数据结构看书笔记(六)--树的定义、抽象数据类型、存储结构
2016-10-21 18:34
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树:
树(Tree)是n(n>=0)个结点的有限集。n=0时称为空树,在任意一颗非空树中:(1)有且只有一个特定的称之为根(Root)的结点;(2)当n>1时,其余结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集T1、T2、……、Tm,其中每一个集合本身又是一棵树,并且称为根的子树(SubTree).
对于树的定义还要强调两点:
1.n>0时根结点是唯一的,不可能存在多个根结点,应与现实中的大树区分开
2.m>0时,子树的个数没有限制,但它们一定是互不相交的。
结点分类:
结点拥有的子树称为结点的度(Degree).度为0的结点称为叶结点(Leaf)或终端结点;度不为0的结点称为非终端结点或分支结点。除根结点外,分支节点也称为内部结点。树的度是树内各结点的度的最大值。
结点间关系:
结点的子树的根称为该节点的孩子(Child),相应地,该结点称为孩子的双亲(Parent).
同一个双亲的孩子之间的互称兄弟(Sibling).
结点的祖先是从根到该节点所经分支上的所有节点。
以某结点为根的子树中的任一结点都称为该结点的子孙。
树的其他相关概念:
结点的层次(Level)从根开始定义起,根为第一层,根的孩子为第二层。
双亲在同一层的结点互为堂兄弟。
树中结点的最大层次称为树的深度(Depth)或高度。
如果将树中结点的各子树看成从左至右是有次序的,不能互换的,则称该数为有序树,否则称为无序树。
森林(Forest)是m(m>=0)棵互不相交的树的集合。
对比线性表与树的结构:
线性结构:
第一个数据元素:无前驱
最后一个数据元素:无后继
中间元素:一个前驱一个后继
树结构:
根结点:无双亲,唯一
叶结点:无孩子,可以多个
中间结点:一个双亲多个孩子(或一个孩子)
树的抽象数据类型:
ADT 树(Tree)
Data
树是由一个根结点和若干棵子树构成。树中结点具有相同数据类型及层次关系。
Operation
InitTree(*T):构造空树T.
DestroyTree(*T):销毁树T.
CreateTree(*T,definition):按difinition中给出树的定义来构造树。
ClearTree(*T):若树T存在,则将树T清为空树。
TreeEmpty(T):若T为空树,返回true,否则返回false.
TreeDepth(T):返回T的深度。
Root(T):返回T的根结点。
Value(T,cur_e):cur_e是树T中的一个结点,返回此结点的值。
Assign(T,cur_e,value):给树T的结点cur_e赋值为value.
Parent(T,cur_e):若cur_e是树的非根结点,则返回它的双亲,否则返回空。
LeftChild(T,cur_e):若cur_e是树的非叶结点,则返回它的最左孩子,否则返回空。
RightSibling(T,cur_e):若cur_e有右兄弟,则返回它的右兄弟,否则返回空。
InsertChild(*T,*p,i,c):其中p指向树的某个结点,i为所指结点p的度加上1,非空树c与T不相交,操作结果为插入c为树T中p指结点的第i棵子树。
DeleteChild(*T,*p,i):其中p指向树T的某个结点,i为所指结点的p的度,操作结果为删除T中p所指结点的第i棵子树。
endADT
树的存储结构:
双亲表示法:我们假设以一组连续空间存储树的结点,同时在每个结点中,附设一个指示器指示其双亲结点在数组中的位置。---即每个结点除了知道自己是谁之外,还知道它的双亲在哪。
其结点结构如下所示:
|----------|-----------|
|data |parent |
|----------|-----------|
其中data为数据域,存储结点的数据信息,parent是指针域,存储该结点的双亲在数组中的下标。
以下为双亲表示法的结点结构定义代码:
#define MAX_TREE_SIZE 100
typedef int TElemType;
typedef struct PTNode
{
TElemType data;
int parent;
}PTNode;
typedef struct
{
PTNode nodes[MAX_TREE_SIZE];
int r,n;//根的位置和结点数
}PTree;
以下是一颗树的表示:
|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent |
|-----------|-----------|-----------|
| 0 | A | -1 |
|-----------|-----------|-----------|
| 1 | B | 0 |
|-----------|-----------|-----------|
| 2 | C | 0 |
|-----------|-----------|-----------|
| 3 | D | 1 |
|-----------|-----------|-----------|
| 4 | E | 2 |
|-----------|-----------|-----------|
| 5 | F | 2 |
|-----------|-----------|-----------|
| 6 | G | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 7 | H | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 8 | I | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 9 | J | 4 |
|-----------|-----------|-----------|
