[译文] 初学者应该了解的数据结构： Tree
原文鏈接：Tree Data Structures for Beginners
眾成翻譯地址：初學者應該了解的數(shù)據(jù)結構： Tree
系列文章，建議不了解樹的同學慢慢閱讀一下這篇文章，希望對你有所幫助~至于系列的最后一篇自平衡二叉搜索樹就不再翻譯了（主要是原文坑太多，很難填），以下是譯文正文：
Tree 是很多（上層的）數(shù)據(jù)結構（如 Map、Set 等）的基礎。同時，在數(shù)據(jù)庫中快速搜索（元素）也用到了樹。HTML 的 DOM 節(jié)點也通過樹來表示對應的層次結構。以上僅僅是樹在實際應用中的一小部分例子。在這篇文章中，我們將探討不同類型的樹，如二叉樹、二叉搜索樹以及如何實現(xiàn)它們。
在上一篇文章（譯文）中，我們探討了數(shù)據(jù)結構：圖，它是樹一般化的情況。讓我們開始學習樹吧！
本篇是以下教程的一部分（譯者注：如果大家覺得還不錯，我會翻譯整個系列的文章）:
初學者應該了解的數(shù)據(jù)結構與算法（DSA）
樹的基本概念
在樹中，每個節(jié)點可有零個或多個子節(jié)點，每個節(jié)點都包含一個值。和圖一樣，節(jié)點之間的連接被稱為邊。樹是圖的一種，但并不是所有圖都是樹（只有無環(huán)無向圖才是樹）。
這種數(shù)據(jù)類型之所以被稱為樹，是因為它長得很像一棵（倒置的）樹 ?。它從根節(jié)點出發(fā)，它的子節(jié)點是它的分支，沒有任何子節(jié)點的節(jié)點就是樹的葉子（即葉節(jié)點）。
以下是樹的一些屬性：
- 最頂層的節(jié)點被稱為根（root）節(jié)點（譯者注：即沒有任何父節(jié)點的節(jié)點）。
- 沒有任何子節(jié)點的節(jié)點被稱為葉節(jié)點（leaf node）或者終端節(jié)點（terminal node）。
- 樹的度（Height）是最深的葉節(jié)點與根節(jié)點之間的距離（即邊的數(shù)量）。
- A 的度是 3。
- I 的度是 0（譯者注：子樹也是樹，I 的度是指 I 為根節(jié)點的子樹的度）。
- 深度（Depth）或者層次（level）是節(jié)點與根節(jié)點的距離。
- H 的層次是 2。
- B 的層次是 1。
樹的簡單實現(xiàn)
正如此前所見，樹的節(jié)點有一個值，且存有它每一個子節(jié)點的引用。
以下是節(jié)點的例子：
class TreeNode {constructor(value) {this.value = value;this.descendents = [];} } 復制代碼我們可以創(chuàng)建一棵樹，它有三個葉節(jié)點：
// create nodes with values const abe = new TreeNode('Abe'); const homer = new TreeNode('Homer'); const bart = new TreeNode('Bart'); const lisa = new TreeNode('Lisa'); const maggie = new TreeNode('Maggie'); // associate root with is descendents abe.descendents.push(homer); homer.descendents.push(bart, lisa, maggie); 復制代碼這樣就完成啦，我們有了一棵樹！
Simpson tree data structure節(jié)點 abe 是根節(jié)點，而節(jié)點 bart、lisa 和 maggie 則是這棵樹的 葉節(jié)點。注意，樹的節(jié)點的子節(jié)點可以是任意數(shù)量的，無論是 0 個、1 個、3 個或是多個均可。
二叉樹
樹的節(jié)點可以有 0 個或多個子節(jié)點。然而，當一棵樹（的所有節(jié)點）最多只能有兩個子節(jié)點時，這樣的樹被稱為二叉樹。
二叉樹是樹中最常見的形式之一，它應用廣泛，如：
- Maps
- Sets
- 數(shù)據(jù)庫
- 優(yōu)先隊列
- 在 LDAP（Lightweight Directory Access Protocol）中查找相應信息。
- 在 XML/HTML 文件中，使用文檔對象模型（DOM）接口進行搜索。
完滿二叉樹、完全二叉樹、完美二叉樹
取決于二叉樹節(jié)點的組織方式，一棵二叉樹可以是完滿二叉樹、完全二叉樹或完美二叉樹。
