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树(Tree)
树是一种数据结构,包含n(n≥0)个结点的有限集,具有以下特点:
每个元素称为结点(Node)。 有一个特定的结点被称为根结点(Root)。 除根结点外的其他元素被分为m(m≥0)个互不相交的集合,每个集合本身也是一棵树,被称为子树(Subtree)。 树可以看作是层次化的结构,根结点在最上一层,其子节点占据下一层,依此类推。每个结点可以有任意多个子节点,但只能有一个父节点。
树的度(Degree)
度被定义为两种方式:
节点的度:每个结点拥有的子树数或后继结点数。 树的度:树中所有结点的度的最大值。 例如,图中结点C的度为3,结点B的度为2,整棵树的度为3。
树的基本概念
分支节点(Internal Node)和叶子节点(Leaf Node):
孩子节点(Child Node)和双亲结点(Parent Node):
- 子节点由父节点和父节点的子树根决定。
- 兄弟节点由同一父节点的多个子节点构成。
层数和树的深度(Depth):
有序树(Ordered Tree)和无序树(Unordered Tree):
二叉树(Binary Tree)
二叉树是树的扩展,定义为:
- 包含n(n≥0)个结点的有限集合。
- 由一个根节点和两棵互不相交的左子树和右子树构成。
二叉树的特点
每个节点最多有两个子树。 二叉树是有序的。 二叉树的种类
满二叉树(Full Binary Tree):
完全二叉树(Complete Binary Tree):
平衡二叉树(AVL Tree):
- 高度平衡,任何根节点的左子树和右子树高度差不超过1。
红黑树(Red-Black Tree):
- 自平衡二叉查找树,通过颜色属性(红色或黑色)实现平衡。
B树(B-Tree)
B树是多路平衡查找树,用于存储和检索数据,支持O(log n)时间复杂度的查找、插入和删除。
B树的定义(m阶B树)
每个结点至多有m个子树。 非叶节点至少有两个子树。 非根节点至少有ceil(m/2)个子树。 叶子节点位于同一层,结构如图所示。 B树的优势
- 高效分页,减少磁盘I/O操作。
- 适合存储大量数据,如数据库和文件系统。
B+树(B+ Tree)
B+树是B树的变体,用于范围查询,特点:
- 非叶节点不存储值,只存储索引。
- 叶子节点通过链连接,支持批量读取。
B+树与B树的区别
B+树内部节点不存储值,唯一叶子节点处保留一部分值。 树的高度更矮,更适合范围查询。 B+树的优势
数据库中的选择
- B+树在数据库中广泛应用,因为其支持快速范围查询和全数据遍历。
- B树适合随机访问和插入操作。
总结
树数据结构为计算机科学提供了基础框架,二叉树和B/B+树是其重要的扩展,广泛应用于数据库和文件系统中。理解这些结构是掌握数据管理基础的关键。
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