第95篇 C++数据结构（五）树

有许多介绍树的博文，这里不做过多的介绍，本文注重于二叉树的相关操作，且实现的相当于是一颗有序二叉树。

1.树的简介

树形结构是一种重要的非线性数据结构。其中树和二叉树最为常用，直观看来树是以分支关系定义的层次结构。树形结构是我们平时比较熟悉的，比如文件夹目录、公司组织关系等。在计算机领域也得到广泛的应用，编译程序就是以树来表示源程序的语法结构。

1.1.树的特点

树（tree）是一种抽象数据类型（ADT）或是实作这种抽象数据类型的数据结构，用来模拟具有树状结构性质的数据集合。它是由n（n>=1）个有限节点组成一个具有层次关系的集合。

   （1）每个节点有 0 或 多个 子节点；
   （2）没有父节点的节点称为根节点；
   （3）每一个非根节点有且仅有一个父节点；
   （4）除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树；

1.2.树的相关名词

   （1）节点的度：一个节点含有的子树的个数（数节点的子节点数即可）；
   （2）树的度：一棵树中，最大的节点的度称为树的度；
   （3）叶节点或终端节点：度为 0 的节点；
   （4）父节点：若一个节点含有子节点，则该节点称为其子节点的父节点；
   （5）子节点：一个节点含有的子树的根节点称为该节点的子节点；
   （6）兄弟节点：具有相同父节点的节点
   （7）节点的层次：从根节点开始定义，根为第 1 层，根的子节点为第 2 层，以此类推；
   （8）树的高度或深度：树种节点的最大层次
   （9）堂兄弟节点：父节点在同一层的节点互为堂兄弟
   （10）节点的祖先：从根到该节点所经分支上的所有点
   （11）子孙：以某节点为根的子树中任一节点都称为该节点的子孙
   （12）森林：由 m（m>0）棵互不相交的树的集合称为森林

1.3.二叉树

二叉树：每个节点最多含有两个子树的树称为二叉树
完全二叉树：对于一课二叉树，假设其深度为d（d>1）。除了第d层外，其它各层的节点数均已达最大值，且第d层所有节点从左向右连续地紧密排列；
平衡二叉树（AVL树）：当且仅当任何两棵子树的高度差不大于1的二叉树；
排序二叉树（二叉查找树 Binary Search Tree， 也称二叉搜索树、有序二叉树）；

2.节点

实现的是一颗排序二叉树，二叉树其实也可以用数组来表示，不过数组表示，对于任何形式的数据结构来说，插入删除之类的都麻烦，因此采用链表形式较好，在此定义一个节点：

template <typename _dataType>
struct TreeNode
{
	using _TreeNodePtr = TreeNode*;

	_dataType m_value;
	_TreeNodePtr m_leftChild;
	_TreeNodePtr m_rightChild;

	TreeNode() : m_value(_dataType()), m_leftChild(nullptr), m_rightChild(nullptr) {}
	TreeNode(_dataType value) : m_value(value), m_leftChild(nullptr), m_rightChild(nullptr) {}
	TreeNode(_dataType value, _TreeNodePtr leftChild, _TreeNodePtr rightChild) 
		: m_value(value), m_leftChild(leftChild), m_rightChild(rightChild) {}
};

节点包含内容为，节点数据，节点左孩子，节点右孩子，为了便于可能遇到的构造需求，这里定义三个构造函数。

3.实现

3.1.变量

因为实现的排序树支持插入重复数据，因此替换数据的时候有可能替换很多个，而替换是通过删除于添加完成，因此使用removeCount来统计删除次数，这样删除目标数据几次，就添加替换数据几次就好了。

变量名	类型	属性	说明
m_root	_TreeNodePtr	私有	根节点
m_len	size_t	私有	树的节点数
removeCount = 0	int	私有	统计删除次数

3.2.方法

因为树的根节点是私有的，不支持外面直接访问，因此许多函数都是提供访问名，实际操作由类内定义的其他函数完成。
比如添加数据的函数add(_dataType value),递归实现的话需要传根节点，但是根节点是不给外面调用的，因此就写一个私有的add(_TreeNodePtr root, _dataType value)，可传根节点。