- 完滿二叉樹（Full binary tree）：除去葉節(jié)點，每個節(jié)點都有兩個子節(jié)點。
- 完全二叉樹（Complete binary tree）：除了最深一層之外，其余所有層的節(jié)點都必須有兩個子節(jié)點（譯者注：其實還需要最深一層的節(jié)點均集中在左邊，即左對齊）。
- 完美二叉樹（Perfect binary tree）：滿足完全二叉樹性質，樹的葉子節(jié)點均在最后一層（也就是形成了一個完美的三角形）。
（譯者注：國內(nèi)外的定義是不同的，此處根據(jù)原文與查找的資料，作了一定的修改，用的是國外的標準）
下圖是上述概念的例子：
Full vs. Complete vs. Perfect Binary Tree完滿二叉樹、完全二叉樹與完美二叉樹并不總是互斥的：
- 完美二叉樹必然是完滿二叉樹和完全二叉樹。
- 完美的二叉樹正好有 2 的 k 次方 減 1 個節(jié)點，其中 k 是樹的最深一層（從1開始）。.
- 完全二叉樹并不總是完滿二叉樹。
- 正如上面的完全二叉樹例子，最右側的灰色節(jié)點是它父子點僅有的一個子節(jié)點。如果移除掉它，這棵樹就既是完全二叉樹，也是完滿二叉樹。（譯者注：其實有了那個灰色節(jié)點的話，這顆樹不能算是完全二叉樹的，因為完滿二叉樹需要左對齊）
- 完滿二叉樹并不一定是完全二叉樹與完美二叉樹。
二叉搜索樹 (BST)
二叉搜索樹（Binary Search Tree，簡寫為：BST）是二叉樹的特定應用。BST 的每個節(jié)點如二叉樹一樣，最多只能有兩個子節(jié)點。然而，BST 左子節(jié)點的值必須小于父節(jié)點的值，而右子節(jié)點的值則必須大于父節(jié)點的值。
強調一下：一些 BST 并不允許重復值的節(jié)點被添加到樹中，如若允許，那么重復值的節(jié)點將作為右子節(jié)點。有些二叉搜索樹的實現(xiàn)，會記錄起重復的情況（這也是接下來我們需要實現(xiàn)的）。
一起來實現(xiàn)二叉搜索樹吧！
BST 的實現(xiàn)
BST 的實現(xiàn)與上文樹的實現(xiàn)相像，然而有兩點不同：
- 節(jié)點最多只能擁有兩個子節(jié)點。
- 節(jié)點的值滿足以下關系：左子節(jié)點 < 父節(jié)點 < 右子節(jié)點。
以下是樹節(jié)點的實現(xiàn)，與之前樹的實現(xiàn)類似，但會為左右子節(jié)點添加 getter 與 setter。請注意，實例中會保存父節(jié)點的引用，當添加新的子節(jié)點時，將更新（子節(jié)點中）父節(jié)點的引用。
const LEFT = 0; const RIGHT = 1; class TreeNode {constructor(value) {this.value = value;this.descendents = [];this.parent = null;//譯者注：原文并沒有以下兩個屬性，但不加上去話下文的實現(xiàn)會報錯this.newNode.isParentLeftChild = false;this.meta = {}; }get left() {return this.descendents[LEFT];}set left(node) {this.descendents[LEFT] = node;if (node) {node.parent = this;}}get right() {return this.descendents[RIGHT];}set right(node) {this.descendents[RIGHT] = node;if (node) {node.parent = this;}} } 復制代碼OK，現(xiàn)在已經(jīng)可以添加左右子節(jié)點。接下來將編寫 BST 類，使其滿足 左子節(jié)點 < 父節(jié)點 < 右子節(jié)點。
class BinarySearchTree {constructor() {this.root = null;this.size = 0;}add(value) { /* ... */ }find(value) { /* ... */ }remove(value) { /* ... */ }getMax() { /* ... */ }getMin() { /* ... */ } } 復制代碼下面先編寫插入新節(jié)點相關的的代碼。
BST 節(jié)點的插入
要將一個新的節(jié)點插入到二叉搜索樹中，我們需要以下三步：
