ทรี หรือโครงสร้างข้อมูลแบบต้นไม้ ประกอบด้วยโหนด (node) ซึ่งเป็นส่วนที่เก็บข้อมูล ในทรีหนึ่งทรีจะประกอบไปด้วยรูทโหนด (root node) เพียงหนึ่งโหนด แล้วรูทโหนดสามารถแตกโหนดออกเป็นโหนดย่อยๆ ได้อีกหลายโหนดเรียกว่าโหนดลูก (Child node) เมื่อมีโหนดลูกแล้ว โหนดลูกก็ยังสามารถแสดงเป็นโหนดพ่อแม่ (Parent Node) โดยการแตกโหนดออกเป็นโหนดย่อยๆได้อีก
โดยทั่วไปแต่ละโหนดในทรีจะมีความสัมพันธ์กับโหนดในระดับที่ต่ำลงมาหนึ่งระดับได้หลาย ๆ โหนด
หรืออาจกล่าวได้ว่าแต่ละโหนดของทรีเป็น
โหนดแม่ (parent or mother node) ของโหนดลูก (child or son node)
ซึ่งเป็นโหนดที่อยู่ในระดับต่ำลงมาหนึ่งระดับโดยสามารถมีโหนดลูกได้หลาย ๆ โหนด
และโหนดต่าง ๆ ที่มีโหนดแม่เป็นโหนดเดียวกันเรียกว่า โหนดพี่น้อง (siblings)
ทุก ๆ โหนดต้องมีโหนดแม่เสมอยกเว้นโหนดในระดับสูงสุดไม่มีโหนดแม่เรียกโหนดนี้ว่า
โหนดราก (root node) โหนดที่ไม่มีโหนดลูกเลยเรียกว่า โหนดใบ (leave node)
และเส้นเชื่อมแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโหนดสองโหนดเรียกว่า กิ่ง (branch)
Binary Tree
Binary Tree มีลักษณะเหมือนกับ Tree ปกติแต่มีคุณสมบัติพิเศษ คือ “แต่ละโหนดจะมีโหนดลูกได้ไม่เกิน 2 โหนด”
หรือพูดอีกนัยหนึ่งก็คือ แต่ละโหนดใน binary tree จะมีดีกรีได้ไม่เกิน 2
ตัวอย่าง binary tree
นิยามของทรี
นิยามทรีมีนิยามในรูปแบบต่าง ๆ กัน เช่น นิยามทรีในรูปแบบนิยามของกราฟ นิยามทรีในรูปแบบรีเคอร์ซีฟ และมีนิยามต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับทรีดังนี้
นิยามทรีด้วยนิยามของกราฟ เนื่องจากรูปแบบของทรี เป็นรูปแบบเฉพาะอย่างหนึ่งของกราฟ (graph)
ทรี คือกราฟที่ต่อเนื่องกันโดยไม่มีวงจรปิด (loop) ในโครงสร้าง นั่นคือทรีจะต้องมีคุณสมบัติดังนี้
(1) โหนดสองโหนดใด ๆ ในทรีต้องมีทางติดต่อกันทางเดียวเท่านั้น
(2) ทรีที่มี N โหนด ต้องมีกิ่งทั้งหมด N-1 เส้น
นิยามทรีด้วยรูปแบบรีเคอร์ซีฟ
การกำหนดนิยามของ ทรีอาจกำหนดได้อีกวิธีหนึ่งเป็นการนิยามแบบรีเคอร์ซีฟ คือ ทรีประกอบด้วยสมาชิกที่เรียกว่า โหนด โดยที่
(1) ว่าง ไม่มีโหนดเลยเรียกว่า นัลทรี (null tree)
(2) มีโหนดหนึ่งเป็นโหนดราก ส่วนที่เหลือแบ่งเป็นทรีย่อย (sub tree) T1, T2, T3, ... , Tk (โดยที่ k³0) และทรีย่อยต้องมีคุณสมบัติเป็นทรี
นิยามที่เกี่ยวข้องกับทรี มีนิยามต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ ทรีมากมายดังต่อไปนี้
(1) ฟอร์เรสต์ (forest) หมายถึงกลุ่มของทรีที่เกิดจากการเอาโหนดรากของทรีออก หรือเซตของทรีที่แยกจากกัน (disjoint trees)
