束，开始遍历1的右子树3（不打印），开始遍历1的右子树3（不打印），访问3的左子树5（不打印），5的左子树为null、5的右子树为null，所以此时打印5（打印5），5遍历结束。退回到3，3的左子树已经遍历完了，开始访问3的右子树6（不打印），6的左子树为null、6的右子树为null，所以此时打印6（打印6），6遍历结束。退回到3，3的左右子树遍历结束，所以此时打印3（打印3），退回到1，1的左右子树遍历结束，所以此时打印1（打印1），后序遍历结束。

后序遍历的结果为：4,2,5,6,3,1
瑞：左右根

瑞：不用特别死记硬背，因为左子树的遍历一定在右子树之前，所以前中后指的就是打印左右节点前该节点的打印顺序。比如前序遍历就是在左右子树遍历前（根左右），中序遍历就是左子树打印完之后打印该节点再打印右子树（左根右），后续遍历就是左右子树打印完再打印该节点（左右根），就是根的位置在左右子树的位置就是前中后序的区别

3.3 代码实现

以下实现均需要使用TreeNode类，在文章 2.1 使用树节点类TreeNode存储（代码）

构建本例中的树型结构的代码如下：

        /*
                1
               / \
              2   3
             /   / \
            4   5   6
         */
        TreeNode root = new TreeNode(
                new TreeNode(new TreeNode(4), 2, null),
                1,
                new TreeNode(new TreeNode(5), 3, new TreeNode(6))
        );

3.3.1 递归实现——深度优先遍历

使用递归实现比较简单，代码如下：

public class TreeTraversal {
    public static void main(String[] args) {
        /*
                1
               / \
              2   3
             /   / \
            4   5   6
         */
        TreeNode root = new TreeNode(
                new TreeNode(new TreeNode(4), 2, null),
                1,
                new TreeNode(new TreeNode(5), 3, new TreeNode(6))
        );
        System.out.print("前序遍历：\t");
        preOrder(root);
        System.out.println();

        System.out.print("中序遍历：\t");
        inOrder(root);
        System.out.println();

        System.out.print("后序遍历：\t");
        postOrder(root);
        System.out.println();
    }

    /**
     * 前序遍历
     *
     * @param node 节点
     */
    static void preOrder(TreeNode node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        System.out.print(node.val + "\t"); // 值
        preOrder(node.left); // 左
        preOrder(node.right); // 右
    }

    /**
     * 中序遍历
     *
     * @param node 节点
     */
    static void inOrder(TreeNode node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        inOrder(node.left); // 左
        System.out.print(node.val + "\t"); // 值
        inOrder(node.right); // 右
    }

    /**
     * 后序遍历
     *
     * @param node 节点
     */
    static void postOrder(TreeNode node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        postOrder(node.left); // 左
        postOrder(node.right); // 右
        System.out.print(node.val + "\t"); // 值
    }
}

以上代码运行结果：
前序遍历： 1 2 4 3 5 6
中序遍历： 4 2 1 5 3 6
后序遍历： 4 2 5 6 3 1

复杂度分析

时间复杂度：O(n)，其中 n 是二叉树的节点数。每一个节点恰好被遍历一次。
空间复杂度：O(n)，为递归过程中栈的开销，平均情况下为 O(log⁡ n)，最坏情况下树呈现链状，为 O(n)。

3.3.2 非递归实现——深度优先遍历

由于树型结构中没有保存父节点元素，所以需要使用栈（后进先出特性）来存储来回的路，本质上是在模拟递归，因为在递归的过程中使用了系统栈。可以使用自定义实现的栈类或者使用JDK1.8中自带的LinkedList类，该类实现了Deque接口，即含有栈的相关方法。注意不建议使用Stack类，官方建议使用Deque接口及其实现类来实现的栈功能，具体原因本文不进行阐述。

3.3.2.1 前序遍历

LinkedListStack<TreeNode> stack = new LinkedListStack<>();
TreeNode curr = root;

while (!stack.isEmpty() || curr != null) {
    if (curr != null) {
        stack.push(curr);
        System.out.println(curr);
        curr = curr.left;
    } else {
        TreeNode pop = stack.pop();
        curr = pop.right;
    }

}

3.3.2.2 中序遍历

LinkedListStack<TreeNode> stack = new LinkedListStack<>();
TreeNode curr = root;

while (!stack.isEmpty() || curr != null) {
    if (curr != null) {
        stack.push(curr);
        curr = curr.left;
    } else {
        TreeNode pop = stack.pop();
        System.out.println(pop);
        curr = pop.right;
    }
}

3.3.2.3 后序遍历

LinkedListStack<TreeNode> stack = new LinkedListStack<>();
TreeNode curr = root;
TreeNode pop = null;

while (!stack.isEmpty() || curr != null) {
    if (curr != null) {
        stack.push(curr);
        curr = curr.left;
    } else {
        TreeNode peek = stack.peek();
        if (peek.right == null || peek.right == pop) {
            pop = stack.pop();
            System.out.println(pop);
        } else {
            curr = peek.right;
        }
    }
}

对于后序遍历，向回走时，需要处理完右子树才能 pop 出栈。如何知道右子树处理完成呢？

如果栈顶元素的 right == null 表示没啥可处理的，可以出栈
如果栈顶元素的 right ≠null，
- 那么使用 lastPop 记录最近出栈的节点，即表示从这个节点向回走
- 如果栈顶元素的 right == lastPop 此时应当出栈

对于前、中两种遍历，实际以上代码从右子树向回走时，并未走完全程（stack 提前出栈了）后序遍历以上代码是走完全程了

3.3.2.4 非递归实现深度优先——统一写法★★★

下面是一种统一的写法，依据后序遍历修改，可根据前中后需求自定义修改

import java.util.LinkedList;

/**
 * 非递归实现 深度优先遍历 三种遍历通用写法
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 * @version 1.0
 * @createDate 2024/1/22 15:09
 **/
public class RayTest {
    public static void preorderTraversal(TreeNode root) {
        LinkedList<TreeNode> stack = new LinkedList<>(); // 栈
        TreeNode curr = root; // 代表当前节点
        TreeNode pop = null; // 最近一次弹栈的元素
        while (curr != null || !stack.isEmpty()) {
            if (curr != null) {
                colorPrintln("前: " + curr.val, 31);
                stack.push(curr); // 压入栈，为了记住回来的路
                curr = curr.left;
            } else {
                TreeNode peek = stack.peek();
                // 右子树可以不处理, 对中序来说, 要在右子树处理之前打印
                if (peek.right == null) {
                    colorPrintln("中: " + peek.val, 35);
                    pop = stack.pop();
                    colorPrintln("后: " + pop.val, 34);
                }
                // 右子树处理完成, 对中序来说, 无需打印
                else if (peek.right == pop) {
                    pop = stack.pop();
                    colorPrintln("后: " + pop.val, 34);
                }
                // 右子树待处理, 对中序来说, 要在右子树处理之前打印
                else {
                    colorPrintln("中: " + peek.val, 35);
                    curr = peek.right;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TreeNode root = new TreeNode(
                new TreeNode(new TreeNode(4), 2, null),
                1,
                new TreeNode(new TreeNode(5), 3, new TreeNode(6))
        );
        preorderTraversal(root);
    }

    /*
        31 红
        32 黄
        33 橙
        34 蓝
        35 紫
        36 绿
     */
    public static void colorPrintln(String origin, int color) {
        System.out.printf("\033[%dm%s\033[0m%n", color, origin);
    }
}