6.6 KiB
二叉树数组表示
在链表表示下，二叉树的存储单元为节点 TreeNode ，节点之间通过指针相连接。在上节中，我们学习了在链表表示下的二叉树的各项基本操作。
那么，能否用「数组」来表示二叉树呢？答案是肯定的。
表示完美二叉树
先分析一个简单案例。给定一个完美二叉树，我们将所有节点按照层序遍历的顺序存储在一个数组中，则每个节点都对应唯一的数组索引。
根据层序遍历的特性，我们可以推导出父节点索引与子节点索引之间的“映射公式”：若节点的索引为 i ，则该节点的左子节点索引为 2i + 1 ，右子节点索引为 2i + 2 。
映射公式的角色相当于链表中的指针。给定数组中的任意一个节点，我们都可以通过映射公式来访问它的左（右）子节点。
表示任意二叉树
然而完美二叉树是一个特例，在二叉树的中间层，通常存在许多 \text{None} 。由于层序遍历序列并不包含这些 \text{None} ，因此我们无法仅凭该序列来推测 \text{None} 的数量和分布位置。这意味着存在多种二叉树结构都符合该层序遍历序列。显然在这种情况下，上述的数组表示方法已经失效。
为了解决此问题，我们可以考虑在层序遍历序列中显式地写出所有 \text{None} 。如下图所示，这样处理后，层序遍历序列就可以唯一表示二叉树了。
=== "Java"
```java title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int 的包装类 Integer ，就可以使用 null 来标记空位
Integer[] tree = { 1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15 };
```
=== "C++"
```cpp title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int 最大值 INT_MAX 标记空位
vector<int> tree = {1, 2, 3, 4, INT_MAX, 6, 7, 8, 9, INT_MAX, INT_MAX, 12, INT_MAX, INT_MAX, 15};
```
=== "Python"
```python title=""
# 二叉树的数组表示
# 使用 None 来表示空位
tree = [1, 2, 3, 4, None, 6, 7, 8, 9, None, None, 12, None, None, 15]
```
=== "Go"
```go title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 any 类型的切片, 就可以使用 nil 来标记空位
tree := []any{1, 2, 3, 4, nil, 6, 7, 8, 9, nil, nil, 12, nil, nil, 15}
```
=== "JavaScript"
```javascript title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 null 来表示空位
let tree = [1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15];
```
=== "TypeScript"
```typescript title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 null 来表示空位
let tree: (number | null)[] = [1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15];
```
=== "C"
```c title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int 最大值标记空位，因此要求节点值不能为 INT_MAX
int tree[] = {1, 2, 3, 4, INT_MAX, 6, 7, 8, 9, INT_MAX, INT_MAX, 12, INT_MAX, INT_MAX, 15};
```
=== "C#"
```csharp title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int? 可空类型 ，就可以使用 null 来标记空位
int?[] tree = { 1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15 };
```
=== "Swift"
```swift title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 Int? 可空类型 ，就可以使用 nil 来标记空位
let tree: [Int?] = [1, 2, 3, 4, nil, 6, 7, 8, 9, nil, nil, 12, nil, nil, 15]
```
=== "Zig"
```zig title=""
```
=== "Dart"
```dart title=""
/* 二叉树的数组表示 */
// 使用 int? 可空类型 ，就可以使用 null 来标记空位
List<int?> tree = [1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15];
```
=== "Rust"
```rust title=""
```
值得说明的是，完全二叉树非常适合使用数组来表示。回顾完全二叉树的定义，\text{None} 只出现在最底层且靠右的位置，因此所有 \text{None} 一定出现在层序遍历序列的末尾。这意味着使用数组表示完全二叉树时，可以省略存储所有 \text{None} ，非常方便。
如下代码给出了数组表示下的二叉树的简单实现，包括以下操作：
- 给定某节点，获取它的值、左（右）子节点、父节点。
- 获取前序遍历、中序遍历、后序遍历、层序遍历序列。
=== "Java"
```java title="array_binary_tree.java"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "C++"
```cpp title="array_binary_tree.cpp"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Python"
```python title="array_binary_tree.py"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Go"
```go title="array_binary_tree.go"
[class]{arrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "JavaScript"
```javascript title="array_binary_tree.js"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="array_binary_tree.ts"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "C"
```c title="array_binary_tree.c"
[class]{arrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "C#"
```csharp title="array_binary_tree.cs"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Swift"
```swift title="array_binary_tree.swift"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Zig"
```zig title="array_binary_tree.zig"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Dart"
```dart title="array_binary_tree.dart"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
=== "Rust"
```rust title="array_binary_tree.rs"
[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
```
优势与局限性
二叉树的数组表示的优点包括：
- 数组存储在连续的内存空间中，对缓存友好，访问与遍历速度较快。
- 不需要存储指针，比较节省空间。
- 允许随机访问节点。
然而，数组表示也具有一些局限性：
- 数组存储需要连续内存空间，因此不适合存储数据量过大的树。
- 增删节点需要通过数组插入与删除操作实现，效率较低。
- 当二叉树中存在大量
\text{None}时，数组中包含的节点数据比重较低，空间利用率较低。