讓我們通過以下例子來說明，樹中將依次插入30、40、10、15、12、50：
Inserting nodes on a Binary Search Tree (BST)代碼實現(xiàn)如下：
add(value) {const newNode = new TreeNode(value);if (this.root) {const { found, parent } = this.findNodeAndParent(value);if (found) { // duplicated: value already exist on the treefound.meta.multiplicity = (found.meta.multiplicity || 1) + 1;} else if (value < parent.value) {parent.left = newNode;//譯者注：原文并沒有這行代碼，但不加上去的話下文實現(xiàn)會報錯newNode.isParentLeftChild = true;} else {parent.right = newNode;}} else {this.root = newNode;}this.size += 1;return newNode; } 復制代碼我們使用了名為 findNodeAndParent 的輔助函數(shù)。如果（與新插入節(jié)點值相同的）節(jié)點已存在于樹中，則將節(jié)點統(tǒng)計重復的計數(shù)器加一。看看這個輔助函數(shù)該如何實現(xiàn)：
findNodeAndParent(value) {let node = this.root;let parent;while (node) {if (node.value === value) {break;}parent = node;node = ( value >= node.value) ? node.right : node.left;}return { found: node, parent }; } 復制代碼findNodeAndParent 沿著樹的結構搜索值。它從根節(jié)點出發(fā)，往左還是往右搜索取決于節(jié)點的值。如果已存在相同值的節(jié)點，函數(shù)返回找到的節(jié)點（即相同值的節(jié)點）與它的父節(jié)點。如果沒有相同值的節(jié)點，則返回最后找到的節(jié)點（即將變?yōu)樾虏迦牍?jié)點父節(jié)點的節(jié)點）。
BST 節(jié)點的刪除
我們已經(jīng)知道如何（在二叉搜索樹中）插入與查找值，現(xiàn)在將實現(xiàn)刪除操作。這比插入而言稍微麻煩一點，讓我們用下面的例子進行說明：
刪除葉節(jié)點（即沒有任何子節(jié)點的節(jié)點）
30 30/ \ remove(12) / \ 10 40 ---------> 10 40\ / \ \ / \15 35 50 15 35 50/ 12* 復制代碼只需要刪除父節(jié)點（即節(jié)點 #15）中保存著的 節(jié)點 #12 的引用即可。
刪除有一個子節(jié)點的節(jié)點
30 30/ \ remove(10) / \ 10* 40 ---------> 15 40\ / \ / \15 35 50 35 50 復制代碼在這種情況中，我們將父節(jié)點 #30 中保存著的子節(jié)點 #10 的引用，替換為子節(jié)點的子節(jié)點 #15 的引用。
刪除有兩個子節(jié)點的節(jié)點
30 30/ \ remove(40) / \ 15 40* ---------> 15 50/ \ /35 50 35 復制代碼待刪除的節(jié)點 #40 有兩個子節(jié)點（#35 與 #50）。我們將待刪除節(jié)點替換為節(jié)點 #50。待刪除的左子節(jié)點 #35 將在原位不動，但它的父節(jié)點已被替換。
另一個刪除節(jié)點 #40 的方式是：將左子節(jié)點 #35 移到節(jié)點 #40 的位置，右子節(jié)點位置保持不變。
30/ \ 15 35\50 復制代碼兩種形式都可以，這是因為它們都遵循了二叉搜索樹的原則：左子節(jié)點 < 父節(jié)點 < 右子節(jié)點。
刪除根節(jié)點
30* 50/ \ remove(30) / \ 15 50 ---------> 15 35/35 復制代碼刪除根節(jié)點與此前討論的機制情況差不多。唯一的區(qū)別是需要更新二叉搜索樹實例中根節(jié)點的引用。
