快速上手 C++ 数据结构与算法
王健伟
《C++ 新经典》系列作者,资深 C++ 讲师
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快速上手 C++ 数据结构与算法
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13|线索二叉树:如何线索化二叉树以提升访问速度?

你好,我是王健伟。
今天我要和你分享的主题是“线索二叉树”。
和传统二叉树相比,线索二叉树可以进一步提高访问二叉树节点的速度,从而提高访问二叉树的效率,当然,“线索”这个概念的引入也意味着要对原来的二叉树实现代码做出相应的修改。
那么,什么是线索?要怎么把传统二叉树转变为线索二叉树?带着这些问题,我们先从线索二叉树的概念开始说起,进而探讨如何对二叉树进行线索化,以及在线索二叉树上的操作问题。

线索二叉树的基本概念

我们先来看一个简单的二叉树链式存储。
图 1 二叉树链式存储方式的结构示意图
在图 1 所示二叉树的链式存储中,每个二叉树节点(BinaryTreeNode)都包含两个指针域,分别是左子节点指针(leftChild)和右子节点指针(rightChild)。但一个二叉树中往往某些节点并没有左孩子或者右孩子,尤其是叶子节点,根本就不存在左孩子和右孩子。
这张图里一共有 8 个节点,除了根节点外,都会有一根来自其他节点的指针指向该节点自身。仔细数下来,对于 8 个节点的 2 叉树,虽然一共有 16 个指针域,但实际使用了的只有 7 个。
总结一下,就是如果一个二叉树有 n 个节点,因为一个节点结构包含两个指针域,所以一共有 2n 个指针域,但是,其中只使用了 n-1 个指针域指向二叉树的各个子节点。
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线索二叉树是一种优化二叉树节点访问速度的数据结构,通过引入线索的概念,利用未使用的指针域记录节点的前趋和后继节点,提高了节点的访问效率。线索化过程中,修改二叉树节点的存储结构,将左右子节点指针转变为指向前趋和后继节点的线索,实现了对二叉树的线索化。线索二叉树的实现代码需要对节点结构进行相应修改,增加标志变量用于标记指针指向的是子节点还是线索节点。线索二叉树还分为前序、中序、后序和层序线索二叉树,适用于不同遍历序列。通过线索化,可以方便地进行节点的插入、删除、查找前趋后继等操作,同时解决了存储空间浪费和前趋后继节点记录的问题。线索二叉树通过巧妙地利用未使用的指针域,提高了对二叉树节点的访问效率,是一种值得探索和应用的数据结构。 在操作方面,对线索二叉树进行遍历时需要修改传统的递归遍历代码,以充分利用线索来增加遍历的效率。此外,对线索二叉树的节点进行查找时,需要根据不同遍历序列进行相应的改造,以实现对节点的查找、前趋和后继节点的获取。文章还提供了对中序、前序和后序遍历序列线索化的二叉树进行节点查找的代码示例,以及对后序遍历序列线索化的二叉树进行前趋和后继节点查找的代码示例。 总的来说,线索二叉树的意义在于充分利用线索简化二叉树的操作,便于查找节点的前趋和后继节点,从而加快整个二叉树的遍历速度。通过对未使用的指针域进行线索化,可以提高二叉树节点的访问效率,为数据结构的应用提供了新的可能性。

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  • 阿阳
    老师好,文章结尾有这样的提示: 对“前序遍历序列线索化的二叉树”,但因为找当前节点的前趋节点是无法做到的,因此进行前序逆向遍历是不行的。 为啥不能找到当前结点的前驱结点?我看源码上有GetPriorPoint_PO()方法,用来找前驱结点的。代码是作为作业完成的。前面的“操作 2:找线索二叉树中某个节点的前趋和后继节点”这一小节,还明确说了能实现这种方法。 请问老师,这种应该如何理解?
    2024-02-03归属地:江苏
  • 阿阳
    中序遍历线索化的二叉树,遍历的实现思路是,找到第一个结点、最后一个结点,在这两个操作的基础上,才能找到当前结点的后继结点和前驱结点,通过不断地向前或者向后,实现正向中序遍历和逆向中序遍历。能想出这种数据结构的科学家,真是让人叹为观止。 看到后面才知道,前续遍历线索化二叉树和后续遍历线索化二叉树,都有其局限性。 这一节课信息量太大了,看了两天,对树的递归遍历理解加深了许多。
    2024-02-03归属地:江苏
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