数据结构——二叉树的链式结构
个人主页：日刷百题
系列专栏：〖C语言小游戏〗〖Linux〗〖数据结构〗 〖C语言〗
欢迎各位→点赞+收藏⭐️+留言
一、二叉树的创建
当然为了后续内容能够衔接，我们先手动创建一个固定的树，就是上面这棵树，后续内容全部围绕这棵树
typedef int DataType;
typedef struct TreeNode
{
DataType data;
struct TreeNode* left;
struct TreeNode* right;
}TreeNode;
TreeNode* BuyNode(int x)
{
TreeNode* node = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
if (node == NULL)
{
perror("malloc fail:");
return NULL;
}
node->data = x;
node->left = node->right = NULL;
}
TreeNode* CreatTree()
{
TreeNode* node1 = BuyNode(1);
TreeNode* node2 = BuyNode(2);
TreeNode* node3 = BuyNode(3);
TreeNode* node4 = BuyNode(4);
TreeNode* node5 = BuyNode(5);
TreeNode* node6= BuyNode(6);
node1->left = node2;
node1->right = node4;
node2->left = node3;
node4->left = node5;
node4->right = node6;
return node1;
}现在开始讲如何用前序遍历方式来进行创建二叉树，这里给俩种创建方法。
1.1 返回根节点指针创建
注：我们用前序遍历方式输入数字，-1代表空，上面的二叉树可写为：1 2 3 -1 -1 -1 4 5 -1 -1 6 -1 -1
TreeNode* CreatTree()
{
int i;
scanf("%d", &i);
if (i == -1)
{
return NULL;
}
TreeNode* root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
if (root == NULL)
{
perror("malloc fail:");
exit(-1);
}
root->data = i;
root->left = CreatTree();
root->right = CreatTree();
return root;
}
注：return root 是不能省略的，递归返回时，遇到空返回；或者构建完子数，返回根节点，作为上一级左子树，构建完子树，返回根节点，作为上一级右子树，依次递归回去，直到返回整个数的根节点
1.2 二级指针传参创建
同样的，依然构建上面的而二叉树，用前序遍历方式输入数字，-1代表空，上面的二叉树可写为：1 2 3 -1 -1 -1 4 5 -1 -1 6 -1 -1
void CreatTree(TreeNode** root)
{
int i;
scanf("%d", &i);
if (i == -1)
{
*root = NULL;
}
else
{
*root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
if (*root == NULL)
{
perror("malloc fail:");
exit(-1);
}
(*root)->data = i;
CreatTree(&((*root)->left));
CreatTree(&((*root)->right));
}
}注：二级指针传参可以改变一级指针的指向，同样的，这里创建好根节点后，创造左子树，在创造右子树，依次递归下去。
二、二叉树的遍历
我们先从最简单的操作----遍历学起。所谓二叉树遍历(Traversal)就是按照某种特定的规则，依次对二叉树中的结点进行相应的操作，并且每个节点有且只操作一次。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。二叉树的遍历分为四种：前序遍历、中序遍历、后序遍历和层序遍历。
2.1 前序遍历
前序遍历（Preorder Traversal）又称先根遍历，即先遍历根结点，再遍历左子树，最后遍历右子树。而对于子树的遍历，也服从上述规则。利用递归，我们可以很快地写出代码：
// 二叉树前序遍历
void PreOrder(TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return ;
}
printf("%d ", root->data);
PreOrder(root->left);
PreOrder(root->right);
}便于我们更好的理解，我们画出递归展开图
2.2 中序遍历
中序遍历（Inorder Traversal）又称中根遍历，即先遍历左子树，再遍历根结点，最后遍历右子树。同样，子树的遍历规则也是如此。递归代码如下：
// 二叉树中序遍历
void InOrder(TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return ;
}
InOrder(root->left);
printf("%d ", root->data);
InOrder(root->right);
}2.3 后序遍历
后序遍历（Inorder Traversal）又称后根遍历，即先遍历左子树，再遍历右子树，最后遍历根结点。递归代码如下：
// 二叉树后序遍历
void PostOrder(TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return ;
}
PostOrder(root->left);
PostOrder(root->right);
printf("%d ", root->data);
}2.4 层序遍历
//层序遍历
void LevelOrder(TreeNode* root)
{
Queue pq;
QueueInit(&pq);
if (root == NULL)
{
QueueDestroy(&pq);
return;
}
QueuePush(&pq,root);
while (!QueueEmpty(&pq))
{
TreeNode* front= QueueFront(&pq);
printf("%d ", front->data);
QueuePop(&pq);
if (front->left!= NULL)
{
QueuePush(&pq, front->left);
}
if (front->right != NULL)
