【数据结构C/C++】顺序与链式二叉树创建与前中后、层序遍历

顺序存储结构二叉树

顺序存储结构的二叉树的特点在于，其使用数组存放二叉树中的每一个节点。
我们设定根节点的数组索引下标为n（n>=1），那么有当前根节点的左子树节点在数组中的下标为2n，右子树在数组中的下标为2n+1。
上面是顺序存储结构二叉树的最最最重要的一个特性，我们后面的所有操作都基于这个理论。
相对于比较简单的对于链式存储结构的二叉树的遍历，以及计算最大二叉树深度，链式存储结构都会更加接单，而顺序存储结构则需要考虑到当前节点是否为空，并且当前索引是否超出了树当前最大的节点个数。

LeetCode计算二叉树最大深度

这里我不推荐你花大把时间去实现一个顺序存储结构的二叉树的层序遍历，因为我们知道，层序遍历一般的解法都是配合一个队列或者栈来实现的。
我在写Java的时候一般都会使用Deque也就是双端队列来实现，但是C语言并没有提供这样子的功能，你还得手动实现，比较费时，因此我不太推荐。
当然，有兴趣的可以去刷一下LeetCode链式存储结构的层序遍历，还是比较常见的。

先附上一张代码运行的图片。

#include 
#include 
#include 
#include 

#define MaxSize 100

typedef char TreeNodeType;

//二叉树结构
typedef struct
{
    TreeNodeType data[MaxSize];
    int BiTreeNum;
} BinaryTree;

// 声明队列数据结构
typedef struct
{
    int front, rear;
    int size;
    int capacity;
    int *array;
} Queue;

void initTree(BinaryTree *T);
void createTree(BinaryTree *T, int n);
TreeNodeType rootTree(BinaryTree *T);
int countTree(BinaryTree *T);
int maxDepthOfTree(BinaryTree *T, int n);
void preOrderTraverse(BinaryTree *T, int n);
void inOrderTraverse(BinaryTree *T, int n);
void postOrderTraverse(BinaryTree *T, int n);
void levelOrderTraverse(BinaryTree *T); // 层序遍历
bool destoryTree(BinaryTree *T);
void traverseArray(BinaryTree *T); // 遍历数组


// 队列相关函数
Queue *createQueue(int capacity);
bool isQueueEmpty(Queue *queue);
bool isQueueFull(Queue *queue);
void enqueue(Queue *queue, int item);
int dequeue(Queue *queue);


int main()
{
    BinaryTree T;
    // 开始构造二叉树 其中使用1作为根节点下标
    // 而不是使用0，使用0的问题在于不好表示数据在数组中的位置
    // 我们知道二叉树满足 当前节点n的左子树和右子树的序列号应该为 2n和2n+1
    initTree(&T);
    printf("请输入根结点(输入#表示该结点为空):");
    createTree(&T, 1);

    traverseArray(&T);

    printf("当前二叉树的最大深度为：%d\n", maxDepthOfTree(&T, 1));

    printf("先序遍历：");
    preOrderTraverse(&T, 1);
    printf("\n");

    printf("中序遍历：");
    inOrderTraverse(&T, 1);
    printf("\n");

    printf("后序遍历：");
    postOrderTraverse(&T, 1);
    printf("\n");

    printf("层序遍历：");
    levelOrderTraverse(&T);
    printf("\n");

    return 0;
}


void initTree(BinaryTree *T)
{
    int i;
    for (i = 0; i < MaxSize; ++i)
    {
        T->data[i] = '\0';
    }

    T->BiTreeNum = 0;
    return;
}

void createTree(BinaryTree *T, int n)
{
    char ch;
    // 刷新（清空）标准输入流（stdin）
    // 主打一个求稳
    fflush(stdin);
    // 输入当前节点信息 # 代表当前节点为空
    // 先构造过字数
    scanf(" %c", &ch);
    if (ch == '#')
    { // 空直接返回
        return;
    }
    else
    {
        T->data[n] = ch;
        T->BiTreeNum++;
        printf("输入 %c 的左子树数据（输入#表示当前左子树为空: ", ch);
        // 这里有一个技巧
        createTree(T, 2 * n);
        printf("输入 %c 的右子树数据（输入#表示当前右边子树为空）: ", ch);
        createTree(T, (2 * n + 1));
    }
}


// 计算二叉树的最大深度
// 从根节点到叶子节点的最长路径的长度
// 由于是顺序结构 因此这里从第一层也就是n=1开始向下遍历
// 然后不断的判断左子树和右子树的高度
// 最后取最大值
int maxDepthOfTree(BinaryTree *T, int n)
{
    if (n <= T->BiTreeNum && T->data[n] != '\0')
    {
        int leftDepth = maxDepthOfTree(T, 2 * n);
        int rightDepth = maxDepthOfTree(T, 2 * n + 1);

        return 1 + fmax(leftDepth, rightDepth);
    }
    else
    {
        return 0;
    }
}