方法名	返回类型	参数	属性	说明
Tree()	-	-	公有	缺省构造
Tree()	-	const Tree& t	公有	拷贝构造
operator = ()	Tree&	const Tree& t	公有	=运算符重载
~Tree()	-	-	公有	析构
isEmpty() const	bool	-	公有	判断树是否为空
size() const	size_t	-	公有	返回节点数
add()	bool	_dataType value	公有	添加数据
remove()	bool	_dataType value	公有	删除数据
replace()	bool	_dataType target, _dataType value	公有	替换数据
search()	bool	_dataType value	公有	查找数据
clear()	bool	-	公有	清空数据
depth()	size_t	-	公有	返回树的深度
numberOfLeaves()	size_t	-	公有	计算叶子数
preorderTraversal()	void	-	公有	先序遍历递归实现
midorderTraversal()	void	-	公有	中序遍历递归实现
postorderTraversal()	void	-	公有	后序遍历递归实现
preorderTraversalIterate()	void	-	公有	先序遍历迭代实现
midorderTraversalIterate()	void	-	公有	中序遍历迭代实现
postorderTraversalIterate()	void	-	公有	后序遍历迭代实现
levelTraversal()	void	-	公有	层次遍历
add()	bool	_TreeNodePtr& root, _dataType value	私有	添加数据
remove()	bool	_TreeNodePtr& root, _dataType value	私有	删除数据
changeNodeParent()	_TreeNodePtr&	_TreeNodePtr& rNode	私有	返回需要删除的节点的父节点
replace()	bool	_TreeNodePtr root, _dataType target, _dataType value	私有	替换数据
search()	bool	_TreeNodePtr root, _dataType value	私有	查找数据
copy()	void	_TreeNodePtr& leftRoot, _TreeNodePtr rightRoot	私有	复制数据
clear()	void	_TreeNodePtr& root	私有	清除数据
depth()	size_t	_TreeNodePtr root	私有	计算深度
numberOfLeaves()	size_t	_TreeNodePtr root	私有	计算叶子节点数
preorderTraversal()	void	_TreeNodePtr root	私有	先序遍历
midorderTraversal()	void	_TreeNodePtr root	私有	中序遍历
postorderTraversal()	void	_TreeNodePtr root	私有	后序遍历

4.测试

4.1.测试代码

#include 

#include "Tree.h"

void treeTest();
//11 9 10 4 5 3 14 13 15 11 9 10 4 5 3 14 13 15
int main()
{
	treeTest();

	return 0;
}

void treeTest()
{
	std::cout << "\n构造测试：" << std::endl;
	Tree<int> t;

	int num(0);
	int c = 18;
	while (c-- > 0) {
		std::cin >> num;
		t.add(num);
	}
	std::cout << "先序遍历迭代：";
	t.preorderTraversalIterate();
	std::cout << "先序遍历递归：";
	t.preorderTraversal();
	std::cout << std::endl;

	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t.midorderTraversalIterate();
	std::cout << "中序遍历递归：";
	t.midorderTraversal();
	std::cout << std::endl;

	std::cout << "后序遍历迭代：";
	t.postorderTraversalIterate();
	std::cout << "后序遍历递归：";
	t.postorderTraversal();
	std::cout << std::endl;

	std::cout << "层次遍历：";
	t.levelTraversal();

	std::cout << "树的深度：" << t.depth() << std::endl;

	std::cout << "树的叶子数：" << t.numberOfLeaves() << std::endl;

	std::cout << "树的节点数：" << t.size() << std::endl;

	std::cout << "\n拷贝构造函数测试：" << std::endl;
	Tree<int> t2 = t;
	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t2.midorderTraversalIterate();

	std::cout << "\n复制运算符测试：" << std::endl;
	Tree<int> t3;
	t3 = t2;
	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t3.midorderTraversalIterate();

	std::cout << "\n添加数据12：" << std::endl;
	t.add(12);
	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t.midorderTraversalIterate();

