数据结构：二叉树的递归实现(C实现)

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前言

本篇博客主要讲解二叉树的相关操作如下：

//通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);

//二叉树的销毁
void BinaryTreeDestroy(BTNode* root);

//二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root);

//二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);

//二叉树第K层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);

//二叉树查找值为X的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);

//二叉树前序遍历
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);

//二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);

//二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);

//层序遍历
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);

//判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root);

//创建二叉树的节点
BTNode* BuyBinaryTreeNode(BTDataType x);

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一、树的概念

树是一种非线性结构，它是由n个有限节点组成的一个有层次关系的集合。

• 图中A节点没有前驱节点，被称为根节点
• 除根节点外，其余节点被分成两个无不相交的集合T1(B,D,E,F…)，T2(C,G,H,L…)。其中每个集合T又是一颗结构与树类似的子树。每一颗子树的根节点有且只有一个根节点，可以有0个或多个后继节点
• 因此，树是递归定义的。
• 树的子树不能有交集，否则就为图。

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• 节点的度：一个节点含有的子树的个数称为该节点的度；如上图A节点的度是2
• 叶节点或终端节点：度为0的节点被称为叶节点；如上图：K,J,F,L,O,P为叶节点
• 非终端节点或分支节点：度不为0的节点；如上图：A,B,C,D,E…等节点为分支节点
• 双亲节点或父节点：若一个节点含有子节点，则这个节点称为其子节点的父节点。如上图A节点是B,C的父节点
• 孩子节点或子节点：若一个节点含有子树，则子树的根节点就是该节点的子节点。如上图B,C是A的子节点
• 兄弟节点：具有相同的父节点的节点互为兄弟节点。如上图B,C互为兄弟节点
• 树的度：一颗树中，最大节点的度就是该数的度。如上图数的度为3
• 节点的层次：从根开始定义起，根为第一层，根的子节点为第二层，依次类推。如上图G节点的层次为3
• 树的高度或深度：树中节点的最大层次。如上图树的深度为5
• 堂兄弟节点：父节点在同一层的节点互为堂兄弟节点。如上图D,G互为堂兄弟节点
• 节点的祖先：从根到该节点所经分支上的所以节点。如上图A是所以节点的祖先
• 子孙节点 ：以某节点为根的子树中任一节点都称为该节点的子孙。如上图所以节点是A的子孙
• 森林：由m棵互不相交的树的集合称为森林

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二、二叉树

二叉树的概念

由一个根节点加上两颗子树构成 。

• 二叉树的度最大为2
• 二叉树是有序树，二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒

二叉树的性质

若规定根节点的层数是1，则一个非空二叉树的第K层最多有2^(k - 1)个节点

若规定根节点的层数是1，则深度为h的二叉树的最大节点数是2^h - 1

对于任何一颗二叉树，如果度为0的节点为N0，度为2的节点为N2，那么N0 = N2 + 1 (数学归纳)

若规定根节点的层数是1，具有N个节点的满二叉树的深度为log(n + 1)[以2为底]

对于具有n个节点的完全二叉树，如果按照从上至下从左到右的数组顺序对所以节点从0开始编号(也就是堆的结构)，则对序号为K的节点有：
若k>0,k节点的父节点的序号：(k - 1) / 2;
如果k是0(根节点)，则无父节点
若2k+1k+1，右孩子序号2k+2 如果2k+1> n则无左孩子 2*k+2>n则无右孩子

三、二叉树链式结构实现

二叉树节点定义

节点需要一个数据域，一个指向左孩子节点的指针，一个指向右孩子节点的指针。

typedef char BTDataType;

typedef struct BinaryTreeNode
{
	BTDataType data;
	struct BinaryTreeNode* left;
	struct BinaryTreeNode* right;
}BTNode;

创建二叉树节点

我们只需要传递二叉树节点的数据即可，动态开辟出的节点空间用返回值的方式接受。
malloc出一块节点空间，将函数参数给data，使left 和 right 指向NULL，返回该空间的地址