(2) ทรีที่มีแบบแผน (ordered tree) หมายถึงทรีที่โหนดต่าง ๆ ในทรีนั้นมีความสัมพันธ์ที่แน่นอน เช่น ก่อน ไปทางขวา ไปทางซ้าย เป็นต้น
(3) ทรีคล้าย (similar tree) คือ ทรีที่มีโครงสร้างเหมือนกัน หรือทรีที่มีรูปร่างของทรีเหมือนกันนั่นเองโดยไม่คำนึงถึงข้อมูลที่อยู่ในแต่ละโหนด
(4) ทรีเหมือน (equivalent tree) หมายถึงทรีที่เหมือนกันโดยสมบูรณ์ (equivalence) โดยต้องเป็นทรีที่คล้ายกันและแต่ละโหนดในตำแหน่งเดียวกันมีข้อมูลเหมือนกัน
(5) กำลัง (degree) หมายถึง จำนวนทรีย่อยของโหนดนั้น ๆ
(6) ระดับของโหนด (level of node) คือ ระยะทางในแนวดิ่งของโหนดนั้น ๆ ที่อยู่ห่างจากโหนดราก เมื่อกำหนดให้โหนดรากของทรีนั้นอยู่ที่ระดับ 1 และกิ่งแต่ละกิ่งมีความเท่ากันหมดคือยาวเท่ากับ 1 หน่วย ซึ่งระดับของโหนดจะเท่ากับจำนวนกิ่งที่น้อยที่สุดจากโหนดรากไปยังโหนดใด ๆ บวกด้วย 1
การแทนที่ทรีในความจำหลัก
การแทนที่โครงสร้างข้อมูลแบบทรีในความจำหลักสามารถแทนที่แบบสแตติก หรือแบบไดนามิกก็ได้ โดยมีพอยน์เตอร์เชื่อมโยงจากโหนดแม่ไปยังโหนดลูก แต่ละโหนดต้องมีลิงค์ฟิลด์หลายลิงค์ฟิลด์เพื่อเก็บที่อยู่ของโหนดลูกต่าง ๆ นั่นคือ จำนวนลิงค์ฟิลด์ของแต่ละโหนดขึ้นอยู่กับจำนวนของโหนดลูก การแทนที่ทรีซึ่งแต่ละโหนดมีจำนวนลิงค์ฟิลด์ไม่เท่ากัน ทำให้ยากต่อการปฏิบัติการเป็นอย่างยิ่ง มีวิธีการแทนที่ทรีในหน่วยความจำหลายวิธี วิธีที่ง่ายที่สุดคือทำให้แต่ละโหนดมีจำนวนลิงค์ฟิลด์เท่ากัน โดยอาจจะใช้วิธีการต่อไปนี้
แต่ละโหนดเก็บพอยน์เตอร์ชี้ไปยังโหนดลูกทุกโหนด
การแทนที่ทรีในหน่วยความจำวิธีนี้ จะให้จำนวนฟิลด์ในแต่ละโหนดเท่ากัน โดยกำหนดจำนวนลิงค์ฟิลด์ทุกโหนดมีขนาดเท่ากับจำนวนโหนดลูกของโหนดที่มีลูกมากที่สุด โหนดใดไม่มีโหนดลูกก็ให้ค่าพอยน์เตอร์ในลิงค์ฟิลด์นั้น ๆ มีค่าเป็นนัล โดยให้ลิงค์ฟิลด์แรกเก็บค่าพอยน์เตอร์ชี้ไปยังโหนดลูกลำดับที่หนึ่ง ลิงค์ฟิลด์ที่สองเก็บค่าพอยน์เตอร์ชี้ไปยังโหนดลูกในลำดับที่สอง และลิงค์ฟิลด์อื่นเก็บค่าพอยน์เตอร์ของโหนดลูกในลำดับถัดไปเรื่อย ๆ
การแทนทรีด้วยโหนดขนาดเท่ากันค่อนข้างใช้เนื้อที่จำนวนมาก เนื่องจากแต่ละโหนดมีจำนวนโหนดลูกไม่เท่ากันหรือบางโหนดไม่มีโหนดลูกเลย ถ้าเป็นทรีที่แต่ละโหนดมีจำนวนโหนดลูกที่แตกต่างกันมาก เช่น ทรีที่มีบางโหนดมีจำนวนโหนดลูกสูงสุดเป็น 15 โหนด ในขณะที่โหนดอื่น ๆ ส่วนใหญ่มีจำนวนโหนดลูกแค่ 1 ถึง 2 โหนดเท่านั้น เราจะต้องกำหนดให้แต่ละโหนดมีลิงค์ฟิลด์ทั้งหมดเป็น 15 ลิงค์ฟิลด์ ทั้ง ๆ ที่ลิงค์ฟิลด์ส่วนใหญ่มีค่าเป็นนัล ทำให้ลิงค์ฟิลด์บางลิงค์ฟิลด์ไม่ได้ใช้ประโยชน์เลย เป็นการสิ้นเปลืองเนื้อที่ในหน่วยความจำโดยเปล่าประโยชน์
