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2023-02-15 03:42:40 +08:00
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# 7.2. 二叉树遍历
非线性数据结构的遍历操作比线性数据结构更加复杂,往往需要使用搜索算法来实现。常见的二叉树遍历方式有层序遍历、前序遍历、中序遍历、后序遍历。
从物理结构角度看,树是一种基于链表的数据结构,因此遍历方式也是通过指针(即引用)逐个遍历结点。同时,树还是一种非线性数据结构,这导致遍历树比遍历链表更加复杂,需要使用搜索算法来实现。
常见的二叉树遍历方式有层序遍历、前序遍历、中序遍历、后序遍历。
## 7.2.1. 层序遍历
「层序遍历 Hierarchical-Order Traversal」从顶至底、一层一层地遍历二叉树并在每层中按照从左到右的顺序访问结点。
「层序遍历 Level-Order Traversal」从顶至底、一层一层地遍历二叉树并在每层中按照从左到右的顺序访问结点。
层序遍历本质上是「广度优先搜索 Breadth-First Traversal」其体现着一种“一圈一圈向外”的层进遍历方式。
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<p align="center"> Fig. 二叉树的层序遍历 </p>
### 算法实现
广度优先遍历一般借助「队列」来实现。队列的规则是“先进先出”,广度优先遍历的规则是 ”一层层平推“ ,两者背后的思想是一致的。
=== "Java"
```java title="binary_tree_bfs.java"
/* 层序遍历 */
List<Integer> hierOrder(TreeNode root) {
List<Integer> levelOrder(TreeNode root) {
// 初始化队列,加入根结点
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>() {{ add(root); }};
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
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```cpp title="binary_tree_bfs.cpp"
/* 层序遍历 */
vector<int> hierOrder(TreeNode* root) {
vector<int> levelOrder(TreeNode* root) {
// 初始化队列,加入根结点
queue<TreeNode*> queue;
queue.push(root);
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```python title="binary_tree_bfs.py"
""" 层序遍历 """
def hier_order(root: Optional[TreeNode]):
def level_order(root: Optional[TreeNode]):
# 初始化队列,加入根结点
queue = collections.deque()
queue.append(root)
@@ -86,7 +90,7 @@ comments: true
```go title="binary_tree_bfs.go"
/* 层序遍历 */
func hierOrder(root *TreeNode) []int {
func levelOrder(root *TreeNode) []int {
// 初始化队列,加入根结点
queue := list.New()
queue.PushBack(root)
@@ -114,7 +118,7 @@ comments: true
```javascript title="binary_tree_bfs.js"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root) {
function levelOrder(root) {
// 初始化队列,加入根结点
let queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
@@ -136,7 +140,7 @@ comments: true
```typescript title="binary_tree_bfs.ts"
/* 层序遍历 */
function hierOrder(root: TreeNode | null): number[] {
function levelOrder(root: TreeNode | null): number[] {
// 初始化队列,加入根结点
const queue = [root];
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
@@ -158,14 +162,14 @@ comments: true
=== "C"
```c title="binary_tree_bfs.c"
[class]{}-[func]{hierOrder}
[class]{}-[func]{levelOrder}
```
=== "C#"
```csharp title="binary_tree_bfs.cs"
/* 层序遍历 */
List<int> hierOrder(TreeNode root)
List<int> levelOrder(TreeNode root)
{
// 初始化队列,加入根结点
Queue<TreeNode> queue = new();
@@ -189,7 +193,7 @@ comments: true
```swift title="binary_tree_bfs.swift"
/* 层序遍历 */
func hierOrder(root: TreeNode) -> [Int] {
func levelOrder(root: TreeNode) -> [Int] {
// 初始化队列,加入根结点
var queue: [TreeNode] = [root]
// 初始化一个列表,用于保存遍历序列
@@ -212,7 +216,7 @@ comments: true
```zig title="binary_tree_bfs.zig"
// 层序遍历
fn hierOrder(comptime T: type, mem_allocator: std.mem.Allocator, root: *inc.TreeNode(T)) !std.ArrayList(T) {
fn levelOrder(comptime T: type, mem_allocator: std.mem.Allocator, root: *inc.TreeNode(T)) !std.ArrayList(T) {
// 初始化队列,加入根结点
const L = std.TailQueue(*inc.TreeNode(T));
var queue = L{};
@@ -240,6 +244,12 @@ comments: true
}
```
### 复杂度分析
**时间复杂度**:所有结点被访问一次,使用 $O(n)$ 时间,其中 $n$ 为结点数量。
**空间复杂度**:当为满二叉树时达到最差情况,遍历到最底层前,队列中最多同时存在 $\frac{n + 1}{2}$ 个结点,使用 $O(n)$ 空间。
## 7.2.2. 前序、中序、后序遍历
相对地,前、中、后序遍历皆属于「深度优先遍历 Depth-First Traversal」其体现着一种“先走到尽头再回头继续”的回溯遍历方式。
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</div>
### 算法实现
=== "Java"
```java title="binary_tree_dfs.java"
@@ -573,3 +585,9 @@ comments: true
!!! note
使用循环一样可以实现前、中、后序遍历,但代码相对繁琐,有兴趣的同学可以自行实现。
### 复杂度分析
**时间复杂度**:所有结点被访问一次,使用 $O(n)$ 时间,其中 $n$ 为结点数量。
**空间复杂度**:当树退化为链表时达到最差情况,递归深度达到 $n$ ,系统使用 $O(n)$ 栈帧空间。