//创建二叉树的节点
BTNode* BuyBinaryTreeNode(BTDataType x)
{
	BTNode* root = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
	if (root == NULL)
	{
		perror("malloc:");
		exit(-1);
	}
	root->data = x;
	root->left = root->right = NULL;

	return root;
}

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为了方便我们理解，这里我们先手动创建一个二叉树来进行讲解相关操作，最后在来讲解先序创建二叉树。

void test()
{
	BTNode* a = BuyBinaryTreeNode('A');
	BTNode* b = BuyBinaryTreeNode('B');
	BTNode* c = BuyBinaryTreeNode('C');
	BTNode* d = BuyBinaryTreeNode('D');
	BTNode* e = BuyBinaryTreeNode('E');
	BTNode* f = BuyBinaryTreeNode('F');
	BTNode* g = BuyBinaryTreeNode('G');
	BTNode* h = BuyBinaryTreeNode('H');

	a->left = b;
	b->left = d;
	b->right = e;
	e->right = h;
	a->right = c;
	c->left = f;
	c->right = g;
}

创建的二叉树就是下图所示：

遍历二叉树

遍历二叉树有多种方式：

• 先序遍历 ：根节点 -> 左子树 -> 右子树
• 中序遍历 ：左子树-> 根节点 -> 右子树
• 后序遍历 ：左子树 -> 右子树 -> 根节点
• 层序遍历 ： 从左到右从上到下，依次遍历二叉树节点

先序遍历二叉树(BinaryTreePrevOrder)

对于下图中的二叉树，其先序遍历结果为：ABD##E#H##CF##G##( ’ # ’ 表示NULL )

那么是如何遍历的？我们需要按照根，左，右的顺序递归二叉树即可。

//二叉树前序遍历   根节点 左子树  右子树
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//根节点
	printf("%c ", root->data);
	//左子树
	BinaryTreePrevOrder(root->left);
	//右子树
	BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

这份代码是如何展开的？

中序遍历二叉树(BinaryTreeInOrder)

中序遍历与先序遍历类似，只有将根节点的访问与左子树递归交换执行顺序即可
对于下图中的二叉树，其中序遍历结果为：#D#B#E#H#A#F#C#G# ( ’ # ’ 表示NULL )

//二叉树中序遍历		左子树  根  右子树
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//左子树
	BinaryTreeInOrder(root->left);
	//根
	printf("%c ", root->data);
	//右子树
	BinaryTreeInOrder(root->right);
}

后序遍历二叉树(BinaryTreePostOrder)

后序遍历，就是再次调整根节点的访问顺序，将根节点的访问顺序调整到左子树递归与右子树递归后即可。

对于下图中的二叉树，其中序遍历结果为：##D###HEB##F##GCA ( ’ # ’ 表示NULL )

//二叉树后序遍历  左子树 右子树 根
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//左子树
	BinaryTreePostOrder(root->left);
	//右子树
	BinaryTreePostOrder(root->right);
	//根
	printf("%c ", root->data);
}

层序遍历二叉树(BinaryTreeLevelOrder)

要实现二叉树的层序遍历，我们需要借助队列。
我们将根节点先入队列，之后我们每次出队头数据时，将该队头数据指向的左子节点 与 右子节点分别入队列，如果左子节点 或 右子节点 为NULL就不入队列，重复上述过程直到队列为空

//层序遍历  借助队列  出队头数据时，将其左子节点 与 右子节点依次入队列
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{
	Quene q;
	QueneInit(&q);

	//入根节点
	QuenePush(&q, root);

	//队列为空，代表二叉树中元素也遍历完成
	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		QDataType val = QueneFront(&q);
			printf("%c ", val->data);

		//入数据  该节点的左节点 与 右节点
		if (val->left != NULL)
			QuenePush(&q, val->left);

		if (val->right != NULL)
			QuenePush(&q, val->right);

		//出队头数据
		QuenePop(&q);
	}
		QueneDestrory(&q);
}

二叉树节点个数(BinaryTreeSize)

我们使用递归的思路来看待二叉树节点个数的接口。
子问题：根节点的左子树的节点个数 与 根节点的右子树的节点个数
结束条件：空节点返回
所以求二叉树节点个数的问题可以转换为求根节点左子树节点数 + 根节点右子树节点数 +根节点的节点总数

