HNU数据结构与算法分析-实验四--- 对输入的两棵二叉树A和B,判断B是不是A的子树

本篇代码包括实验报告与源码,

实验报告最终得分为94/100

下面我将先给出实验报告,再附上源码,

其中算法的精髓我在报告中彩色标注了,如果有不理解的同学可以先看看,我觉得应该会有帮助

最后,如果感觉有帮助的话还请点个赞,你的重要支持是我继续创作的动力。

【原题目】

【问题描述】

 基于实验三设计的ADT,对输入的两棵二叉树A和B,判断B是不是A的子树。设T是一棵树,a是T中的一个顶点,由a以及a的所有后裔(后代)导出的子图称为树T的子树。如图:二叉树B就是二叉树A的一棵子树,而二叉树C不是二叉树A的子树。
【输入形式】

每个输入文件的第一行为二叉树A的前序遍历顺序表示法(N≤30)。二叉树B的前序遍历顺序表示法。

注意:用“#”代表空指针NULL。
【输出形式】

  yes 代表二叉树B就是二叉树A的一棵子树。

   no  代表二叉树B不是二叉树A的一棵子树。 

【样例输入1】

        AB##C##

        AB##C##

【样例输出1】

        yes
【样例说明1】

       二叉树B是二叉树A的一棵子树

【样例输入2】

        ABD##E##CGH###F##

        CGH####

【样例输出2】

        no
【样例说明2】

       二叉树B不是二叉树A的一棵子树

【样例输入3】

        ABD##E##CGH###F##

        CG##F##

【样例输出3】

        no
【样例说明3】

       二叉树B不是二叉树A的一棵子树

【样例输入4】

        ABD##E##CGH###F##

        CGH###F##

【样例输出4】

        yes
【样例说明4】

       二叉树B是二叉树A的一棵子树

【评分标准】

源代码请提交工程压缩包,压缩包内至少包含以下三个文件:

  1)XXX.h:二叉树ADT的定义和声明

2)XXX.h:二叉树ADT的实现

3)XXXXX.cpp:主程序

    (要求基于ADT实现,否则计0分。)

【实验报告】

目录

1.问题分析

l1.1处理的对象(数据)

l1.2实现的功能

l1.3处理后的结果如何显示

l1.4请用题目中样例,详细给出样例求解过程。

2.数据结构和算法设计

2.1抽象数据类型设计

2.2物理数据对象设计(不用给出基本操作的实现)

2.3算法思想的设计

2.4关键功能的算法步骤(不能用源码)

3. 算法性能分析

3.1时间复杂度

3.2空间复杂度

4.不足与反思 

【正文】

1.问题分析

l1.1处理的对象(数据)

处理的对象为用字符表示的前序遍历二叉树,每个输入文件的第一行为二叉树A的前序遍历顺序表示法(N≤30)。第二行为二叉树B的前序遍历顺序表示法。其中用“#”代表空指针NULL。

l1.2实现的功能

对输入的两棵二叉树A和B,判断B是不是A的子树l

1.3处理后的结果如何显示

     yes 代表二叉树B就是二叉树A的一棵子树。

     no  代表二叉树B不是二叉树A的一棵子树。

1.4请用题目中样例,详细给出样例求解过程。

【样例输入1】

        AB##C##

        AB##C##

  1. 通过前序遍历读入树的各节点,存入树结构中;
  2. 通过前序遍历在A树中寻找B树的根节点 ,找到为A;
  3. 通过前序遍历,分别将A中的A和B中的A的子树分别存入容器中;
  4. 比较容器内元素个数,发现7==7,即元素个数相同;
  5. 逐个比较容器内各元素的值,发现全部相同,返回结果yes。

【样例输入2】

        ABD##E##CGH###F##

        CGH####

1、通过前序遍历读入树的各节点,存入树结构中;

2、通过前序遍历在A树中寻找B树的根节点 ,找到为C;

3、通过前序遍历,分别将A中的C和B中的C的子树分别存入容器中;

4、比较容器内元素个数,发现9!=7,即元素个数不同,返回结果no;

HNU数据结构与算法分析-实验四--- 对输入的两棵二叉树A和B,判断B是不是A的子树_第1张图片

【样例输入3】

        ABD##E##CGH###F##

        CG##F##

1、通过前序遍历读入树的各节点,存入树结构中;

2、通过前序遍历在A树中寻找B树的根节点 ,找到为C;

3、通过前序遍历,分别将A中的C和B中的C的子树分别存入容器中;

4、比较容器内元素个数,发现9!=7,即元素个数不同,返回结果no;

