数据结构--二叉树

目录

 1.二叉树链式结构的实现

1.1 前置说明

1.2 二叉树的遍历

1.2.1 前序、中序以及后序遍历

1.2.2 层序遍历及判断是否为完全二叉树

1.3 节点个数,叶子节点个数,第k层节点个数以及高度等

1.4 二叉树的创建和销毁


 1.二叉树链式结构的实现


1.1 前置说明

        这时直接创建的二叉树,方便于各个接口函数的测试,当然你也可以选择1.4的方法直接创建。

typedef int BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{
	BTDataType data;
	struct BinaryTreeNode* left;
	struct BinaryTreeNode* right;
}TreeNode;

TreeNode* BuyTreeNode(int x)
{
	TreeNode* node = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
	assert(node);

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

	return node;
}
TreeNode* CreateTree()
{
	TreeNode* node1 = BuyTreeNode(1);
	TreeNode* node2 = BuyTreeNode(2);
	TreeNode* node3 = BuyTreeNode(3);
	TreeNode* node4 = BuyTreeNode(4);
	TreeNode* node5 = BuyTreeNode(5);
	TreeNode* node6 = BuyTreeNode(6);
	TreeNode* node7 = BuyTreeNode(7);


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

	return node1;
}

再看二叉树基本操作前,再回顾下二叉树的概念,二叉树是:
        1. 空树
        2. 非空:根节点,根节点的左子树、根节点的右子树组成的。

数据结构--二叉树_第1张图片

        从概念中可以看出,二叉树定义是递归式的,因此后序基本操作中基本都是按照该概念实现的。


1.2 二叉树的遍历


1.2.1 前序、中序以及后序遍历

         学习二叉树结构,最简单的方式就是遍历。所谓二叉树遍历是按照某种特定的规则,依次对二叉树中的节点进行相应的操作,并且每个节点只操作一次。访问结点所做的操作依赖于具体的应用问题。 遍历是二叉树上最重要的运算之一,也是二叉树上进行其它运算的基础。

数据结构--二叉树_第2张图片

按照规则,二叉树的遍历有:前序/中序/后序的递归结构遍历:
        1. 前序遍历(Preorder Traversal 亦称先序遍历)——访问根结点的操作发生在遍历其左右子树之前。
        2. 中序遍历(Inorder Traversal)——访问根结点的操作发生在遍历其左右子树之中间。
        3. 后序遍历(Postorder Traversal)——访问根结点的操作发生在遍历其左右子树之后。

下面主要分析前序递归遍历,中序与后序图解类似,可以自己画画看。

        (1.)**前序遍历**,也称为**深度优先遍历**。它从根节点开始,递归地访问左子树,然后访问右子树。 二叉树的前序遍历是按以下顺序访问节点的序列: 1. 根节点 2. 根节点的左子树 3. 根节点的右子树

        当左边递归到空时,会从叶子节点开始依次返回递归的结果,然后开始遍历右子树,递归迭代。
前序遍历递归图解:
数据结构--二叉树_第3张图片

前序遍历的代码:

void PrevOrder(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");
		return;
	}

	printf("%d ", root->data);
	PrevOrder(root->left);
	PrevOrder(root->right);
}

前序遍历结果为:1 2 3 4 5 6

        (2.)**中序遍历**。它从根节点开始,递归地访问左子树,然后访问当前节点,然后访问右子树。 二叉树的中序遍历是按以下顺序访问节点的序列: 1. 当前节点的左子树 2. 当前节点 3. 当前节点的右子树

中序遍历代码:

void InOrder(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");
		return;
	}

	InOrder(root->left);
	printf("%d ", root->data);
	InOrder(root->right);
}

中序遍历的结果:3 2 1 5 4 6

        (3.)**后序遍历**。它从根节点开始,递归地访问左子树,然后访问右子树,最后访问根节点。 二叉树的后序遍历是按以下顺序访问节点的序列: 1. 左子树的所有节点 2. 右子树的所有节点 3. 根节点

后序遍历代码:

void PostOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");
		return;
	}

	PrevOrder(root->left);
	PrevOrder(root->right);
	printf("%d ", root->data);
}

前序遍历结果为:3 2 5 6 4 1


1.2.2 层序遍历及判断是否为完全二叉树

层序遍历(又称广度优先遍历):除了先序遍历、中序遍历、后序遍历外,还可以对二叉树进行层序遍历。设二叉树的根节点所在层数为1,层序遍历就是从所在二叉树的根节点出发,首先访问第一层的树根节点,然后从左到右访问第2层上的节点,接着是第三层的节点,以此类推,自上而下,自左至右逐层访问树的结点的过程就是层序遍历。
数据结构--二叉树_第4张图片