此外还可以有以下类型的表示法(只是一部分):
|-----------|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent | firstChild|
|-----------|-----------|-----------|-----------|
|-----------|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent | rightsib |
|-----------|-----------|-----------|-----------|
存储结构的设计师一个非常灵活的过程,一个存储结构设计得是否合理,取决于基于该存储结构的运算是否合适、是否方便,时间复杂度好不好等。
孩子表示法:
多重链表表示法:每个结点由多个指针域,其中每个指针指向一棵子树的根结点,我们把这种方法叫做多重链表表示法。
以下有两种方案解决孩子个数不同的问题。
方案一:
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
|data | child1 | child2 | child3 | ………… | childn |
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,child1到childn为指针域,用来指向该结点的孩子结点。
优缺点分析:这种方法对于树中各结点的度相差很大时,显然是浪费空间的,因为有很多的结点,其指针域都是空的,但是如果各个结点的度相差不大时,就意味着空间被充分的利用了,这时存储结构的缺点反而变成了优点。
鉴于上述第一种方案可能带来空间上的浪费的问题,我们提出了方案二:
方案二:
第二种方案每个结点指针域的个数等于该结点的度,我们专门取一个位置来存储结点指针域的个数,其结构如下
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
|data | degree | child1 | child2 | child3 | ………… | childn |
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,degree为度域,也就是存储该结点的孩子结点的个数,child1到childn为指针域,指向该结点的各个孩子的结点。
优缺点分析:这种方案客服了浪费空间的缺点,对空间的利用率是很高了,但是由于各个结点的链表是不相同的结构,加上要维护结点的度的数值,在运算上就会带来时间上的损耗。
鉴于上述的多重链表表示法的两种方案都不是很适合,所以我们引入孩子表示法这个概念:
具体的办法就是,把每个结点的孩子结点排列起来,以单链表作存储结构,则n个结点有n个孩子链表,如果是叶子结点则此单链表为空。然后n个头指针又组成一个线性表,采用顺序存储结构,存放进一个一维数组中,具体的表示如下所示
|------|------|-----------| |-------|------|
| 下标 | data | firstChild| |child |next |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 0 | A | | ==> |1 | |==> |2 | ^ |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 1 | B | | ==> |3 |^ |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 2 | C | | ==> |4 | |==> |5 | ^ |
|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 3 | D | | ==> |6 | |==> |7 | |==> |8 |^ |
|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 4 | E | | ==> |9 |^ |
|------|------|-----------| |-------|------|
| 5 | F | ^ |
|------|------|-----------|
| 6 | G | ^ |
|------|------|-----------|
| 7 | H | ^ |
|------|------|-----------|
| 8 | I | ^ |
|------|------|-----------|
| 9 | J | ^ |
|------|------|-----------|
为此需要设计两种结点结构,一个是孩子链表的孩子结点
|-------|------|
|child |next |
|-------|------|
其中child是数据域,用来存储某个结点在表头数组中的下标,next是指针域,用来存储指向某结点的下一个孩子结点的指针。
另一个是表头数组的表头结点
|------|-----------|
| data | firstChild|
|------|-----------|
其中data为数据域,存储某结点的数据信息,firstchild是头指针域,存储该结点的孩子链表的头指针。
以下为孩子表示法的结构定义代码:
#define MAX_TREE_SIZE 100
typedef struct CTNode
{
int child;
struct CTNode *next;
}*ChildPtr;
typedef struct
{
TElemType data;
ChildPtr firstchild;
}CTBox;
typedef struct
{
CTBox nodes[MAX_TREE_SIZE];
int r,n;//根的位置和结点数
}CTree;
以上的结构对于我们要查找某个结点的某个孩子,或者找某个结点的兄弟,只需要查找这个结点的孩子单链表即可,对于遍历整棵树也是很方便的,对头结点的数组循环即可。
