Динамические структуры данных: бинарные деревья

Цель лекции: изучить понятие, формирование, особенности доступа к данным и работы с памятью в бинарных деревьях, научиться решать задачи с использованием рекурсивных функций и алгоритмов обхода бинарных деревьев в языке C++.

Дерево является одним из важнейших и интересных частных случаев графа. Древовидная модель оказывается довольно эффективной для представления динамических данных с целью быстрого поиска информации.

Деревья являются одними из наиболее широко распространенных структур данных в информатике и программировании, которые представляют собой иерархические структуры в виде набора связанных узлов.

Дерево – это структура данных, представляющая собой совокупность элементов и отношений, образующих иерархическую структуру этих элементов (рис. 31.1). Каждый элемент дерева называется вершиной (узлом) дерева. Вершины дерева соединены направленными дугами, которые называют ветвями дерева. Начальный узел дерева называют корнем дерева, ему соответствует нулевой уровень. Листьями дерева называют вершины, в которые входит одна ветвь и не выходит ни одной ветви.

Каждое дерево обладает следующими свойствами:

1. существует узел, в который не входит ни одной дуги (корень);
2. в каждую вершину, кроме корня, входит одна дуга.

Деревья особенно часто используют на практике при изображении различных иерархий. Например, популярны генеалогические деревья.

Рис. 31.1. Дерево

Все вершины, в которые входят ветви, исходящие из одной общей вершины, называются потомками, а сама вершина – предком. Для каждого предка может быть выделено несколько. Уровень потомка на единицу превосходит уровень его предка. Корень дерева не имеет предка, а листья дерева не имеют потомков.

Высота (глубина) дерева определяется количеством уровней, на которых располагаются его вершины. Высота пустого дерева равна нулю, высота дерева из одного корня – единице. На первом уровне дерева может быть только одна вершина – корень дерева, на втором – потомки корня дерева, на третьем – потомки потомков корня дерева и т.д.

Поддерево – часть древообразной структуры данных, которая может быть представлена в виде отдельного дерева.

Степенью вершины в дереве называется количество дуг, которое из нее выходит. Степень дерева равна максимальной степени вершины, входящей в дерево. При этом листьями в дереве являются вершины, имеющие степень нуль. По величине степени дерева различают два типа деревьев:

• двоичные – степень дерева не более двух;
• сильноветвящиеся – степень дерева произвольная.

Упорядоченное дерево – это дерево, у которого ветви, исходящие из каждой вершины, упорядочены по определенному критерию.

Деревья являются рекурсивными структурами, так как каждое поддерево также является деревом. Таким образом, дерево можно определить как рекурсивную структуру, в которой каждый элемент является:

• либо пустой структурой;
• либо элементом, с которым связано конечное число поддеревьев.

Действия с рекурсивными структурами удобнее всего описываются с помощью рекурсивных алгоритмов.

Списочное представление деревьев основано на элементах, соответствующих вершинам дерева. Каждый элемент имеет поле данных и два поля указателей: указатель на начало списка потомков вершины и указатель на следующий элемент в списке потомков текущего уровня. При таком способе представления дерева обязательно следует сохранять указатель на вершину, являющуюся корнем дерева.

Для того, чтобы выполнить определенную операцию над всеми вершинами дерева необходимо все его вершины просмотреть. Такая задача называется обходом дерева.

Обход дерева – это упорядоченная последовательность вершин дерева, в которой каждая вершина встречается только один раз.

При обходе все вершины дерева должны посещаться в определенном порядке. Существует несколько способов обхода всех вершин дерева. Выделим три наиболее часто используемых способа обхода дерева (рис. 31.2):

• прямой;
• симметричный;
• обратный.

Рис. 31.2. Обходы деревьев

Существует большое многообразие древовидных структур данных. Выделим самые распространенные из них: бинарные (двоичные) деревья, красно-черные деревья, В-деревья, АВЛ-деревья, матричные деревья, смешанные деревья и т.д.

Бинарные деревья

Бинарные деревья являются деревьями со степенью не более двух.

Бинарное (двоичное) дерево – это динамическая структура данных, представляющее собой дерево, в котором каждая вершина имеет не более двух потомков (рис. 31.3). Таким образом, бинарное дерево состоит из элементов, каждый из которых содержит информационное поле и не более двух ссылок на различные бинарные поддеревья. На каждый элемент дерева имеется ровно одна ссылка.