//先序遍历 根左右
void preOrderTraverse(BinaryTree *T, int n)
{
    if (T->data[n] == '\0')
        return;
    else
    {
        printf("%c ", T->data[n]);
        preOrderTraverse(T, 2 * n);
        preOrderTraverse(T, (2 * n + 1));
    }
}
//中序遍历 左根由7
void inOrderTraverse(BinaryTree *T, int n)
{
    if (T->data[n] == '\0')
        return;
    else
    {
        inOrderTraverse(T, 2 * n);
        printf("%c ", T->data[n]);
        inOrderTraverse(T, (2 * n + 1));
    }
}
//后序遍历  左右根
void postOrderTraverse(BinaryTree *T, int n)
{
    if (T->data[n] == '\0')
        return;
    else
    {
        postOrderTraverse(T, 2 * n);
        postOrderTraverse(T, (2 * n + 1));
        printf("%c ", T->data[n]);
    }
}
void traverseArray(BinaryTree *T){
    for(int i=1;i<=T->BiTreeNum;i++){
        printf("%c  ",T->data[i]);
    }
    printf("\n");
}

// 层序遍历二叉树
void levelOrderTraverse(BinaryTree *T)
{
    if (T->BiTreeNum == 0)
    {
        printf("二叉树为空\n");
        return;
    }
	//创建一个队列存放当前层
    Queue *queue = createQueue(T->BiTreeNum);
    int current = 1; // 从根节点开始
	//结束条件
    while (current <= T->BiTreeNum)
    {
        printf("%c ", T->data[current]);
		//判断左子树是否存在 存在就放入队列
        if (2 * current <= T->BiTreeNum && T->data[2 * current] != '\0')
        {
            enqueue(queue, 2 * current);
        }
		//判断右子树是否存在 存在就放入队列
        if (2 * current + 1 <= T->BiTreeNum && T->data[2 * current + 1] != '\0')
        {
            enqueue(queue, 2 * current + 1);
        }
		//出队对头 
        if (!isQueueEmpty(queue))
        {
            current = dequeue(queue);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
	//使用完毕释放空间
    free(queue->array);
    free(queue);
}

// 创建队列
Queue *createQueue(int capacity)
{
    Queue *queue = (Queue *)malloc(sizeof(Queue));
    if (!queue)
    {
        perror("内存分配失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    queue->front = 0;
    queue->rear = -1;
    queue->size = 0;
    queue->capacity = capacity;
    queue->array = (int *)malloc(capacity * sizeof(int));
    if (!queue->array)
    {
        perror("内存分配失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return queue;
}

// 检查队列是否为空
bool isQueueEmpty(Queue *queue)
{
    return (queue->size == 0);
}

// 检查队列是否已满
bool isQueueFull(Queue *queue)
{
    return (queue->size == queue->capacity);
}

// 入队列
void enqueue(Queue *queue, int item)
{
    if (isQueueFull(queue))
    {
        printf("队列已满\n");
        return;
    }

    queue->rear = (queue->rear + 1) % queue->capacity;
    queue->array[queue->rear] = item;
    queue->size++;
}

// 出队列
int dequeue(Queue *queue)
{
    if (isQueueEmpty(queue))
    {
        printf("队列为空\n");
        return -1;
    }

    int item = queue->array[queue->front];
    queue->front = (queue->front + 1) % queue->capacity;
    queue->size--;

    return item;
}

链式存储结构二叉树

链式存储结构构造一个二叉树就比较简单，并且无论是遍历操作还是追求最大深度，都可以比较容易的求解。
其主要的重点在于结构体的定义，链式存储结构的精髓在于，左右指针域。

// 定义二叉树结点结构
typedef struct TreeNode
{
    int data;
    struct TreeNode *left; //左右指针
    struct TreeNode *right;
} TreeNode;

#include 
#include 
#include 
#include 

#define MaxSize 100
// 定义二叉树结点结构
typedef struct TreeNode
{
    int data;
    struct TreeNode *left;
    struct TreeNode *right;
} TreeNode;

// 函数声明
TreeNode *createNode(int data);
TreeNode *insert(TreeNode *root, int data);
TreeNode *search(TreeNode *root, int data);
TreeNode *findMin(TreeNode *root);
TreeNode *deleteNode(TreeNode *root, int data);
void preorderTraversal(TreeNode *root);
void inorderTraversal(TreeNode *root);
void postorderTraversal(TreeNode *root);
int maxDepthOfTree(TreeNode *root);
void levelOrderTraversal(TreeNode *root);