//二叉树节点个数   根节点的左子树与右子树的节点个数和  
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		return 0;
	}

	//        左子树节点数                 右子树节点数               根节点
	return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}

对于下面二叉树的递归展开图：

二叉树第K层节点个数(BinaryTreeLevelKSize)

函数声明：

int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);

子问题：根节点左子树第K-1层节点个数 与 根节点右子树第K-1层节点个数
结束条件：访问到空节点 或 找到所求层数(k == 1)

也就是说，求二叉树第K层节点数的问题转换为求根节点左子树第K-1层节点数 与 根节点右子树第K-1层节点数之和。

//二叉树第K层节点个数       左子树的第k-1层节点数 + 右子树的第k-1层节点数     不同栈帧的k互不影响
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{
	//如果 k 超过数的深度
	if (root == NULL)
		return 0;

	if (k == 1)
		return 1;

	return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}

对于下面二叉树，求第3层节点数的递归展开图。

二叉树叶子节点个数(BinaryTreeLeafSize)

函数声明：

int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);

子问题：根节点左子树叶子结点 与 根节点右子树叶子结点
结束条件：访问到空节点 或 访问到叶子结点

原问题转换成根节点左子树叶子结点个数 + 根节点右子树叶子结点个数。

//二叉树叶子节点个数   左子树的叶子节点 + 右子树的叶子结点
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return 0;

	if (root->left == NULL && root->right == NULL)
		return 1;

	return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}

对于下面二叉树，求其叶子结点的个树的递归展开图

二叉树查找值为X的节点(BinaryTreeFind)

先序遍历查找节点，如果是该节点，直接返回该节点地址。如果不是该节点，继续查找该节点的左子树，如果左子树也没找到，查找右子树。

//二叉树查找值为X的节点   前序遍历查找  
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{
	if (root == NULL)
		return NULL;

	//根
	if (root->data == x)
		return root;

	//左子树
	BTNode* leftNode = BinaryTreeFind(root->left, x);
	if (leftNode != NULL)
		return leftNode;

	//右子树
	BTNode* rightNode = BinaryTreeFind(root->right, x);
	if (rightNode != NULL)
		return rightNode;

	return NULL;
}

对于下面二叉树，查找 ’ C '的递归展开图

判断二叉树是否是完全二叉树(BinaryTreeComplete)

完全二叉树也就是堆，当其层序遍历时，其中有效数据(不包含NULL)是连续的。
只需要借助队列，来层序遍历二叉树(如果某个节点左子节点或右子节点是NULL也入队列)。当队列首数据是NULL时，判断其后数据是否全是NULL，如果其后数据全是NULL，返回true，如果其后元素有一个不是NULL，返回false。

//完全二叉树的节点是连续的，层序遍历二叉树，如果遇到NULL，检查栈中后续元素是否都为NULL
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{
	Quene q;
	QueneInit(&q);

	QuenePush(&q, root);
	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		BTNode* node = QueneFront(&q);
		QuenePop(&q);

		if (node != NULL)
		{
			QuenePush(&q, node->left);
			QuenePush(&q, node->right);
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		BTNode* node = QueneFront(&q);
		QuenePop(&q);

		if (node != NULL)
		{
			QueneDestrory(&q);
			return false;
		}
	}

	QueneDestrory(&q);
	return true;
}

通过前序遍历的数组构建二叉树

在先序遍历的数组中，我们以’ # '代表NULL。
函数声明：其中a是先序遍历的数组，n是节点数，pi是现在节点的个数

BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);

子问题：构建左子树与右子树
结束条件：遇到先序遍历数组的’ # '或节点数大于n
创建根节点，再遍历左子树和右子树，使根节点指向左子树与右子树。

//通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{
	if (*pi >= n  || a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	BTNode* newnode = BuyBinaryTreeNode(a[*pi]);
	(*pi)++;

	//左子节点
	BTNode* leftnode = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	newnode->left = leftnode;