如果需要查找某个结点的双亲结点是谁的话,则可以考虑一下这种结构
|------|------|------|-----------| |-------|------|
| 下标 | data |parent| firstChild| |child |next |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 0 | A |-1 | | ==> |1 | |==> |2 | ^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 1 | B |0 | | ==> |3 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 2 | C |0 | | ==> |4 | |==> |5 | ^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 3 | D |1 | | ==> |6 | |==> |7 | |==> |8 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 4 | E |2 | | ==> |9 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------|
| 5 | F |2 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 6 | G |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 7 | H |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 8 | I |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 9 | J |4 | ^ |
|------|------|------|-----------|
以上的表示法称为双亲孩子表示法
孩子兄弟表示法:
任意一棵树,它的结点的第一个孩子如果存在就是唯一的,它的右兄弟如果存在也是唯一的。因此,我们设置两个指针,分别指向该结点的第一个孩子和此结点的右兄弟。
|-----------|-----------|-----------|
| data | firstchild| rightsib |
|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,firstchild为指针域,存储该结点的第一个孩子结点的存储地址,rightsib是指针域,存储该结点的右兄弟结点的存储地址。
结构定义代码如下。
typedef struct CSNode
{
TElemType data;
struct CSNode *firstchild,*rightsib;
}CSNode,*CSTree;
分析:这种表示法,给查找某个结点的某个孩子带来了方便,只需要通过firstchild找到此结点的长子,然后再通过长子结点的rightsib找到它的二弟,接着一直下去,知道找到具体的孩子。当然,如果想找某个结点的双亲,这个表示法也是有缺陷的。当然也可以增加一个双亲指针域来解决快速查找双亲的问题,这样其实表示出来的图示就是一个二叉树。二叉树的内容,放到下一复习小节。
树(Tree)是n(n>=0)个结点的有限集。n=0时称为空树,在任意一颗非空树中:(1)有且只有一个特定的称之为根(Root)的结点;(2)当n>1时,其余结点可分为m(m)
树(Tree)是n(n>=0)个结点的有限集。n=0时称为空树,在任意一颗非空树中:(1)有且只有一个特定的称之为根(Root)的结点;(2)当n>1时,其余结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集T1、T2、……、Tm,其中每一个集合本身又是一棵树,并且称为根的子树(SubTree).
对于树的定义还要强调两点:
1.n>0时根结点是唯一的,不可能存在多个根结点,应与现实中的大树区分开
2.m>0时,子树的个数没有限制,但它们一定是互不相交的。
结点分类:
结点拥有的子树称为结点的度(Degree).度为0的结点称为叶结点(Leaf)或终端结点;度不为0的结点称为非终端结点或分支结点。除根结点外,分支节点也称为内部结点。树的度是树内各结点的度的最大值。
结点间关系:
结点的子树的根称为该节点的孩子(Child),相应地,该结点称为孩子的双亲(Parent).
同一个双亲的孩子之间的互称兄弟(Sibling).
结点的祖先是从根到该节点所经分支上的所有节点。
以某结点为根的子树中的任一结点都称为该结点的子孙。
树的其他相关概念:
结点的层次(Level)从根开始定义起,根为第一层,根的孩子为第二层。
双亲在同一层的结点互为堂兄弟。
树中结点的最大层次称为树的深度(Depth)或高度。
如果将树中结点的各子树看成从左至右是有次序的,不能互换的,则称该数为有序树,否则称为无序树。
森林(Forest)是m(m>=0)棵互不相交的树的集合。
对比线性表与树的结构:
线性结构:
第一个数据元素:无前驱
最后一个数据元素:无后继
中间元素:一个前驱一个后继
树结构:
根结点:无双亲,唯一
叶结点:无孩子,可以多个
中间结点:一个双亲多个孩子(或一个孩子)
树的抽象数据类型:
ADT 树(Tree)
Data
树是由一个根结点和若干棵子树构成。树中结点具有相同数据类型及层次关系。
Operation
InitTree(*T):构造空树T.
DestroyTree(*T):销毁树T.
CreateTree(*T,definition):按difinition中给出树的定义来构造树。
ClearTree(*T):若树T存在,则将树T清为空树。
TreeEmpty(T):若T为空树,返回true,否则返回false.
