7.1 Двоичное дерево¶
Двоичное дерево (binary tree) - это нелинейная структура данных, представляющая отношения порождения между "предками" и "потомками" и отражающая логику "разделения надвое". Подобно связному списку, базовой единицей двоичного дерева является узел; каждый узел содержит значение, ссылку на левого дочернего узла и ссылку на правого дочернего узла.
/* Структура узла двоичного дерева */
type TreeNode struct {
Val int
Left *TreeNode
Right *TreeNode
}
/* Конструктор */
func NewTreeNode(v int) *TreeNode {
return &TreeNode{
Left: nil, // Указатель на левого дочернего узла
Right: nil, // Указатель на правого дочернего узла
Val: v, // Значение узла
}
}
/* Класс узла двоичного дерева */
class TreeNode {
val; // Значение узла
left; // Указатель на левого дочернего узла
right; // Указатель на правого дочернего узла
constructor(val, left, right) {
this.val = val === undefined ? 0 : val;
this.left = left === undefined ? null : left;
this.right = right === undefined ? null : right;
}
}
/* Класс узла двоичного дерева */
class TreeNode {
val: number;
left: TreeNode | null;
right: TreeNode | null;
constructor(val?: number, left?: TreeNode | null, right?: TreeNode | null) {
this.val = val === undefined ? 0 : val; // Значение узла
this.left = left === undefined ? null : left; // Ссылка на левого дочернего узла
this.right = right === undefined ? null : right; // Ссылка на правого дочернего узла
}
}
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;
/* Структура узла двоичного дерева */
struct TreeNode {
val: i32, // Значение узла
left: Option<Rc<RefCell<TreeNode>>>, // Ссылка на левого дочернего узла
right: Option<Rc<RefCell<TreeNode>>>, // Ссылка на правого дочернего узла
}
impl TreeNode {
/* Конструктор */
fn new(val: i32) -> Rc<RefCell<Self>> {
Rc::new(RefCell::new(Self {
val,
left: None,
right: None
}))
}
}
/* Структура узла двоичного дерева */
typedef struct TreeNode {
int val; // Значение узла
int height; // Высота узла
struct TreeNode *left; // Указатель на левого дочернего узла
struct TreeNode *right; // Указатель на правого дочернего узла
} TreeNode;
/* Конструктор */
TreeNode *newTreeNode(int val) {
TreeNode *node;
node = (TreeNode *)malloc(sizeof(TreeNode));
node->val = val;
node->height = 0;
node->left = NULL;
node->right = NULL;
return node;
}
Каждый узел имеет две ссылки (указателя), которые соответственно указывают на левого дочернего узла (left-child node) и правого дочернего узла (right-child node); данный узел называется родительским узлом (parent node) для этих двух дочерних узлов. Если задан некоторый узел двоичного дерева, то дерево, образованное его левым дочерним узлом и всеми узлами ниже него, называется левым поддеревом (left subtree) этого узла; аналогично определяется правое поддерево (right subtree).
В двоичном дереве, кроме листовых узлов, все остальные узлы содержат дочерние узлы и непустые поддеревья. Как показано на рисунке 7-1, если рассматривать "узел 2" как родительский, то его левым и правым дочерними узлами будут "узел 4" и "узел 5"; левое поддерево - это "узел 4 и дерево ниже него", а правое поддерево - это "узел 5 и дерево ниже него".

Рисунок 7-1 Родительский узел, дочерние узлы и поддеревья
7.1.1 Распространенные термины двоичного дерева¶
Распространенные термины двоичного дерева показаны на рисунке 7-2.
- Корневой узел (root node): узел, расположенный на верхнем уровне двоичного дерева и не имеющий родительского узла.
- Листовой узел (leaf node): узел без дочерних узлов; оба его указателя направлены на
None. - Ребро (edge): отрезок, соединяющий два узла, то есть ссылка (указатель) между узлами.
- Уровень (level) узла: увеличивается сверху вниз; уровень корневого узла равен 1 .
- Степень (degree) узла: число дочерних узлов данного узла. В двоичном дереве возможны степени 0, 1, 2 .
- Высота (height) двоичного дерева: число ребер от корневого узла до самого удаленного листового узла.
- Глубина (depth) узла: число ребер от корневого узла до данного узла.
- Высота (height) узла: число ребер от самого удаленного листового узла до данного узла.

