【数据结构】二叉树结构

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前言

引入二叉树——二叉树的独特之处

在学习二叉树之前，我们已经学习了从最开始的顺序表，到后面的栈和队列，再到堆，然后就到了我们现在的二叉树

我们前面学习了堆及其结构所带来的性质

堆：根据其性质（我在【数据结构】二叉树的顺序结构及实现（理论学习篇）这篇博客里详细的讲述了堆的性质，大家可通过此篇来掌握），可得到 min 或 max 值 从而解决TopK问题（此问题也在前面的链接的那篇文章中有讲述）

既然堆结构有这样的作用和意义，那么请大家思考一个问题：二叉树结构真正的意义是什么？

• 在对于数据的存储方面（数据结构的增删查改）：
  在二叉树结构中插入数据，倒不如直接用顺序表实现的二叉树结构的本质-顺序表去直接存储数据来的方便

• 但在二分查找数据并删除数据 时：

  • 顺序表要先排序成有序（遍历一遍数组，时间复杂度是O(N^2)），且找到想要的数据并且想要实现删插数据的功能时，顺序表的数据需要挪动，时间复杂度是O(N)
  • 而链表实现的二叉树 则不用挪动数据，通过堆的性质，构建出有一定性质结构的二叉树，根据这些性质结构，通过中序遍历二叉树，可快速找出想要的数据，时间复杂度是O（N*logN）

由此可见，普通的链式二叉树没有意义
而我们现在学习普通链式二叉树，重点不在于对其数据的增删查改，而是在于通过学习二叉树的结构以及其性质为后面更复杂的 搜索二叉树（AVL，红黑树等） 打下基础。

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一、二叉树的结构 的 核心思想

二叉树的结构的核心思想就是 ——" 递归 "
而 递归的本质 就在于 将一个复杂庞大的问题 逐步分解成 模式一样、最小规模 的子问题 （分治：层层分包）

递归代码逻辑运行的理解 ： 函数栈帧的创建和销毁 （建议大家先去了解一下 函数栈帧的创建和销毁的运行机制）

谨记：函数递归返回的不是最外层，而是上一层

树的结构本来就是递归结构，所以更适合用递归来实现

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二、二叉树的代码实现

>binary tree.h

#pragma once

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
#include
#include

typedef int BTDataType;

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


// 二叉树销毁
void BinaryTreeDestory(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);

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> binary tree.c

（一）手动构建二叉树 <测试用>

手动构建二叉树 —— 保存成文本文件，记录这段代码，用于下一次检测二叉树代码的正确性的样本，打造自己的 代码库。
自己画二叉树的图顺着图来链接各节点就好。

//创建树节点
BTNode* BuyNode(BTDataType x) {
	BTNode* node = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
	if (node == NULL) {
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	node->val = x;
	node->left = NULL;
	node->right = NULL;

	return node;
}


int main() {
	//手动构建二叉树   —— 保存成文本文件，记录这段代码，用于下一次检测二叉树代码的正确性的样本，打造自己的代码库
	BTNode* node1 = BuyNode(1);
	BTNode* node2 = BuyNode(2);
	BTNode* node3 = BuyNode(3);
	BTNode* node4 = BuyNode(4);
	BTNode* node5 = BuyNode(5);
	BTNode* node6 = BuyNode(6);

	BTNode* node7 = BuyNode(7);
	BTNode* node8 = BuyNode(8);
	BTNode* node9 = BuyNode(9);

	node1->left = node2;
	node1->right = node4;
	node2->left = node3;
	node4->left = node5;
	node4->right = node6;
	
	node2->right = node7;
	node3->left = node8;
	node6->right = node9；

}

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（二）二叉树销毁

前序也可以，只是要用两个临时的指针变量去存放root->left 和 root->right 这两个节点的地址，避免释放内存后找不到下一节点的指针了

// 二叉树销毁 —— 后序递归（'递'到最深处，逐层往回'归'释放内存）    //前序也可以，只是要用两个临时的指针变量去存放root->left 和 root->right 这两个节点的地址，避免释放内存后找不到下一节点的指针了
void BinaryTreeDestroy(BTNode* root) { //一级指针，形参 不影响实参
	
	if (root == NULL)  //递归返回的条件，碰到NULL就开始返回了
		return;

	BinaryTreeDestory(root->left);
	BinaryTreeDestory(root->right);  //'递'到最深处
	free(root);
    //root=NULL;   //思考：这里将root节点置空，有用吗
    	              
}

• 思考：这里将root节点置空，有用吗？
  答：BinaryTreeDestroy用于接收的只是一级指针，接收到的只是root节点里面的内容，所以只是root的一份临时拷贝（形参） ，置空要到外面才能滞空。

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（三）节点个数

• 先行版

// 节点个数
int TreeSize(BTNode* root)
{
 int size = 0;     //思考：这样 int size会出现什么问题
	if (root == NULL)
		return 0;
	else
		++size;

	TreeSize(root->left);
	TreeSize(root->right);

	return size;
}

int size = 0; // 思考：这样 int size会出现什么问题
每次函数调用递归，int size都为0，无法做到记数的作用。

• static局部变量版

 //节点个数
int TreeSize(BTNode* root)
{
	static int size = 0;
	if (root == NULL)
		return 0;
	else
	++size;