TreeDepth(T):返回T的深度。
Root(T):返回T的根结点。
Value(T,cur_e):cur_e是树T中的一个结点,返回此结点的值。
Assign(T,cur_e,value):给树T的结点cur_e赋值为value.
Parent(T,cur_e):若cur_e是树的非根结点,则返回它的双亲,否则返回空。
LeftChild(T,cur_e):若cur_e是树的非叶结点,则返回它的最左孩子,否则返回空。
RightSibling(T,cur_e):若cur_e有右兄弟,则返回它的右兄弟,否则返回空。
InsertChild(*T,*p,i,c):其中p指向树的某个结点,i为所指结点p的度加上1,非空树c与T不相交,操作结果为插入c为树T中p指结点的第i棵子树。
DeleteChild(*T,*p,i):其中p指向树T的某个结点,i为所指结点的p的度,操作结果为删除T中p所指结点的第i棵子树。
endADT
树的存储结构:
双亲表示法:我们假设以一组连续空间存储树的结点,同时在每个结点中,附设一个指示器指示其双亲结点在数组中的位置。---即每个结点除了知道自己是谁之外,还知道它的双亲在哪。
其结点结构如下所示:
|----------|-----------|
|data |parent |
|----------|-----------|
其中data为数据域,存储结点的数据信息,parent是指针域,存储该结点的双亲在数组中的下标。
以下为双亲表示法的结点结构定义代码:
#define MAX_TREE_SIZE 100
typedef int TElemType;
typedef struct PTNode
{
TElemType data;
int parent;
}PTNode;
typedef struct
{
PTNode nodes[MAX_TREE_SIZE];
int r,n;//根的位置和结点数
}PTree;
以下是一颗树的表示:
|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent |
|-----------|-----------|-----------|
| 0 | A | -1 |
|-----------|-----------|-----------|
| 1 | B | 0 |
|-----------|-----------|-----------|
| 2 | C | 0 |
|-----------|-----------|-----------|
| 3 | D | 1 |
|-----------|-----------|-----------|
| 4 | E | 2 |
|-----------|-----------|-----------|
| 5 | F | 2 |
|-----------|-----------|-----------|
| 6 | G | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 7 | H | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 8 | I | 3 |
|-----------|-----------|-----------|
| 9 | J | 4 |
|-----------|-----------|-----------|
此外还可以有以下类型的表示法(只是一部分):
|-----------|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent | firstChild|
|-----------|-----------|-----------|-----------|
|-----------|-----------|-----------|-----------|
| 下标 | data | parent | rightsib |
|-----------|-----------|-----------|-----------|
存储结构的设计师一个非常灵活的过程,一个存储结构设计得是否合理,取决于基于该存储结构的运算是否合适、是否方便,时间复杂度好不好等。
孩子表示法:
多重链表表示法:每个结点由多个指针域,其中每个指针指向一棵子树的根结点,我们把这种方法叫做多重链表表示法。
以下有两种方案解决孩子个数不同的问题。
方案一:
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
|data | child1 | child2 | child3 | ………… | childn |
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,child1到childn为指针域,用来指向该结点的孩子结点。
优缺点分析:这种方法对于树中各结点的度相差很大时,显然是浪费空间的,因为有很多的结点,其指针域都是空的,但是如果各个结点的度相差不大时,就意味着空间被充分的利用了,这时存储结构的缺点反而变成了优点。
鉴于上述第一种方案可能带来空间上的浪费的问题,我们提出了方案二:
方案二:
第二种方案每个结点指针域的个数等于该结点的度,我们专门取一个位置来存储结点指针域的个数,其结构如下
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
|data | degree | child1 | child2 | child3 | ………… | childn |
|----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,degree为度域,也就是存储该结点的孩子结点的个数,child1到childn为指针域,指向该结点的各个孩子的结点。
优缺点分析:这种方案客服了浪费空间的缺点,对空间的利用率是很高了,但是由于各个结点的链表是不相同的结构,加上要维护结点的度的数值,在运算上就会带来时间上的损耗。
鉴于上述的多重链表表示法的两种方案都不是很适合,所以我们引入孩子表示法这个概念:
具体的办法就是,把每个结点的孩子结点排列起来,以单链表作存储结构,则n个结点有n个孩子链表,如果是叶子结点则此单链表为空。然后n个头指针又组成一个线性表,采用顺序存储结构,存放进一个一维数组中,具体的表示如下所示
|------|------|-----------| |-------|------|