以下的動畫是上述操作的具體展示：
Removing a node with 0, 1, 2 children from a binary search tree在動畫中，被移動的節(jié)點是左子節(jié)點或者左子樹，右子節(jié)點或右子樹位置保持不變。
關于刪除節(jié)點，已經(jīng)有了思路，讓我們來實現(xiàn)它吧：
remove(value) {const nodeToRemove = this.find(value);if (!nodeToRemove) return false;// Combine left and right children into one subtree without nodeToRemoveconst nodeToRemoveChildren = this.combineLeftIntoRightSubtree(nodeToRemove);if (nodeToRemove.meta.multiplicity && nodeToRemove.meta.multiplicity > 1) {nodeToRemove.meta.multiplicity -= 1; // handle duplicated} else if (nodeToRemove === this.root) {// Replace (root) node to delete with the combined subtree.this.root = nodeToRemoveChildren;this.root.parent = null; // clearing up old parent} else {const side = nodeToRemove.isParentLeftChild ? 'left' : 'right';const { parent } = nodeToRemove; // get parent// Replace node to delete with the combined subtree.parent[side] = nodeToRemoveChildren;}this.size -= 1;return true; } 復制代碼以下是實現(xiàn)中一些要注意的地方：
- 首先，搜索待刪除的節(jié)點是否存在。如果不存在，返回 false。
- 如果待刪除的節(jié)點存在，則將它的左子樹合并到右子樹中，組合為一顆新子樹。
- 替換待刪除的節(jié)點為組合好的子樹。
將左子樹組合到右子樹的函數(shù)如下：
combineLeftIntoRightSubtree(node) {if (node.right) {//譯者注：原文是 getLeftmost，尋找左子樹最大的節(jié)點，這肯定有問題，應該是找最小的節(jié)點才對const leftLeast = this.getLefLeast(node.right); leftLeast.left = node.left;return node.right;}return node.left; } 復制代碼正如下面例子所示，我們想把節(jié)點 #30 刪除，將待刪除節(jié)點的左子樹整合到右子樹中，結果如下：
30* 40/ \ / \ 10 40 combine(30) 35 50\ / \ -----------> /15 35 50 10\15 復制代碼現(xiàn)在把新的子樹的根節(jié)點作為整個二叉樹的根節(jié)點，節(jié)點 #30 將不復存在！
二叉樹的遍歷
根據(jù)遍歷的順序，二叉樹的遍歷有若干種形式：中序遍歷、先序遍歷與后序遍歷。同時，我們也可以使用在《初學者應該了解的數(shù)據(jù)結構： Graph》 (譯文一文中學到的 DFS 或 BFS 來遍歷整棵樹。以下是具體的實現(xiàn)：
中序遍歷（In-Order Traversal）
中序遍歷訪問節(jié)點的順序是：左子節(jié)點、節(jié)點本身、右子節(jié)點。
* inOrderTraversal(node = this.root) {if (node.left) { yield* this.inOrderTraversal(node.left); }yield node;if (node.right) { yield* this.inOrderTraversal(node.right); }} 復制代碼用以下這棵樹作為例子：