	std::cout << "\n删除数据11：" << std::endl;
	t.remove(11);
	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t.midorderTraversalIterate();

	std::cout << "\n将数据13替换为11：" << std::endl;
	t.replace(13, 11);
	std::cout << "中序遍历迭代：";
	t.midorderTraversalIterate();

	std::cout << "\n查找数据13：" << std::endl;
	if (t.search(13)) {
		std::cout << "13存在！" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "13不存在！" << std::endl;
	}

	std::cout << "\n查找数据11：" << std::endl;
	if (t.search(11)) {
		std::cout << "11存在！" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "11不存在！" << std::endl;
	}

	std::cout << "\n判断树是否为空：" << std::endl;
	if (t.isEmpty()) {
		std::cout << "树没有数据！" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "树有数据！" << std::endl;
	}

	std::cout << "\n清空：" << std::endl;
	t.clear();
	if (t.isEmpty()) {
		std::cout << "树没有数据！" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "树有数据！" << std::endl;
	}
}

4.2.输出

构造测试：
11 9 10 4 5 3 14 13 15 11 9 10 4 5 3 14 13 15
先序遍历迭代：11, 9, 4, 3, 3, 5, 4, 5, 10, 9, 10, 14, 13, 11, 13, 15, 14, 15,
先序遍历递归：11, 9, 4, 3, 3, 5, 4, 5, 10, 9, 10, 14, 13, 11, 13, 15, 14, 15,
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 13, 13, 14, 14, 15, 15,
中序遍历递归：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 13, 13, 14, 14, 15, 15,
后序遍历迭代：3, 3, 4, 5, 5, 4, 9, 10, 10, 9, 11, 13, 13, 14, 15, 15, 14, 11,
后序遍历递归：3, 3, 4, 5, 5, 4, 9, 10, 10, 9, 11, 13, 13, 14, 15, 15, 14, 11,
层次遍历：11, 9, 14, 4, 10, 13, 15, 3, 5, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 3, 4, 5,
树的深度：5
树的叶子数：9
树的节点数：18

拷贝构造函数测试：
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 13, 13, 14, 14, 15, 15,

复制运算符测试：
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 13, 13, 14, 14, 15, 15,

添加数据12：
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15,

删除数据11：
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15,

将数据13替换为11：
中序遍历迭代：3, 3, 4, 4, 5, 5, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 12, 14, 14, 15, 15,

查找数据13：
13不存在！

查找数据11：
11存在！

判断树是否为空：
树有数据！

清空：
树没有数据！

5.实现代码

#pragma once
#ifndef _TREE_H_
#define _TREE_H_

#include 
#include 
#include 
#include 

template <typename _dataType>
struct TreeNode
{
	using _TreeNodePtr = TreeNode*;

	_dataType m_value;
	_TreeNodePtr m_leftChild;
	_TreeNodePtr m_rightChild;

	TreeNode() : m_value(_dataType()), m_leftChild(nullptr), m_rightChild(nullptr) {}
	TreeNode(_dataType value) : m_value(value), m_leftChild(nullptr), m_rightChild(nullptr) {}
	TreeNode(_dataType value, _TreeNodePtr leftChild, _TreeNodePtr rightChild) 
		: m_value(value), m_leftChild(leftChild), m_rightChild(rightChild) {}
};

template <typename _dataType>
class Tree
{
	using _TreeNodePtr = TreeNode<_dataType>*;
public:
	Tree() : m_root(nullptr), m_len(0) {}