	//右子节点
	BTNode* rightnode = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	newnode->right = rightnode;

	return newnode;
}

四、代码展示

二叉树代码展示

#pragma once

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

typedef char BTDataType;

typedef struct BinaryTreeNode
{
	BTDataType data;
	struct BinaryTreeNode* left;
	struct BinaryTreeNode* right;
}BTNode;



//通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);

//二叉树的销毁
void BinaryTreeDestroy(BTNode* root);

//二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root);

//二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);

//二叉树第K层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);

//二叉树查找值为X的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);

//二叉树前序遍历
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);

//二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);

//二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);

//层序遍历
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);

//判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root);

//创建二叉树的节点
BTNode* BuyBinaryTreeNode(BTDataType x);

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#include "BinaryTree.h"
#include "quene.h"

//创建二叉树的节点
BTNode* BuyBinaryTreeNode(BTDataType x)
{
	BTNode* root = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
	if (root == NULL)
	{
		perror("malloc:");
		exit(-1);
	}
	root->data = x;
	root->left = root->right = NULL;

	return root;
}

//二叉树前序遍历   根节点 左子树  右子树
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//根节点
	printf("%c ", root->data);
	//左子树
	BinaryTreePrevOrder(root->left);
	//右子树
	BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

//二叉树中序遍历		左子树  根  右子树
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//左子树
	BinaryTreeInOrder(root->left);
	//根
	printf("%c ", root->data);
	//右子树
	BinaryTreeInOrder(root->right);
}

//二叉树后序遍历  左子树 右子树 根
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}

	//左子树
	BinaryTreePostOrder(root->left);
	//右子树
	BinaryTreePostOrder(root->right);
	//根
	printf("%c ", root->data);
}



//二叉树的销毁  后序遍历二叉树 
void BinaryTreeDestroy(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		return;
	}

	//左子树
	BinaryTreeDestroy(root->left);
	//右子树
	BinaryTreeDestroy(root->right);
	//根
	free(root);
}



//二叉树节点个数   根节点的左子树与右子树的节点个数和  
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		return 0;
	}

	//        左子树节点数                 右子树节点数               根节点
	return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}



//二叉树叶子节点个数   左子树的叶子节点 + 右子树的叶子结点
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return 0;

	if (root->left == NULL && root->right == NULL)
		return 1;

	return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}



//二叉树第K层节点个数       左子树的第k层节点数 + 右子树的第k层节点数     不同栈帧的k互不影响
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{
	//如果 k 超过数的深度
	if (root == NULL)
		return 0;

	if (k == 1)
		return 1;

	return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}




//二叉树查找值为X的节点   前序遍历查找  
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{
	if (root == NULL)
		return NULL;

	//根
	if (root->data == x)
		return root;

	//左子树
	BTNode* leftNode = BinaryTreeFind(root->left, x);
	if (leftNode != NULL)
		return leftNode;

	//右子树
	BTNode* rightNode = BinaryTreeFind(root->right, x);
	if (rightNode != NULL)
		return rightNode;

	return NULL;
}



//层序遍历  借助队列  出队头数据时，将其左子节点 与 右子节点依次入队列
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{
	Quene q;
	QueneInit(&q);

	//入根节点
	QuenePush(&q, root);

	//队列为空，代表二叉树中元素也遍历完成
	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		QDataType val = QueneFront(&q);
			printf("%c ", val->data);

		//入数据  该节点的左节点 与 右节点
		if (val->left != NULL)
			QuenePush(&q, val->left);

		if (val->right != NULL)
			QuenePush(&q, val->right);

		//出队头数据
		QuenePop(&q);
	}
		QueneDestrory(&q);
}



//判断二叉树是否是完全二叉树    层序遍历二叉树

//bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
//{
//	Quene q;
//	QueneInit(&q);
//
//	//如果某个节点的右节点为空，那么之后遍历的节点的左/右节点也应该为空
//	bool flag = false;
//
//	QuenePush(&q, root);
//	while (!QueneEmpty(&q))
//	{
//		QDataType val = QueneFront(&q);
//
//		if (val->left == NULL && val->right != NULL)
//			return false;
//
//		if (flag == true && (val->left != NULL || val->right != NULL))
//			return false;
//
//		if (val->left != NULL)
//			QuenePush(&q, val->left);
//
//		if (val->right != NULL)
//			QuenePush(&q, val->right);
//		else
//			flag = true;
//
//		QuenePop(&q);
//	}
//
//	return true;
//}