| 下标 | data | firstChild| |child |next |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 0 | A | | ==> |1 | |==> |2 | ^ |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 1 | B | | ==> |3 |^ |
|--------|--------|-------------| |-------|------| |----|----|
| 2 | C | | ==> |4 | |==> |5 | ^ |
|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 3 | D | | ==> |6 | |==> |7 | |==> |8 |^ |
|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 4 | E | | ==> |9 |^ |
|------|------|-----------| |-------|------|
| 5 | F | ^ |
|------|------|-----------|
| 6 | G | ^ |
|------|------|-----------|
| 7 | H | ^ |
|------|------|-----------|
| 8 | I | ^ |
|------|------|-----------|
| 9 | J | ^ |
|------|------|-----------|
为此需要设计两种结点结构,一个是孩子链表的孩子结点
|-------|------|
|child |next |
|-------|------|
其中child是数据域,用来存储某个结点在表头数组中的下标,next是指针域,用来存储指向某结点的下一个孩子结点的指针。
另一个是表头数组的表头结点
|------|-----------|
| data | firstChild|
|------|-----------|
其中data为数据域,存储某结点的数据信息,firstchild是头指针域,存储该结点的孩子链表的头指针。
以下为孩子表示法的结构定义代码:
#define MAX_TREE_SIZE 100
typedef struct CTNode
{
int child;
struct CTNode *next;
}*ChildPtr;
typedef struct
{
TElemType data;
ChildPtr firstchild;
}CTBox;
typedef struct
{
CTBox nodes[MAX_TREE_SIZE];
int r,n;//根的位置和结点数
}CTree;
以上的结构对于我们要查找某个结点的某个孩子,或者找某个结点的兄弟,只需要查找这个结点的孩子单链表即可,对于遍历整棵树也是很方便的,对头结点的数组循环即可。
如果需要查找某个结点的双亲结点是谁的话,则可以考虑一下这种结构
|------|------|------|-----------| |-------|------|
| 下标 | data |parent| firstChild| |child |next |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 0 | A |-1 | | ==> |1 | |==> |2 | ^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 1 | B |0 | | ==> |3 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----|
| 2 | C |0 | | ==> |4 | |==> |5 | ^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 3 | D |1 | | ==> |6 | |==> |7 | |==> |8 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------| |----|----| |----|----|
| 4 | E |2 | | ==> |9 |^ |
|------|------|------|-----------| |-------|------|
| 5 | F |2 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 6 | G |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 7 | H |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 8 | I |3 | ^ |
|------|------|------|-----------|
| 9 | J |4 | ^ |
|------|------|------|-----------|
以上的表示法称为双亲孩子表示法
孩子兄弟表示法:
任意一棵树,它的结点的第一个孩子如果存在就是唯一的,它的右兄弟如果存在也是唯一的。因此,我们设置两个指针,分别指向该结点的第一个孩子和此结点的右兄弟。
|-----------|-----------|-----------|
| data | firstchild| rightsib |
|-----------|-----------|-----------|
其中data为数据域,firstchild为指针域,存储该结点的第一个孩子结点的存储地址,rightsib是指针域,存储该结点的右兄弟结点的存储地址。
结构定义代码如下。
typedef struct CSNode
{
TElemType data;
struct CSNode *firstchild,*rightsib;
}CSNode,*CSTree;
分析:这种表示法,给查找某个结点的某个孩子带来了方便,只需要通过firstchild找到此结点的长子,然后再通过长子结点的rightsib找到它的二弟,接着一直下去,知道找到具体的孩子。当然,如果想找某个结点的双亲,这个表示法也是有缺陷的。当然也可以增加一个双亲指针域来解决快速查找双亲的问题,这样其实表示出来的图示就是一个二叉树。二叉树的内容,放到下一复习小节。
树(Tree)是n(n>=0)个结点的有限集。n=0时称为空树,在任意一颗非空树中:(1)有且只有一个特定的称之为根(Root)的结点;(2)当n>1时,其余结点可分为m(m)
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