HNU数据结构与算法分析-实验四--- 对输入的两棵二叉树A和B,判断B是不是A的子树_第2张图片

2.数据结构和算法设计

2.1抽象数据类型设计

template

class  BinNode//结点类

{

private:

        BinNode*lc;//左孩子

        BinNode*rc;//右孩子

        E  elem;

public:

        BinNode();//默认构造函数,设置左右孩子为空

        BinNode(E  tmp,  BinNode*l=NULL,  BinNode*r=NULL);

//带参构造函数

        BinNode*left();//返回左孩子

        BinNode*right();//返回右孩子

        void  setLeft(BinNode*l);//设置左孩子

        void  setRight(BinNode*r);//设置右孩子

        void  setValue(E  tmp);//设置当前结点的值

        E  getValue();//获得当前结点的值

};

template

class  BinTree//二叉树类

{

private:

        BinNode*root;//根结点

        void  clear(BinNode*r);//清空二叉树

public:

        BinTree();//默认构造函数

        ~BinTree();//析构函数

        bool  BinTreeEmpty();//判断二叉树是否为空

        BinNode*getRoot();//获得根节点

        void  setRoot(BinNode*r);//设置根节点

//下面的函数是对外的函数,所以内部还会有一些同名的函数,但是参数列表不一样,实现数据的封装,外部的调用不会涉及到内部的数据对象

        void  preOrder(void(*visit)(BinNode*node));

//先序遍历,传入相对应的访问函数即可对该当前结点实现不同功能的访问(本程序为输出)

        bool  find(E  e);//查找二叉树中是否存在名为e的结点

        BinNode* find(BinNode* tmp, E e);

//查找二叉树中是否含有某个名为e的结点

};

2.2物理数据对象设计(不用给出基本操作的实现)

//BinaryTreeNode二叉树的节点的实现

BinNode::BinNode()//默认构造函数,设置左右孩子为空

BinNode::BinNode(E  tmp,  BinNode*l,  BinNode*r)//带参构造函数

//模板函数的默认参数似乎必须在第一次声明的时候给出,也就是说,这里不能有两个=NULL,详情参见https://blog.csdn.net/u013457310/article/details/89510406

BinNode* BinNode::left()//返回左孩子

BinNode* BinNode::right()//返回右孩子

void  BinNode::setLeft(BinNode*l)//设置左孩子

void  BinNode::setRight(BinNode*r)//设置右孩子     

void  BinNode::setValue(E  tmp)//设置当前结点的值

E  BinNode::getValue()//获得当前结点的值

//BinaryTree二叉树的实现

BinNode* BinTree::find(BinNode* tmp, E e)

BinTree::BinTree()//默认构造函数    

BinTree::~BinTree()//析构函数

BinNode* BinTree::getRoot()//获得根节点   

void  BinTree::setRoot(BinNode*r)//设置根节点

//下面的函数是对外的函数,所以内部还会有一些同名的函数,但是参数列表不一样,实现数据的封装,外部的调用不会涉及到内部的数据对象

bool  BinTree::find(E  e)//查找二叉树中是否存在名为e的结点

//类外函数

BinNode* creatBinaryTree(string s[], int& x, int n)

//建立树结构

void creatBinaryTree(BinTree* BT)

//读入数据,为存入树结构做准备工作

void preOrder1(BinNode* tmp, vector< string>& ve)

//通过前序遍历的方式,在A树中寻找B树的根节点C

bool compare(BinNode* s, BinNode* s1)

//逐个比较取入容器中的A中C的子树与B中C的子树各个节点是否一致

2.3算法思想的设计

记输入的两个二叉树为分别为a1,a2

记a2的根节点对应的值为h

1)先创建二叉树的类来储存输入的元素

2)a1中进行遍历查找h。

3)在未查找到h,则输出‘no’并return

4)若查到h则返回以h为根节点的二叉树记做e

5)对a2和e分别进行先序遍历,并将遍历到的节点装入两个容器中,若遍历到的左节点或右节点为空则将‘#’装入容器

(若不进行插“#”的操作,不能保证两个二叉树前序遍历相同则两个二叉树相同)

6)对两个容器进行size的比较,

若不同则输出“no”并返回

若相同则对两个容器进行遍历逐个比较若有不同输出“no”并返回

直到遍历完容器中所有元素,此时说明两个容器元素相同,即两个二叉树相同,也说明a2为a1的子树,输出“yes”并return

2.4关键功能的算法步骤(不能用源码)