TreeNode *root = NULL;

int main()
{
    int choice, data;

    printf("基于链式存储结构的二叉树操作：\n");

    while (1)
    {
        printf("\n请选择操作：\n");
        printf("1. 插入\n");
        printf("2. 删除\n");
        printf("3. 查找\n");
        printf("4. 层序遍历\n");
        scanf("%d", &choice);

        switch (choice)
        {
        case 1:
            printf("输入要插入的数据: ");
            scanf("%d", &data);
            root = insert(root, data);
            printf("前序遍历结果为：");
            preorderTraversal(root);
            printf("中序遍历结果为：");
            inorderTraversal(root);
            printf("后序遍历结果为：");
            postorderTraversal(root);
            printf("二叉树最大深度为：%d\n", maxDepthOfTree(root));
            break;

        case 2:
            printf("输入要删除的数据: ");
            scanf("%d", &data);
            root = deleteNode(root, data);
            printf("前序遍历结果为：");
            preorderTraversal(root);
            printf("中序遍历结果为：");
            inorderTraversal(root);
            printf("后序遍历结果为：");
            postorderTraversal(root);
            printf("二叉树最大深度为：%d\n", maxDepthOfTree(root));
            break;

        case 3:
            printf("输入要查找的数据: ");
            scanf("%d", &data);
            TreeNode *result = search(root, data);
            if (result != NULL)
            {
                printf("找到了 %d\n", result->data);
            }
            else
            {
                printf("未找到 %d\n", data);
            }
            printf("前序遍历结果为：");
            preorderTraversal(root);
            printf("中序遍历结果为：");
            inorderTraversal(root);
            printf("后序遍历结果为：");
            postorderTraversal(root);
            printf("二叉树最大深度为：%d\n", maxDepthOfTree(root));
            break;

        case 4:
            printf("层序遍历结果为：");
            levelOrderTraversal(root);
            printf("\n");
            break;
        }
    }

    return 0;
}

// 创建新的二叉树结点
TreeNode *createNode(int data)
{
    TreeNode *newNode = (TreeNode *)malloc(sizeof(TreeNode));
    if (newNode == NULL)
    {
        perror("内存分配失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    newNode->data = data;
    newNode->left = NULL;
    newNode->right = NULL;
    return newNode;
}

// 插入结点
TreeNode *insert(TreeNode *root, int data)
{
    if (root == NULL)
    {
        return createNode(data);
    }

    if (data < root->data)
    {
        root->left = insert(root->left, data);
    }
    else if (data > root->data)
    {
        root->right = insert(root->right, data);
    }

    return root;
}

// 查找结点
TreeNode *search(TreeNode *root, int data)
{
    if (root == NULL || root->data == data)
    {
        return root;
    }

    if (data < root->data)
    {
        return search(root->left, data);
    }
    else
    {
        return search(root->right, data);
    }
}

// 找到最小值结点
TreeNode *findMin(TreeNode *root)
{
    while (root->left != NULL)
    {
        root = root->left;
    }
    return root;
}

// 删除结点
TreeNode *deleteNode(TreeNode *root, int data)
{
    if (root == NULL)
    {
        return root;
    }

    if (data < root->data)
    {
        root->left = deleteNode(root->left, data);
    }
    else if (data > root->data)
    {
        root->right = deleteNode(root->right, data);
    }
    else
    {
        // 结点有一个子结点或没有子结点
        if (root->left == NULL)
        {
            TreeNode *temp = root->right;
            free(root);
            return temp;
        }
        else if (root->right == NULL)
        {
            TreeNode *temp = root->left;
            free(root);
            return temp;
        }

        // 结点有两个子结点，找到中序遍历的后继结点（右子树中的最小值）
        TreeNode *temp = findMin(root->right);
        root->data = temp->data;
        root->right = deleteNode(root->right, temp->data);
    }

    return root;
}

// 前序遍历
void preorderTraversal(TreeNode *root)
{
    if (root != NULL)
    {
        printf("%d ", root->data);
        preorderTraversal(root->left);
        preorderTraversal(root->right);
    }
}

// 中序遍历
void inorderTraversal(TreeNode *root)
{
    if (root != NULL)
    {
        inorderTraversal(root->left);
        printf("%d ", root->data);
        inorderTraversal(root->right);
    }
}

// 后序遍历
void postorderTraversal(TreeNode *root)
{
    if (root != NULL)
    {
        postorderTraversal(root->left);
        postorderTraversal(root->right);
        printf("%d ", root->data);
    }
}

// 计算二叉树的最大深度
int maxDepthOfTree(TreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return 0;
    }
    else
    {
        int leftHeight = maxDepthOfTree(root->left);
        int rightHeight = maxDepthOfTree(root->right);
        return fmax(leftHeight, rightHeight) + 1;
    }
}

// 层序遍历
void levelOrderTraversal(TreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }

    // 创建一个队列用于层序遍历
    TreeNode *queue[MaxSize];
    int front = 0, rear = 0;

    queue[rear++] = root; // 根结点入队

    while (front < rear)
    {
        TreeNode *current = queue[front++];
        printf("%d ", current->data);

        // 左子结点入队
        if (current->left != NULL)
        {
            queue[rear++] = current->left;
        }

        // 右子结点入队
        if (current->right != NULL)
        {
            queue[rear++] = current->right;
        }
    }
}

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