แทนทรีด้วยไบนารีทรี
วิธีแก้ปัญหาเพื่อลดการสิ้นเปลืองเนื้อที่ในหน่วยความจำก็คือกำหนดลิงค์ฟิลด์ให้มีจำนวนน้อยที่สุดเท่าที่จำเป็นเท่านั้น ถ้ากำหนดให้แต่ละโหนดมีจำนวนลิงค์ฟิลด์สองลิงค์ฟิลด์ โดยให้ลิงค์ฟิลด์แรกเก็บที่อยู่ของโหนดลูกคนโต และลิงค์ฟิลด์ที่สองเก็บที่อยู่ของโหนดพี่น้องที่เป็นโหนดถัดไป โหนดใดไม่มีโหนดลูกหรือไม่มีโหนดพี่น้องให้ค่าพอยน์เตอร์ในลิงค์ฟิลด์มีค่าเป็นนัล
การแปลงทรีทั่วไปให้เป็นไบนารีทรี
ขั้นตอนการแปลงทรีทั่ว ๆ ไปให้เป็นไบนารีทรี ที่ความสัมพันธ์ของการจัดเก็บเหมือนกับที่กล่าวมาแล้วข้างต้นในทรีรูปที่ 7.14 นั่นคือแต่ละโหนดมี 2 ลิงค์ฟิลด์ ค่าพอยน์เตอร์ในลิงค์ฟิลด์แรกเก็บที่อยู่ของโหนดลูกคนโต และค่าพอยน์เตอร์ในลิงค์ฟิลด์ที่สองเก็บที่อยู่ของโหนดพี่น้องคนถัดไป มีลำดับขั้นตอนการแปลงดังต่อไปนี้
(1) ให้โหนดแม่ชี้ไปยังโหนดลูกคนโต แล้วลบความสัมพันธ์ระหว่างโหนดแม่และโหนดลูกอื่น ๆ
(2) ให้เชื่อมความสัมพันธ์ระหว่างโหนดพี่น้อง
(3) จับให้ทรีย่อยทางขวาเอียงลงมา 45 องศา
การท่องไปในไบนารีทรี
ปฏิบัติการที่สำคัญในไบนารีทรี คือ การท่องไปในไบนารีทรี (traversing binary tree) เพื่อเข้าไปเยือนทุก ๆ โหนดในทรี ซึ่งวิธีการท่องเข้าไปต้องเป็นไปอย่างมีระบบแบบแผน สามารถเยือนโหนดทุก ๆ โหนด ๆ ละหนึ่งครั้ง วิธีการท่องไปนั้นมีด้วยกันหลายแบบแล้วแต่ว่าต้องการลำดับขั้นตอนการเยือนอย่างไรในการเยือนแต่ละครั้ง โหนดที่ถูกเยือนอาจเป็นโหนดแม่ (แทนด้วย N) ทรีย่อยทางซ้าย (แทนด้วย L) หรือทรีย่อยทางขวา (แทนด้วย R) มีวิธีการท่องเข้าไปในทรี 6 วิธี คือ
การท่องไปแบบพรีออร์เดอร์ (preorder traversal)
เป็นการเดินเข้าไปเยือนโหนดต่าง ๆ ในทรีด้วยวิธี NLR มีขั้นตอนการเดินดังต่อไปนี้
(1) เยือนโหนดราก
(2) ท่องไปในทรีย่อยทางซ้ายแบบพรีออร์เดอร์
(3) ท่องไปในทรีย่อยทางขวาแบบพรีออร์เดอร์
การท่องไปแบบอินออร์เดอร์ (inorder traversal)
เป็นการเดินเข้าไปเยือนโหนดต่าง ๆ ในทรีด้วยวิธี LNR ซึ่งมีขั้นตอนการเดินดังต่อไปนี้
(1) ท่องไปในทรีย่อยทางซ้ายแบบอินออร์เดอร์
(2) เยือนโหนดราก
(3) ท่องไปในทรีย่อยทางขวาแบบอินออร์เดอร์
การท่องไปแบบโพสออร์เดอร์ (postorder traversal)
เป็นการเดินเข้าไปเยือนโหนดต่าง ๆ ในทรี ด้วยวิธี LRN ซึ่งมีขั้นตอนการเดินดังต่อไปนี้
(1) ท่องไปในทรีย่อยทางซ้ายแบบโพสออร์เดอร์
(2) ท่องไปในทรีย่อยทางขวาแบบโพสออร์เดอร์
(3) เยือนโหนดราก
0 Comment:
แสดงความคิดเห็น