1.二叉树节点类与二叉树类的实现

这是本次实验的底层代码,二叉树节点类与二叉树的类,以及相关的部分成员函数,这些在实验三中有体现了,这里主要是将实验三中部分有用的代码进行迁移,并将无关的代码删除。主要是preorder前序遍历函数的改写,因为是对于该子树所有节点的一个保存,因此需要在前序遍历时将节点全部存入容器vector中,以便之后的比较。

2.在A树中寻找B树的根节点C

这是本题的关键算法,倘若不能在A树中找到B树的根节点C,那么说明一定不存在这样的一个树B作为A的子树。领悟这一点也是解答本题的关键。至于找到C之后对于两边的C的子树的储存与注意比较,就是自然而然的了。

3、对于容器中元素的逐一比较

考虑到有可能因为元素数量不同而本身就不可能是成立的,故需要在一开始就检查是否两个vector内元素个数相同,若不相同则直接退出。若相同,则用循环逐个检查每一个元素,若仍然相同,则返回答案。

4、特别注意”#”的意义

特别注意对于空节点的处理,因为对于仅有前序遍历,是没有办法唯一确定出一棵二叉树的,所以本题的特殊性在于它同时保存了每个空节点(也就是叶子节点)。若不进行插“#”的操作,不能保证两个二叉树前序遍历相同则两个二叉树相同。

3.算法性能分析

3.1时间复杂度 

该算法的时间复杂度是O(n),下面是具体分析。由于大多是递归函数,我们主要采取功能的方法来分析。

1、准备部分:

creatBinaryTree();的两次调用,为0(1),但在creatBinaryTree()中又调用了creatBinaryTree(s, now, n),而这个的功能类似于遍历,是0(n)的,故准备阶段的时间复杂度是c1n;

2、在A树中查找B树的根节点C:

BinNode* tem = BT->find(BT->getRoot(), BT1->getRoot()->getValue());这句的作用在于在A树中查找B树的根节点C。这相当于是遍历一遍,为c2n;

3、分别存储A中C的子树与B中C的子树的各个节点:

这里在函数compare中调用了两次preorder1函数,preorder1函数的功能是在前序遍历的同时以前序遍历的方式存储各个节点,这种遍历方式是O(n)的,记作c3n;

4、compare函数主体的逐个比较:

for循环逐个比较,显然为O(n),记作c4n;

综上所述,时间复杂度为

T=c1n+c2n+c3n+c4n=O(n)

3.2空间复杂度

由于使用链表结构存储二叉树,而又不是morris算法遍历,仅仅使用递归来遍历,所以该算法的空间复杂度是O(n)

4.不足与反思

  在算法上本题应该已经是比较优化的了,包括采取先判断个数是否相同等方法来剪枝,达到了很好的优化效果。但在遍历上,有一种morris算法可以将空间复杂度降到O(1),可以考虑。此外如果还有其他不足或可优化的地方,请务必向我提出。

【源代码】

BinaryTreeJudge.cpp

#include 
#include"BinaryTree-realize.h"
#include"string"
#include
using namespace std;

int main()
{
	BinTree* BT = new BinTree;
	creatBinaryTree(BT);
	BinTree* BT1 = new BinTree;
	creatBinaryTree(BT1);
	BinNode* tem = BT->find(BT->getRoot(), BT1->getRoot()->getValue());
	if (tem!=NULL)
	{
		
		if (compare(tem, BT1->getRoot()))

		{
			cout << "yes";
			return 0;
		}
	}
	else cout << "no";
	cout << "no";
	return 0;
}

BinaryTree-ADT.h

//BinaryTree-ADT.h
//二叉树ADT的定义和声明 
#include
using  namespace  std;

template
class  BinNode//结点类
{
private:
        BinNode*lc;//左孩子
        BinNode*rc;//右孩子
        E  elem;
public:
        BinNode();//默认构造函数,设置左右孩子为空
        BinNode(E  tmp,  BinNode*l=NULL,  BinNode*r=NULL);//带参构造函数
        BinNode*left();//返回左孩子
        BinNode*right();//返回右孩子
        void  setLeft(BinNode*l);//设置左孩子
        void  setRight(BinNode*r);//设置右孩子
        void  setValue(E  tmp);//设置当前结点的值
        E  getValue();//获得当前结点的值
        bool  isLeaf();//判断当前结点是否为叶子结点
};

template
class  BinTree//二叉树类
{
private:
        BinNode*root;//根结点
        void  clear(BinNode*r);//清空二叉树
public:
        BinTree();//默认构造函数
        ~BinTree();//析构函数
        bool  BinTreeEmpty();//判断二叉树是否为空
        BinNode*getRoot();//获得根节点
        void  setRoot(BinNode*r);//设置根节点
//下面的函数是对外的函数,所以内部还会有一些同名的函数,
//但是参数列表不一样,实现数据的封装,外部的调用不会涉及到内部的数据对象
        void  preOrder(void(*visit)(BinNode*node));
//先序遍历,传入相对应的访问函数即可对该当前结点实现不同功能的访问(本程序为输出)
        BinNode* find(BinNode* tmp, E e);//查找二叉树中是否含有某个名为e的结点
};