Рис. 31.3. Бинарное дерево и его организация

Каждая вершина бинарного дерева является структурой, состоящей из четырех видов полей. Содержимым этих полей будут соответственно:

• информационное поле (ключ вершины);
• служебное поле (их может быть несколько или ни одного);
• указатель на левое поддерево;
• указатель на правое поддерево.

По степени вершин бинарные деревья делятся на (рис. 31.4):

Рис. 31.4.

• строгие – вершины дерева имеют степень ноль (у листьев) или два (у узлов);
• нестрогие – вершины дерева имеют степень ноль (у листьев), один или два (у узлов).

В общем случае у бинарного дерева на k -м уровне может быть до 2^k-1 вершин. Бинарное дерево называется полным, если оно содержит только полностью заполненные уровни. В противном случае оно является неполным.

Дерево называется сбалансированным, если длины всех путей от корня к внешним вершинам равны между собой. Дерево называется почти сбалансированным, если длины всевозможных путей от корня к внешним вершинам отличаются не более, чем на единицу.

Бинарное дерево может представлять собой пустое множество. Бинарное дерево может выродиться в список (рис. 31.5).

Рис. 31.5. Список как частный случай бинарного дерева

Структура дерева отражается во входном потоке данных так: каждой вводимой пустой связи соответствует условный символ, например, '*' (звездочка). При этом сначала описываются левые потомки, затем, правые. Для структуры бинарного дерева, представленного на следующем рисунке 6, входной поток имеет вид: ABD*G***CE**FH**J**.

Рис. 31.6. Адресация в бинарном дереве

Бинарные деревья могут применяться для поиска данных в специально построенных деревьях (базы данных), сортировки данных, вычислений арифметических выражений, кодирования (метод Хаффмана) и т.д.

Описание бинарного дерева выглядит следующим образом:

struct имя_типа { информационное поле; [служебное поле;] адрес левого поддерева; адрес правого поддерева; };

где информационное поле – это поле любого ранее объявленного или стандартного типа;

адрес левого (правого) поддерева – это указатель на объект того же типа, что и определяемая структура, в него записывается адрес следующего элемента левого (правого) поддерева.

Например:

struct point { int data;//информационное поле int count; //служебное поле point *left;//адрес левого поддерева point *right;//адрес правого поддерева };

Основными операциями, осуществляемыми с бинарными деревьями, являются:

• создание бинарного дерева;
• печать бинарного дерева;
• обход бинарного дерева;
• вставка элемента в бинарное дерево;
• удаление элемента из бинарного дерева;
• проверка пустоты бинарного дерева;
• удаление бинарного дерева.

Для описания алгоритмов этих основных операций используется следующее объявление:

struct BinaryTree{ int Data; //поле данных BinaryTree* Left; //указатель на левый потомок BinaryTree* Right; /указатель на правый потомок};.......... BinaryTree* BTree = NULL;

Приведем функции перечисленных основных операций при работе с бинарным деревом.