	TreeSize(root->left);
	TreeSize(root->right);

	return size;
}

static int size=0; // 局部的静态变量的初始化 只会执行一次（只会在第一次调用时执行，后面就不会再初始化为0了）

【关于static的知识点补充，后在后续补充，到时候会把链接放这里，敬请期待】

也正是因为static有这样的特性
引出问题：下一次再想调用这个函数，会出现什么情况？
下一次再调用时，static修饰的变量并未被销毁，还存放上一次调用函数的数据，并且在作用域外也没有办法对static局部变量进行修改

解决方面如下方版本：改为 定义全局变量，在下一次调用函数之前初始化一下

• 一路记数下去版

int size=0;//定义全局变量

//节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
	if (root == NULL)
		return 0;
	else
		size++;

	BinaryTreeSize(root->left);
	BinaryTreeSize(root->right);

	return size;
}

• 递归版

// 二叉树节点个数
int size=0;//定义全局变量

int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
	if (root == NULL)
		return 0;

	return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right)+1;

}

更优化的写法

int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
 //   若根节点为空，空则返回0，否则返回 BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right)+1
	return root==NULL?0:BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right)+1;

}

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（四）二叉树第k层节点个数

核心思想： root的第k层，相对与root->left,root->right的第k-1层。

// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k) {
	assert(k > 0);

	if (root == 0)
		return 0;
	if (k == 1)    //当k=1时，到第k层了
		return 1;
	
	//root的第k层，相对与root->left,root->right的第k-1层
	return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}

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（五） 二叉树查找值为x的节点 — 前序遍历

思路就是先遍历左子树，左子树找不到再去找右子树。

// 二叉树查找值为x的节点 前序遍历
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x) {  
	if (root == NULL)  //空树 递归返回的条件
		return NULL;

	if (root->val == x)
		return root;

	BTNode* ret = NULL;     //用一个指针变量来保存返回的指针
	ret= BinaryTreeFind(root->left, x); 
	if (ret)                //如果ret不为空，则返回ret
		return ret;

	ret= BinaryTreeFind(root->right, x);    //ret为空则继续遍历右子树
	if (ret)
		return ret;

	return NULL;
}

也是根据这样的思路，有的同学可能会出现这样的错误

// 二叉树查找值为x的节点 前序遍历
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x) {  
	if (root == NULL)  //空树 递归返回的条件
		return NULL;

	if (root->val == x)
		return root;

	return BinaryTreeFind(root->left, x) || BinaryTreeFind(root->right, x)  //如果左子树找到了，就不用再遍历右子树了
}

思考一下，这样会导致什么问题。

解析：逻辑运算符：|| 逻辑或 。确实是能做到 判断左边若为true，则结束判断。
但判断完了，其返回的是数（C语言中，判断真假，非0为真，0则为假），而不是 函数返回类型 BTNode* BinaryTreeFind (BTNode* root, BTDataType x) 中的BTNode* 。返回的就不是指针了。

【关于 逻辑或 || 运算符 的知识点补充，后在后续补充，到时候会把链接放这里，敬请期待】

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(六) 二叉树前序遍历

// 二叉树前序遍历 
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root) {
	if (root == NULL) {
		printf("NULL");

		return;
	}

	printf("%d", root->val);
	BinaryTreePrevOrder(root->left);
	BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

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(七) 二叉树中序遍历

// 二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root) {
	if (root == NULL) {
		printf("NULL");

		return;
	}

	BinaryTreeInOrder(root->left);
	printf("%d", root->val);
	BinaryTreeInOrder(root->right);
}

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(八) 二叉树后序遍历

// 二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root) {
	if (root == NULL) {
		printf("NULL");

		return;
	}

	BinaryTreePostOrder(root->left);
	BinaryTreePostOrder(root->right);
	printf("%d", root->val);
}

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(九) 层序遍历—— 队列实现

队列：先进先出

• 核心思路：上一层带下一层

// 层序遍历—— 队列实现
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root) {
    Que q;
	QueueInit(&q);
    
	if(root)
	QueuePush(&q, root); //存放头节点的地址，QNode里的data存放地址值

	while (!QueueEmpty(&q)) {
		BTNode* front = QueueFront(&q); //取出用BTNode*来保存   //取头节点，读取printf头节点
		printf("%d",front->val);
		if (front->left)                        //再顺带把其下一层带上
			QueuePush(&q, front->left);

		if (front->right)
			QueuePush(&q,front->right);

		QueuePop(&q);                           //再排出其左节点
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);
}

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> test.c

int main()
{
	// 手动构建
	BTNode* node1 = BuyNode(1);
	BTNode* node2 = BuyNode(2);
	BTNode* node3 = BuyNode(3);
	BTNode* node4 = BuyNode(4);
	BTNode* node5 = BuyNode(5);
	BTNode* node6 = BuyNode(6);

	node1->left = node2;
	node1->right = node4;
	node2->left = node3;
	node4->left = node5;
	node4->right = node6;

	PrevOrder(node1);
	printf("\n");

	InOrder(node1);
	printf("\n");

	PostOrder(node1);
	printf("\n");

	printf("%d\n", TreeSize(node1));

	//size = 0;
	printf("%d\n", TreeSize(node1));

	TreeDestroy(node1);
	node1 = NULL;

	return 0;
}