	Tree(const Tree& t)
	{
		copy(this->m_root, t.m_root);
		m_len = t.m_len;
	}

	Tree& operator = (const Tree& t)
	{
		if (!this->isEmpty()) {
			this->clear();
		}

		copy(this->m_root, t.m_root);
		m_len = t.m_len;

		return *this;
	}

	~Tree()
	{
		clear();
	}

	bool isEmpty() const
	{
		return m_root == nullptr;
	}

	size_t size() const
	{
		return m_len;
	}

	bool add(_dataType value) //添加数据
	{
		return add(m_root, value);
	}

	bool remove(_dataType value) //删除数据
	{
		return remove(m_root, value);
	}

	bool replace(_dataType target, _dataType value) //替换数据
	{
		return replace(m_root, target, value);
	}

	bool search(_dataType value)
	{
		return search(m_root, value);
	}

	bool clear()
	{
		clear(m_root);

		return true;
	}

	size_t depth()
	{
		return depth(m_root);
	}

	size_t numberOfLeaves()
	{
		return numberOfLeaves(m_root);
	}

	void preorderTraversal()
	{
		preorderTraversal(m_root);
	}

	void midorderTraversal()
	{
		midorderTraversal(m_root);
	}

	void postorderTraversal()
	{
		postorderTraversal(m_root);
	}

	void preorderTraversalIterate()
	{
		std::stack<_TreeNodePtr> treeNodeStack;
		_TreeNodePtr root = m_root;
		while (root || !treeNodeStack.empty()) {
			if (root) {
				std::cout << root->m_value << ", ";
				treeNodeStack.push(root);
				root = root->m_leftChild;
			}
			else {
				root = treeNodeStack.top();
				treeNodeStack.pop();
				root = root->m_rightChild;
			}
		}
		std::cout << std::endl;
	}

	void midorderTraversalIterate()
	{
		std::stack<_TreeNodePtr> treeNodeStack;
		_TreeNodePtr root = m_root;
		while (root || !treeNodeStack.empty()) {
			if (root) {
				treeNodeStack.push(root);
				root = root->m_leftChild;
			}
			else {
				root = treeNodeStack.top();
				treeNodeStack.pop();
				std::cout << root->m_value << ", ";
				root = root->m_rightChild;
			}
		}
		std::cout << std::endl;
	}

	void postorderTraversalIterate()
	{
		std::stack<_TreeNodePtr> treeNodeStack;
		_TreeNodePtr root = m_root;
		_TreeNodePtr record = nullptr;
		while (root || !treeNodeStack.empty()) {
			if (root) {
				treeNodeStack.push(root);
				root = root->m_leftChild;
			}
			else {
				root = treeNodeStack.top();
				if (root->m_rightChild && root->m_rightChild != record) {
					root = root->m_rightChild;
				}
				else {
					treeNodeStack.pop();
					std::cout << root->m_value << ", ";
					record = root;
					root = nullptr;
				}
			}
		}
		std::cout << std::endl;
	}

	void levelTraversal()
	{
		std::queue<_TreeNodePtr> treeNodeStack;
		_TreeNodePtr root = m_root;
		treeNodeStack.push(root);
		while (!treeNodeStack.empty()) {
			root = treeNodeStack.front();
			treeNodeStack.pop();
			std::cout << root->m_value << ", ";
			if (root->m_leftChild) {
				treeNodeStack.push(root->m_leftChild);
			}
			if (root->m_rightChild) {
				treeNodeStack.push(root->m_rightChild);
			}
		}
		std::cout << std::endl;
	}

private:
	_TreeNodePtr m_root;//根节点
	size_t m_len;
	int removeCount = 0;//统计删除次数

	bool add(_TreeNodePtr& root, _dataType value)
	{
		if (root) {
			if (value >= root->m_value) {
				return add(root->m_rightChild, value);
			}
			else {
				return add(root->m_leftChild, value);
			}
		}
		else {
			root = new TreeNode<_dataType>(value);
			m_len++;
		}

		return true;
	}

	bool remove(_TreeNodePtr& root, _dataType value)
	{
		if (root) {
			if (value == root->m_value) {
				removeCount++;
				if (root->m_rightChild) {
					if (root->m_rightChild->m_leftChild) {
						_TreeNodePtr cNodeParent = changeNodeParent(root->m_rightChild);