BinaryTree-realize.h

//BinaryTree-realize.h
//二叉树ADT的实现
#include"BinaryTree-ADT.h"
#include
#include"string"
#include

//BinaryTreeNode二叉树的节点的实现 
template
BinNode::BinNode()//默认构造函数,设置左右孩子为空
    {                
        setLeft(NULL);
        setRight(NULL);
    }

template   
BinNode::BinNode(E  tmp,  BinNode*l,  BinNode*r)//带参构造函数
//模板函数的默认参数似乎必须在第一次声明的时候给出,也就是说,这里不能有两个=NULL 
//详情参见https://blog.csdn.net/u013457310/article/details/89510406
    {          
		elem=tmp;
		lc=l;
		rc=r;
    }

template   
BinNode* BinNode::left()//返回左孩子
    {
        return lc;
    }

template  
BinNode* BinNode::right()//返回右孩子
    {            
		return rc;
    }

template  
void  BinNode::setLeft(BinNode*l)//设置左孩子
    {
        lc=l;
    }

template  
void  BinNode::setRight(BinNode*r)//设置右孩子
    {             
		rc=r;
    }
  
template       
void  BinNode::setValue(E  tmp)//设置当前结点的值
    {
        elem=tmp;
	}

template    
E  BinNode::getValue()//获得当前结点的值
    {
        return elem;
    }

template   
bool  BinNode::isLeaf()//判断当前结点是否为叶子结点
    {
        return (lc==NULL && rc==NULL);
    }



//BinaryTree二叉树的实现 

template
BinNode* BinTree::find(BinNode* tmp, E e)
{
if (tmp == NULL)return NULL;
	else if (tmp->getValue() == e)return tmp;
	else
	{
		BinNode* tmp1 = find(tmp->left(), e);
		if (tmp1)return tmp1;
		else
		{
			BinNode* tmp2 = find(tmp->right(), e);
			if (tmp2)return tmp2;

		}
	}
	return NULL; 
}

template
BinTree::BinTree()//默认构造函数
    {
        root=new  BinNode;
    }

template        
BinTree::~BinTree()//析构函数
    {
        clear(root);
    }

template
bool  BinTree::BinTreeEmpty()//判断二叉树是否为空
    {
        if  (root  ==  NULL) return  true;
        else return  false;
    }
    
template        
BinNode* BinTree::getRoot()//获得根节点
    {
        return  root;
    }

template        
void  BinTree::setRoot(BinNode*r)//设置根节点
    {
        root  =  r;
    }
//下面的函数是对外的函数,所以内部还会有一些同名的函数,但是参数列表不一样,
//实现数据的封装,外部的调用不会涉及到内部的数据对象


//类外函数 
template
BinNode* creatBinaryTree(string s[], int& x, int n)
{
	if (s[x] == "#")
		return NULL;
	else
	{
		BinNode* node = new BinNode(s[x]);
		x = x + 1;
		if (x < n)
		node->setLeft(creatBinaryTree(s, x, n));
		x = x + 1;
		if (x < n)
		node->setRight(creatBinaryTree(s, x, n));
		return node;
	}
}

void creatBinaryTree(BinTree* BT)
{
	int n = 0;
	string te;
	cin >> te;
	n = te.size();
	string* s = new string[n];
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		s[i] = te[i];
	}
	int now = 0;
	BT->setRoot(creatBinaryTree(s, now, n));
}

template
void preOrder1(BinNode* tmp, vector< string>& ve)
{
	if (tmp == NULL)
	{
		ve.push_back("#");
		return ;
	}
	ve.push_back(tmp->getValue());
	preOrder1(tmp->left(),ve);
	preOrder1(tmp->right(),ve);

}

bool compare(BinNode* s, BinNode* s1)
{
	vector ve,ve1;
	preOrder1(s, ve);
	preOrder1(s1, ve1);
	if (ve.size() != ve1.size())return 0;
	else
	{
		for (int i = 0; i < ve.size(); i++)
		{
			if (ve[i] != ve1[i])return 0;
		}
	}
	return 1;
}

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