1. Add array representation of binary tree.

2. Update the LEGO example.
3. Update headers of the Python files.
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Yudong Jin
2022-12-23 00:44:40 +08:00
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| 树的结点总数为 $n$ 时的高度 | $\log_2 (n+1) - 1$ | $n - 1$ |
</div>
## 二叉树表示方式 *
我们一般使用二叉树的「链表表示」,即存储单位为结点 `TreeNode` ,结点之间通过指针(引用)相连接。本文前述示例代码展示了二叉树在链表表示下的各项基本操作。
那能否可以用「数组表示」二叉树呢?答案是肯定的。先来分析一个简单案例,给定一个「完美二叉树」,将结点按照层序遍历的顺序编号(从 0 开始),那么可以推导得出父结点索引与子结点索引之间的「映射公式」:**设结点的索引为 $i$ ,则该结点的左子结点索引为 $2i + 1$ 、右子结点索引为 $2i + 2$** 。
**本质上,映射公式的作用就是链表中的指针**。对于层序遍历序列中的任意结点,我们都可以使用映射公式来访问子结点。因此,可以直接使用层序遍历序列(即数组)来表示完美二叉树。
![array_representation_mapping](binary_tree.assets/array_representation_mapping.png)
然而,完美二叉树只是个例,二叉树中间层往往存在许多空结点(即 `null` ),而层序遍历序列并不包含这些空结点,并且我们无法单凭序列来猜测空结点的数量和分布位置,**即理论上存在许多种二叉树都符合该层序遍历序列**。显然,这种情况无法使用数组来存储二叉树。
![array_representation_without_empty](binary_tree.assets/array_representation_without_empty.png)
为了解决此问题,考虑按照完美二叉树的形式来表示所有二叉树,**即在序列中使用特殊符号来显式地表示“空位”**。如下图所示,这样处理后,序列(数组)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 */
// 为了符合数据类型为 int ,使用 int 最大值标记空位
// 该方法的使用前提是没有结点的值 = INT_MAX
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 ”“”
# 直接使用 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=""
```
=== "JavaScript"
```js title=""
```
=== "TypeScript"
```typescript title=""
```
=== "C"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title=""
```
![array_representation_with_empty](binary_tree.assets/array_representation_with_empty.png)
回顾「完全二叉树」的满足条件,其只有最底层有空结点,并且最底层的结点尽量靠左,因而所有空结点都一定出现在层序遍历序列的末尾。**因为我们先验地确定了空位的位置,所以在使用数组表示完全二叉树时,可以省略存储“空位”**。“便于使用数组表示”也是完全二叉树受欢迎的原因之一。
![array_representation_complete_binary_tree](binary_tree.assets/array_representation_complete_binary_tree.png)
数组表示有两个优点: 一是不需要存储指针,节省空间;二是可以随机访问结点。然而,当二叉树中的“空位”很多时,数组中只包含很少结点的数据,空间利用率很低。