        实现层序遍历,我们可以用到队列,A进入队列,可以去到B和C的地址,让A出队就能取到A的数据,然后通过B可以取到D、通过C可以取到E,F,让他们依次入队出队,就能取到每一层 的节点,最后队列为空就结束

void LevelOrder(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		// 一层一层出
		while (levelSize--)
		{
			TreeNode* front = QueueFront(&q);
			QueuePop(&q);//这里pop掉了front也能取到,因为这只是pop掉了指向节点的指针
						 //并没有真的把节点pop掉了

			printf("%d ", front->data);

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

			if (front->right)
				QueuePush(&q, front->right);
		}
		printf("\n");

		levelSize = QueueSize(&q);
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);
}

判断是否为完全二叉树

        在层序遍历的基础上,我们稍作修改就可以了。我们再出队列的过程中,如果遇到了NULL,那我们就break,然后去判断NULL的后面是否有数据,如果NULL的后面还有数据,那么这就不是一个完全二叉树。

bool TreeComplete(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front == NULL)
			break;

		QueuePush(&q, front->left);
		QueuePush(&q, front->right);
	}

	// 前面遇到空以后,后面还有非空就不是完全二叉树
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front)//判断是否为NULL,不是NULL返回false
		{
			QueueDestroy(&q);
			return false;
		}
	}

	QueueDestroy(&q);
	return true;
}

1.3 节点个数,叶子节点个数,第k层节点个数以及高度等

接口函数

// 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);

1.二叉树节点的个数

        我们用分治的思想,依次遍历左右两子树,如果不是空则+1

int TreeSize(TreeNode* root)
{
	return root == NULL ? 0 : 
		TreeSize(root->left) +
		TreeSize(root->right) + 1;
}

2.叶子节点的个数

        叶子节点的特征就是,左孩子右孩子都为空,则视为叶子节点,分别遍历两个子树的叶子节点,是叶子节点就返回1。

int treeleafsize(TreeNode* root)
{
	//空返回0
	if (root == NULL)
		return 0;
	//是叶子返回1
	if ((root->left == NULL) &&
		(root->right == NULL))
		return 1;
	//非0也不是叶子,那继续往下找叶子
	//分治 叶子=左+右
	return treeleafsize(root->left) +
		treeleafsize(root->right);
}

3.第k层的节点个数

        同样的,这里我们也用分治的思想。我们引入了变量k,我们从第一层开始,如果k不等于1的话,我就进行k-1的操作,直到k=1就到达了指定层数,k=1那么节点数就+1,统计每次递归到k=1的节点,就得到了第k层的节点数。

int lvksize(TreeNode* root, int k)
{
	assert(k > 0);
	if (root == NULL)
		return 0;
	if (k == 1)
	{
		return 1;
	}
	return lvksize(root->left, k - 1) + lvksize(root->right, k - 1);
}

4.二叉树查找值为x的节点

        节点的查找不再是简单的遍历,我们递归一次就要保存一次递归的节点,因为递归是返回给每次调用的函数本身,函数是不能存值的,因此我们需要一个变量保存。

TreeNode* findtree(TreeNode* root, int x)
{
	if (root == NULL)
	{
		return NULL;
	}
	if (root->data==x)
	{
		return root;
	}
	//保存左子树的结果
	TreeNode* ret=findtree(root->left,x);
	if (ret)
	{
		return ret;
	} 
	//保存右子树的结果
	TreeNode* ret1=findtree(root->right, x);
	if (ret1)
	{
		return ret1;
	}
}

5. 二叉树的高度

要找到二叉树的高度,我们可以使用以下算法(同样是分治的思想):

        1. 从根节点开始。

        2. 如果节点没有子节点,那么它的高度为 0。

        3.分别遍历左右子树

        4. 如果节点有一个子节点,那么它的高度为 1 加上其子节点的高度。

        5. 如果节点有两个子节点,那么它的高度为 1 加上其子节点高度的最大值。

        6.比较左右子树的大小,大的那个为二叉树的高度,最后加上根节点,就得到了二叉树的高度。

int TreeHeight(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return 0;

	return fmax(TreeHeight(root->left), TreeHeight(root->right)) + 1;
}

这里我们用到fmax函数进行比较,当然你也可以选择使用运算符进行比较。


1.4 二叉树的创建和销毁

1.二叉树的创建

        用先序,中序,后序的方式去直接创建二叉树,那么,知道先序的序列就用先序的序列去递归创建树,知道中序的序列就用中序的序列去递归创建树,知道后序的序列就用后序的序列去递归创建树

eg:用数组来存储

TreeNode* TreeCreate(char* a, int* pi)
{
	if (a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	TreeNode* root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
	if (root == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	root->data = a[(*pi)++];

	root->left = TreeCreate(a, pi);
	root->right = TreeCreate(a, pi);
	return root;
}

2.二叉树的销毁

        关于二叉树的销毁,你可以以任意序列的去销毁二叉树

void destroy_tree(Node *root) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    destroy_tree(root->left);
    destroy_tree(root->right);
    free(root);
}

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