数据结构-树/平衡二叉树/二叉查找树/红黑树

2019年7月26日
前言:树是一种数据结构的组织方式,不同的数据组织方式在数据的增删改查方面性能上有差异。例如ArrayList增删慢,其时间复杂度O(n),修改查询快,时间复杂度为O(1);LinkedList正好与ArrayList相反;而红黑树在增删改查的时间复杂度均为O(log(n))。接下来,是我对树的简单总结和理解。
全文缺少配图,有时间补上

概念理解

树:从直接前继和直接后继个数角度,可以这样定义, 0到1个直接前继,0到n个直接后继,其中n>=2。
节点:树就是由有限节点组成的一个具有层次关系的集合,数据就存在这些节点中。
根节点:最顶上的一个节点,没有父节点。
子节点:两个相连节点的关系。
叶子节点:某个节点下方没有任何分叉。
节点的高度:从某个节点出发,到叶子节点为止,最长简单路径上边的条数,称为该节点高度。
节点的深度:从根节点出发,到某节点边的条数,称为该节点的深度。

二叉树:至多有两个子节点的树,平衡二叉树、二叉查找树、红黑树都是一种特殊的二叉树。
平衡二叉树性质:

(1)树的左右高度查不能超过1;
(2)任何往下递归的左子树和右子树,必须符合第一条性质;
(3)没有任何节点的空树或只有根节点的树也是平衡二叉树。

二叉查找树性质:

(1)对于任意节点来说,它的左子树上所有节点的值都小于他,而他的右子树上所有节点都大于他。
遍历所有节点的常用方式有三种:前序遍历、中序遍历、后序遍历。
(1)在任何递归子树中,左节点一定在右节点之前遍历。
(2)前序、中序、后序,仅指根节点在遍历时的为止顺序。
前序遍历顺序:根节点、左节点、右节点;
中序遍历顺序:左节点、根节点、右节点;
后序遍历顺序:做节点、右节点、根节点;
二叉查找树由于数据不断增加或删除容易失衡,因此为了保持二叉树重要的平衡性,有很多算法实现,比如AVL树、红黑树等

AVL树:

AVL树是一种平衡二叉查找树,在增加或删除节点后通过树形旋转重新达到平衡。
右旋,以某个节点为中心,将它沉入当前右子节点的位置,而让当前的左子节点作为新树的根节点,也称为顺时针旋转。
左旋,以某个节点为中心,将它沉入当前左子节点的位置,而让当前右子节点作为新树的跟节点,也称为逆时针旋转。

红黑树:一种特殊的二叉查找树

与AVL树相比,红黑树并不追求所有递归子树的高度差不超过1,而是保证从根节点到叶子节点的最长路径不超过最短路径的2倍。
相比二叉查找树,有5个约束条件:
(1)节点只能是红色或黑色。
(2)根节点必须是黑色。
(3)所有NIL节点都是黑色的。NIL,即叶子节点下挂的两个虚节点。
(4)一条路径上不能出现相邻的两个红色节点。
(5)在任何递归子树内,根节点到叶子节点所有路径上包含相同数目的黑色节点。

总结即是“有红必有黑,红红不相连”,上述5个约束条件保证了:
(1)红黑树的新增、删除、查找的最坏时间复杂度均为O(logn);
(2)如果一个树的左子节点或者右子节点不存在,则均认定为黑色;
(3)红黑树的任何旋转在3次之内均可完成。(这个是怎么计算出来的???)

红黑树与AVL树的比较

这里还需更加详细分析两者的区别
面对频繁的插入和删除,红黑树更为合适;
面对低频修改、大量查询,AVL树更合适。

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