Рисунок 7-2 Распространенные термины двоичного дерева
Tip
Обрати внимание: обычно под "высотой" и "глубиной" понимают "число пройденных ребер", но в некоторых задачах или учебниках их могут определять как "число пройденных узлов". В таком случае и высоту, и глубину нужно увеличить на 1 .
7.1.2 Базовые операции двоичного дерева¶
1. Инициализация двоичного дерева¶
Как и в связном списке, сначала инициализируются узлы, а затем между ними строятся ссылки (указатели).
/* Инициализация двоичного дерева */
// Инициализация узлов
TreeNode* n1 = new TreeNode(1);
TreeNode* n2 = new TreeNode(2);
TreeNode* n3 = new TreeNode(3);
TreeNode* n4 = new TreeNode(4);
TreeNode* n5 = new TreeNode(5);
// Построение ссылок (указателей) между узлами
n1->left = n2;
n1->right = n3;
n2->left = n4;
n2->right = n5;
/* Инициализация двоичного дерева */
// Инициализация узлов
TreeNode n1 = new TreeNode(1);
TreeNode n2 = new TreeNode(2);
TreeNode n3 = new TreeNode(3);
TreeNode n4 = new TreeNode(4);
TreeNode n5 = new TreeNode(5);
// Построение ссылок (указателей) между узлами
n1.left = n2;
n1.right = n3;
n2.left = n4;
n2.right = n5;
// Инициализация узлов
let n1 = TreeNode::new(1);
let n2 = TreeNode::new(2);
let n3 = TreeNode::new(3);
let n4 = TreeNode::new(4);
let n5 = TreeNode::new(5);
// Построение ссылок (указателей) между узлами
n1.borrow_mut().left = Some(n2.clone());
n1.borrow_mut().right = Some(n3);
n2.borrow_mut().left = Some(n4);
n2.borrow_mut().right = Some(n5);
/* Инициализация двоичного дерева */
// Инициализация узлов
TreeNode *n1 = newTreeNode(1);
TreeNode *n2 = newTreeNode(2);
TreeNode *n3 = newTreeNode(3);
TreeNode *n4 = newTreeNode(4);
TreeNode *n5 = newTreeNode(5);
// Построение ссылок (указателей) между узлами
n1->left = n2;
n1->right = n3;
n2->left = n4;
n2->right = n5;
Визуализация выполнения
https://pythontutor.com/render.html#code=class%20TreeNode%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%20%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%3A%20int%20%3D%20val%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%D0%97%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.left%3A%20TreeNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%20%23%20%D0%A1%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B0%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BE%D1%87%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%B9%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.right%3A%20TreeNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%23%20%D0%A1%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B0%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BE%D1%87%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%B9%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%D0%98%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BE%0A%20%20%20%20%23%20%D0%98%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%20%20%20%20n1%20%3D%20TreeNode%28val%3D1%29%0A%20%20%20%20n2%20%3D%20TreeNode%28val%3D2%29%0A%20%20%20%20n3%20%3D%20TreeNode%28val%3D3%29%0A%20%20%20%20n4%20%3D%20TreeNode%28val%3D4%29%0A%20%20%20%20n5%20%3D%20TreeNode%28val%3D5%29%0A%20%20%20%20%23%20%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D1%81%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B8%20%D0%BC%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B8%20%28%D1%83%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8%29%0A%20%20%20%20n1.left%20%3D%20n2%0A%20%20%20%20n1.right%20%3D%20n3%0A%20%20%20%20n2.left%20%3D%20n4%0A%20%20%20%20n2.right%20%3D%20n5&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
2. Вставка и удаление узлов¶
Как и в связном списке, вставка и удаление узлов в двоичном дереве могут выполняться через изменение указателей. На рисунке 7-3 приведен пример.