						_TreeNodePtr cNode = cNodeParent->m_leftChild;
						std::swap(root->m_value, cNode->m_value);
						cNodeParent->m_leftChild = cNode->m_rightChild;

						delete cNode;
						cNode = nullptr;

						return (remove(root, value) || true);
					}
					else {
						_TreeNodePtr r = root;
						root->m_rightChild->m_leftChild = root->m_leftChild;
						root = root->m_rightChild;

						delete r;
						r = nullptr;

						return (remove(root, value) || true);
					}
				}
				else if (root->m_leftChild) {
					_TreeNodePtr r = root;
					root = root->m_leftChild;

					delete r;
					r = nullptr;

					return true;
				}
				else {
					delete root;
					root = nullptr;

					return true;
				}
			}
			else if (value > root->m_value) {
				return remove(root->m_rightChild, value);
			}
			else {
				return remove(root->m_leftChild, value);
			}
		}
		else {
			return false;
		}
	}

	_TreeNodePtr& changeNodeParent(_TreeNodePtr& rNode)
	{
		if (rNode->m_leftChild->m_leftChild) {
			return changeNodeParent(rNode->m_leftChild);
		}
		else {
			return rNode;
		}
	}

	bool replace(_TreeNodePtr root, _dataType target, _dataType value)
	{
		if (target == value) {
			return false;
		}

		removeCount = 0;
		remove(target);
		if (removeCount == 0) {
			return false;
		}

		while (removeCount-- > 0) {
			add(value);
		}

		return true;
	}

	bool search(_TreeNodePtr root, _dataType value)
	{
		if (root) {
			if (value == root->m_value) {
				return true;
			}
			else if (value > root->m_value) {
				return search(root->m_rightChild, value);
			}
			else {
				return search(root->m_leftChild, value);
			}
		}
		else {
			return false;
		}
	}

	void copy(_TreeNodePtr& leftRoot, _TreeNodePtr rightRoot)
	{
		if (rightRoot) {
			leftRoot = new TreeNode<_dataType>(rightRoot->m_value);
			copy(leftRoot->m_leftChild, rightRoot->m_leftChild);
			copy(leftRoot->m_rightChild, rightRoot->m_rightChild);
		}
	}

	void clear(_TreeNodePtr& root)
	{
		if (root) {
			clear(root->m_leftChild);
			clear(root->m_rightChild);
			delete root;
			root = nullptr;
		}
	}

	size_t depth(_TreeNodePtr root)
	{
		if (root) {
			size_t leftDepth = depth(root->m_leftChild);
			size_t rightDepth = depth(root->m_rightChild);

			return (leftDepth > rightDepth ? leftDepth : rightDepth) + 1;

		}
		else {
			return 0;
		}
	}

	size_t numberOfLeaves(_TreeNodePtr root)
	{
		if (root) {
			if (root->m_leftChild && root->m_rightChild) {
				return numberOfLeaves(root->m_leftChild) + numberOfLeaves(root->m_rightChild);
			}
			else if (root->m_leftChild) {
				return numberOfLeaves(root->m_leftChild);
			}
			else if (root->m_rightChild) {
				return numberOfLeaves(root->m_rightChild);
			}
			else {
				return 1;
			}
		}
		else {
			return 0;
		}
	}

	void preorderTraversal(_TreeNodePtr root)
	{
		if (root) {
			std::cout << root->m_value << ", ";
			preorderTraversal(root->m_leftChild);
			preorderTraversal(root->m_rightChild);
		}
	}

	void midorderTraversal(_TreeNodePtr root)
	{
		if (root) {
			midorderTraversal(root->m_leftChild);
			std::cout << root->m_value << ", ";
			midorderTraversal(root->m_rightChild);
		}
	}
	void postorderTraversal(_TreeNodePtr root)
	{
		if (root) {
			postorderTraversal(root->m_leftChild);
			postorderTraversal(root->m_rightChild);
			std::cout << root->m_value << ", ";
		}
	}
};

#endif //_TREE_H_

6.总结

只是实现，节点的删除如果不明白的话，可以自己多按着代码写几次，当然想，个人看别人的代码没有很好的耐心，就上课的时候自己画画写写，在纸上模拟过程，怎么删才好，还是觉得自己想过的东西才会有更深的理解。