//создание бинарного дереваvoid Make_Binary_Tree(BinaryTree** Node, int n){ BinaryTree** ptr;//вспомогательный указатель srand(time(NULL)*1000); while (n > 0) { ptr = Node; while (*ptr!= NULL) { if ((double) rand()/RAND_MAX < 0.5) ptr = &((*ptr)->Left); else ptr = &((*ptr)->Right); } (*ptr) = new BinaryTree(); cout << "Введите значение "; cin >> (*ptr)->Data; n--; }} //печать бинарного дереваvoid Print_BinaryTree(BinaryTree* Node, int l){ int i; if (Node!= NULL) { Print_BinaryTree(Node->Right, l+1); for (i=0; i< l; i++) cout << " "; printf ("%4ld", Node->Data); Print_BinaryTree(Node->Left, l+1); } else cout << endl;} //прямой обход бинарного дереваvoid PreOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node){ if (Node!= NULL) { printf ("%3ld",Node->Data); PreOrder_BinaryTree(Node->Left); PreOrder_BinaryTree(Node->Right); }} //обратный обход бинарного дереваvoid PostOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node){ if (Node!= NULL) { PostOrder_BinaryTree(Node->Left); PostOrder_BinaryTree(Node->Right); printf ("%3ld",Node->Data); }} //симметричный обход бинарного дереваvoid SymmetricOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node){ if (Node!= NULL) { PostOrder_BinaryTree(Node->Left); printf ("%3ld",Node->Data); PostOrder_BinaryTree(Node->Right); }} //вставка вершины в бинарное деревоvoid Insert_Node_BinaryTree(BinaryTree** Node,int Data) { BinaryTree* New_Node = new BinaryTree; New_Node->Data = Data; New_Node->Left = NULL; New_Node->Right = NULL; BinaryTree** ptr = Node;//вспомогательный указатель srand(time(NULL)*1000); while (*ptr!= NULL) { double q = (double) rand()/RAND_MAX; if (q < 1/3.0) ptr = &((*ptr)->Left); else if (q > 2/3.0) ptr = &((*ptr)->Right); else break; } if (*ptr!= NULL) { if ((double) rand()/RAND_MAX < 0.5) New_Node->Left = *ptr; else New_Node->Right = *ptr; *ptr = New_Node; } else{ *ptr = New_Node; }} //удаление вершины из бинарного дереваvoid Delete_Node_BinaryTree(BinaryTree** Node,int Data){ if ((*Node)!= NULL){ if ((*Node)->Data == Data){ BinaryTree* ptr = (*Node); if ((*Node)->Left == NULL && (*Node)->Right == NULL) (*Node) = NULL; else if ((*Node)->Left == NULL) (*Node) = ptr->Right; else if ((*Node)->Right == NULL) (*Node) = ptr->Left; else { (*Node) = ptr->Right; BinaryTree ** ptr1; ptr1 = Node; while (*ptr1!= NULL) ptr1 = &((*ptr1)->Left); (*ptr1) = ptr->Left; } delete(ptr); Delete_Node_BinaryTree(Node,Data); } else { Delete_Node_BinaryTree(&((*Node)->Left),Data); Delete_Node_BinaryTree(&((*Node)->Right),Data); } }} //проверка пустоты бинарного дереваbool Empty_BinaryTree(BinaryTree* Node){ return (Node == NULL? true: false);} //освобождение памяти, выделенной под бинарное деревоvoid Delete_BinaryTree(BinaryTree* Node){ if (Node!= NULL) { Delete_BinaryTree(Node->Left); Delete_BinaryTree(Node->Right); delete(Node); }}

 

Ключевые термины

Бинарное (двоичное) дерево – это дерево, в котором каждая вершина имеет не более двух потомков.

Вершина (узел) дерева – это каждый элемент дерева.

Ветви дерева – это направленные дуги, которыми соединены вершины дерева.

Высота (глубина) дерева – это количество уровней, на которых располагаются его вершины.

Дерево – это структура данных, представляющая собой совокупность элементов и отношений, образующих иерархическую структуру этих элементов.

Корень дерева – это начальный узел дерева, ему соответствует нулевой уровень.

Листья дерева – это вершины, в которые входит одна ветвь и не выходит ни одной ветви.

Неполное бинарное дерево – это дерево, уровни которого заполнены не полностью.

Нестрогое бинарное дерево – это дерево, у которого вершины имеют степень ноль (у листьев), один или два (у узлов).

Обход дерева – это упорядоченная последовательность вершин дерева, в которой каждая вершина встречается только один раз.

Поддерево – это часть древообразной структуры данных, которая может быть представлена в виде отдельного дерева.

Полное бинарное дерево – это дерево, которое содержит только полностью заполненные уровни.

Потомки – это все вершины, в которые входят ветви, исходящие из одной общей вершины.

Почти сбалансированное дерево – это дерево, у которого длины всевозможных путей от корня к внешним вершинам отличаются не более, чем на единицу.

Предок – это вершина, из которой исходят ветви к вершинам следующего уровня.

Сбалансированное дерево – это дерево, у которого длины всех путей от корня к внешним вершинам равны между собой.

Степень вершины – это количество дуг, которое выходит из этой вершины.

Степень дерева – это максимальная степень вершин, входящих в дерево.

Строгое бинарное дерево – это дерево, у которого вершины имеют степень ноль (у листьев) или два (у узлов).

Упорядоченное дерево – это дерево, у которого ветви, исходящие из каждой вершины, упорядочены по определенному критерию.

Уровень вершины – это количество дуг от корня дерева до вершины.

Краткие итоги