Рисунок 7-3 Вставка и удаление узлов в двоичном дереве
Визуализация выполнения
https://pythontutor.com/render.html#code=class%20TreeNode%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%20%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%3A%20int%20%3D%20val%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%D0%97%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.left%3A%20TreeNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%20%23%20%D0%A1%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B0%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BE%D1%87%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%B9%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.right%3A%20TreeNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%23%20%D0%A1%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B0%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BE%D1%87%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%B9%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%D0%98%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BE%0A%20%20%20%20%23%20%D0%98%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%0A%20%20%20%20n1%20%3D%20TreeNode%28val%3D1%29%0A%20%20%20%20n2%20%3D%20TreeNode%28val%3D2%29%0A%20%20%20%20n3%20%3D%20TreeNode%28val%3D3%29%0A%20%20%20%20n4%20%3D%20TreeNode%28val%3D4%29%0A%20%20%20%20n5%20%3D%20TreeNode%28val%3D5%29%0A%20%20%20%20%23%20%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D1%81%D1%81%D1%8B%D0%BB%D0%BA%D0%B8%20%D0%BC%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B8%20%28%D1%83%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8%29%0A%20%20%20%20n1.left%20%3D%20n2%0A%20%20%20%20n1.right%20%3D%20n3%0A%20%20%20%20n2.left%20%3D%20n4%0A%20%20%20%20n2.right%20%3D%20n5%0A%0A%20%20%20%20%23%20%D0%92%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B0%20%D0%B8%20%D1%83%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%83%D0%B7%D0%BB%D0%BE%D0%B2%0A%20%20%20%20p%20%3D%20TreeNode%280%29%0A%20%20%20%20%23%20%D0%92%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%20P%20%D0%BC%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%20n1%20-%3E%20n2%0A%20%20%20%20n1.left%20%3D%20p%0A%20%20%20%20p.left%20%3D%20n2%0A%20%20%20%20%23%20%D0%A3%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%BB%20P%0A%20%20%20%20n1.left%20%3D%20n2&cumulative=false&curInstr=37&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
Tip
Обрати внимание: вставка узла может изменить исходную логическую структуру двоичного дерева, а удаление узла обычно означает удаление этого узла вместе со всеми его поддеревьями. Поэтому в двоичном дереве операции вставки и удаления обычно являются частью более крупного набора операций, который и реализует осмысленное действие.
7.1.3 Распространенные типы двоичных деревьев¶
1. Идеальное двоичное дерево¶
Как показано на рисунке 7-4, идеальное двоичное дерево (perfect binary tree) полностью заполнено на всех уровнях. В идеальном двоичном дереве степень листовых узлов равна \(0\) , а у всех остальных узлов степень равна \(2\) ; если высота дерева равна \(h\) , то общее число узлов равно \(2^{h+1} - 1\) , что образует стандартную экспоненциальную зависимость и отражает часто встречающееся в природе явление клеточного деления.
Tip
Обрати внимание: в китайскоязычном сообществе идеальное двоичное дерево часто называют полностью заполненным двоичным деревом.

Рисунок 7-4 Идеальное двоичное дерево
2. Полное двоичное дерево¶
Как показано на рисунке 7-5, полное двоичное дерево (complete binary tree) допускает неполное заполнение только на самом нижнем уровне, причем узлы этого уровня должны непрерывно заполняться слева направо. Обрати внимание: идеальное двоичное дерево тоже является полным двоичным деревом.

Рисунок 7-5 Полное двоичное дерево
3. Строгое двоичное дерево¶
Как показано на рисунке 7-6, строгое двоичное дерево (full binary tree) имеет у всех нелистовых узлов ровно двух дочерних узлов.

Рисунок 7-6 Строгое двоичное дерево
4. Сбалансированное двоичное дерево¶
Как показано на рисунке 7-7, в сбалансированном двоичном дереве (balanced binary tree) для любого узла абсолютное значение разности высот левого и правого поддеревьев не превышает 1 .

Рисунок 7-7 Сбалансированное двоичное дерево
7.1.4 Вырождение двоичного дерева¶
На рисунке 7-8 показаны идеальная структура двоичного дерева и вырожденная структура. Когда каждый уровень двоичного дерева полностью заполнен узлами, мы получаем "идеальное двоичное дерево"; когда же все узлы смещаются к одной стороне, двоичное дерево вырождается в "связный список".
- Идеальное двоичное дерево соответствует лучшему случаю и позволяет полностью раскрыть преимущества двоичного дерева с точки зрения "разделяй и властвуй".
- Связный список представляет противоположную крайность: все операции становятся линейными, а временная сложность деградирует до \(O(n)\) .

Рисунок 7-8 Лучший и худший случаи структуры двоичного дерева
Как показано в таблице 7-1, в лучшем и худшем случаях число листовых узлов, общее число узлов, высота и другие характеристики двоичного дерева достигают максимума или минимума.
Таблица 7-1 Лучший и худший случаи структуры двоичного дерева
| Идеальное двоичное дерево | Связный список | |
|---|---|---|
| Число узлов на уровне \(i\) | \(2^{i-1}\) | \(1\) |
| Число листьев у дерева высоты \(h\) | \(2^h\) | \(1\) |
| Общее число узлов у дерева высоты \(h\) | \(2^{h+1} - 1\) | \(h + 1\) |
| Высота дерева с \(n\) узлами | \(\log_2 (n+1) - 1\) | \(n - 1\) |