//完全二叉树的节点是连续的，层序遍历二叉树，如果遇到NULL，检查栈中后续元素是否都为NULL
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{
	Quene q;
	QueneInit(&q);

	QuenePush(&q, root);
	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		BTNode* node = QueneFront(&q);
		QuenePop(&q);

		if (node != NULL)
		{
			QuenePush(&q, node->left);
			QuenePush(&q, node->right);
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

	while (!QueneEmpty(&q))
	{
		BTNode* node = QueneFront(&q);
		QuenePop(&q);

		if (node != NULL)
		{
			QueneDestrory(&q);
			return false;
		}
	}

	QueneDestrory(&q);
	return true;
}



//通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{
	if (*pi >= n  || a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	BTNode* newnode = BuyBinaryTreeNode(a[*pi]);
	(*pi)++;

	//左子节点
	BTNode* leftnode = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	newnode->left = leftnode;

	//右子节点
	BTNode* rightnode = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	newnode->right = rightnode;

	return newnode;
}

---

队列代码展示

#include "BinaryTree.h"
#include 

//队列 节点结构--树节点
typedef struct QueneNode
{
	struct BinaryTreeNode* data;
	struct QueneNode* next;
}QueneNode;

typedef struct BinaryTreeNode* QDataType;

//队列 结构
typedef struct Quene
{
	QueneNode* head;
	QueneNode* tail;
	int size;
}Quene;


//初始化队列
void QueneInit(Quene* q);

//队尾入队列
void QuenePush(Quene* q, QDataType x);

//队头出数据
void QuenePop(Quene* q);

//获取队列头部元素
QDataType QueneFront(Quene* q);

//获取队列队尾元素
QDataType QueneBack(Quene* q);

//获取队列中有效元素个数
int QueneSize(Quene* q);

//检查队列是否为空，如果为空返回ture，如果非空返回false
bool QueneEmpty(Quene* q);

//销毁队列
void QueneDestrory(Quene* q);

---

#include "quene.h"

//初始化队列
void QueneInit(Quene* q)
{
	assert(q);

	q->head = q->tail = NULL;
	q->size = 0;
}

//队尾入队列
void QuenePush(Quene* q, QDataType x)
{
	assert(q);

	QueneNode* newnode = (QueneNode*)malloc(sizeof(QueneNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;

	//队列为空
	if (QueneEmpty(q) == true)
	{
		q->head = q->tail = newnode;
	}
	else//队列不为空
	{
		q->tail->next = newnode;
		q->tail = newnode;
	}

	q->size++;
}



//队头出数据
void QuenePop(Quene* q)
{
	assert(q);
	//队列为空
	assert(QueneEmpty(q) != true);

	//队列只有一个元素
	if (q->head->next == NULL)
	{
		free(q->head);
		q->head = q->tail = NULL;
	}
	else//队列中有多个元素
	{
		QueneNode* next = q->head->next;
		free(q->head);
		q->head = next;
	}

	q->size--;
}


//获取队列头部元素
QDataType QueneFront(Quene* q)
{
	assert(q);

	return q->head->data;
}


//获取队列队尾元素
QDataType QueneBack(Quene* q)
{
	assert(q);

	return q->tail->data;
}


//获取队列中有效元素个数
int QueneSize(Quene* q)
{
	assert(q);

	return q->size;
}


//检查队列是否为空，如果为空返回ture，如果非空返回false
bool QueneEmpty(Quene* q)
{
	assert(q);

	return q->size == 0;
}


//销毁队列
void QueneDestrory(Quene* q)
{
	assert(q);

	QueneNode* cur = q->head;
	while (cur)
	{
		QueneNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

}

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总结

以上就是我对于二叉树的理解！！！