10/ \5 30/ / \4 15 40/ 3 復制代碼中序遍歷將按照以下順序輸出對應的值：3、4、5、10、15、30、40。也就是說，如果待遍歷的樹是一顆二叉搜索樹，那輸出值的順序將是升序的。
后序遍歷（Post-Order Traversal）
后序遍歷訪問節(jié)點的順序是：左子節(jié)點、右子節(jié)點、節(jié)點本身。
* postOrderTraversal(node = this.root) {if (node.left) { yield* this.postOrderTraversal(node.left); }if (node.right) { yield* this.postOrderTraversal(node.right); }yield node;} 復制代碼后序遍歷將按照以下順序輸出對應的值：3、4、5、15、40、30、10。
先序遍歷與 DFS（Pre-Order Traversal）
先序遍歷訪問節(jié)點的順序是：節(jié)點本身、左子節(jié)點、右子節(jié)點。
* preOrderTraversal(node = this.root) {yield node;if (node.left) { yield* this.preOrderTraversal(node.left); }if (node.right) { yield* this.preOrderTraversal(node.right); }} 復制代碼先序遍歷將按照以下順序輸出對應的值：10、5、4、3、30、15、40。與深度優(yōu)先搜索（DPS）的順序是一致的。
廣度優(yōu)先搜索 (BFS)
樹的 BFS 可以通過隊列來實現(xiàn)：
* bfs() {const queue = new Queue();queue.add(this.root);while (!queue.isEmpty()) {const node = queue.remove();yield node;node.descendents.forEach(child => queue.add(child));}} 復制代碼BFS 將按照以下順序輸出對應的值：10、5、30、4、15、40、3。
平衡樹 vs. 非平衡樹
目前，我們已經(jīng)討論了如何新增、刪除與查找元素。然而，我們并未談到（相關操作的）時間復雜度，先思考一下最壞的情況。
假設按升序添加數(shù)字：
Inserting values in ascending order in a Binary Search Tree樹的左側沒有任何節(jié)點！在這顆非平衡樹（ Non-balanced Tree）中進行查找元素并不比使用鏈表所花的時間短，都是 O(n)。 ?
在非平衡樹中查找元素，如同以逐頁翻看的方式在字典中尋找一個單詞。但如果樹是平衡的，將類似于對半翻開字典，視乎該頁的字母，選擇左半部分或右半部分繼續(xù)查找（對應的詞）。
需要找到一種方式使樹變得平衡！
如果樹是平衡的，查找元素不在需要遍歷全部元素，時間復雜度降為 O(log n)。讓我們探討一下平衡樹的意義。
Balanced vs unbalanced Tree如果在非平衡樹中尋找值為 7 的節(jié)點，就必須從節(jié)點 #1 往下直到節(jié)點 #7。然而在平衡樹中，我們依次訪問 #4、#6 后，下一個節(jié)點將到達 #7。隨著樹規(guī)模的增大，（非平衡樹的）表現(xiàn)會越來越糟糕。如果樹中有上百萬個節(jié)點，查找一個不存在的元素需要上百萬次訪問，而平衡樹中只要20次！這是天壤之別！
我們將在下一篇文章中通過自平衡樹來解決這個問題。
總結
我們討論了不少樹的基礎，以下是相關的總結：
- 樹是一種數(shù)據(jù)結構，它的節(jié)點有 0 個或多個子節(jié)點。
- 樹并不存在環(huán)，圖才存在。
- 在二叉樹中，每個節(jié)點最多只有兩個子節(jié)點。
- 當一顆二叉樹中，左子節(jié)點的值小于節(jié)點的值，而右子節(jié)點的值大于節(jié)點的值時，這顆樹被稱為二叉搜索樹。
- 可以通過先序、后續(xù)和中序的方式訪問一棵樹。
- 在非平衡樹中查找的時間復雜度是 O(n)。 ??
- 在平衡樹中查找的時間復雜度是 O(log n)。 ?
總結
以上是生活随笔為你收集整理的[译文] 初学者应该了解的数据结构： Tree的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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