{
QueuePush(&pq, front->right);
}
}
QueueDestroy(&pq);
}
思考：当然层序遍历这里有一个变形，我们能不能将二叉树每一层打印单独放一行，该怎么做呢？
思路：
（1）设二叉树的根节点所在层数为1，第一层根节点进队列，队列元素个数为1，size==1
（2）每出队列一次，size--,根节点出完队列，俩个子节点进队列,此时队列元素个数为第二层节点个数，size==2
（3）当我们出队列size次，把第二层元素出完，队列剩下的元素是第三层节点，size==QueueSize
以此类推，以size为循环条件，则可实现每层单独打印一行
void LevelOrder(TreeNode* root)
{
Queue pq;
QueueInit(&pq);
if (root == NULL)
{
QueueDestroy(&pq);
return;
}
QueuePush(&pq,root);
int size = 1;
while (!QueueEmpty(&pq))
{
while (size--)
{
TreeNode* front = QueueFront(&pq);
printf("%d ", front->data);
QueuePop(&pq);
if (front->left != NULL)
{
QueuePush(&pq, front->left);
}
if (front->right != NULL)
{
QueuePush(&pq, front->right);
}
}
size = QueueSize(&pq);
printf("\n");
}
QueueDestroy(&pq);
}
三、二叉树的结点
3.1 二叉树的总结点数
一颗二叉树的结点数我们可以看作是根结点+左子树结点数+右子树结点数，那左右子树的结点数又是多少呢？按照相同的方法继续拆分，层层递归直到左右子树为空树，返回空树的结点数0即可。递归代码如下：
// 二叉树节点个数
int TreeSize(TreeNode* root)
{
return root == NULL? 0 : TreeSize(root->left) + TreeSize(root->right) + 1;
}3.2 二叉树的叶子结点数
左右子树都为空的结点即是叶子结点。这里分为两种情况：左右子树都为空和左右子树不都为空。
（1）当左右子树都为空时，则这颗树的叶子结点数为1(根节点)。
（2）当左右子树不都为空，即根结点不是叶子结点时，这棵树的叶子结点数就为左子树叶子结点数+右子树叶子结点数（空树没有叶子结点）。
// 二叉树叶子节点个数
int TreeLeafSize(TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
return 0;
}
if (root->left == NULL && root->right == NULL)
{
return 1;
}
return TreeLeafSize(root->left) + TreeLeafSize(root->right);
}3.3 二叉树第k层结点数
一颗树第k层的结点数我们可以拆分为其左子树第k-1层结点+右子树第k-1层结点。（注：当前节点为第一层）
（1）若为空树，无论哪层节点数都是0
（2）若不是空树且k==1,则只有一个节点（根节点）
// 二叉树第k层节点个数
int TreeLevelKSize(TreeNode* root, int k)
{
assert(k > 0);
if (root!=NULL&&k == 1)
{
return 1;
}
if (root == NULL)
{
return 0;
}
if (k > 1)
{
return TreeLevelKSize(root->left, k - 1) + TreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}
}
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool TreeComplete(TreeNode* root)
{
Queue pq;
QueueInit(&pq);
if (root == NULL)
{
QueueDestroy(&pq);
return;
}
QueuePush(&pq, root);
while (!QueueEmpty(&pq))
{
TreeNode* front = QueueFront(&pq);
QueuePop(&pq);
if (front == NULL)
{
break;
}
QueuePush(&pq, front->left);
QueuePush(&pq, front->right);
}
while (!QueueEmpty(&pq))
{
TreeNode* front = QueueFront(&pq);
QueuePop(&pq);
if (front != NULL)
{
return false;
}
}
QueueDestroy(&pq);
return true;
}四、二叉树的查找
二叉树的查找本质上就是一种遍历，只不过是将之前的打印操作换为查找操作而已。我们可以使用前序遍历来进行查找：
（1）先比较根结点是否为我们要查找的结点，如果是，返回根节点地址
（2）如果不是，遍历左子树，如果左子树是，直接返回节点地址；不是则遍历右子树，如果右子树是，直接返回节点地址，不是返回空，说明左右子树都没找到。
// 二叉树查找值为x的节点
TreeNode* TreeFind(TreeNode* root, DataType x)
{
if (root == NULL)
{
return NULL;
}
if (root->data == x)
{
return root;
}
TreeNode* node1 = TreeFind(root->left, x);
if (node1)
{
return node1;
}
TreeNode* node2 = TreeFind(root->right, x);
if (node2)
{
return node2;
}
return NULL;
}五、二叉树的高度/深度
树中结点的最大层次称为二叉树的高度。因此，一颗二叉树的高度我们可以看作是
1(根结点)+左右子树高度的较大值。层层递归下去直到遇到空树返回0即可，
这里值得注意的是：不要写成
return TreeHeight(root->left)>TreeHeight(root->right) ?
TreeHeight(root->left)+1:TreeHeight(root->right)+1;
}这里比较好左右子树较大的一颗后，又会从新递归较大那颗子树高度，会造成重复计算，时间复杂度增高。
我们要保存好左右子树层数，避免重复计算，代码如下：
//二叉树的高度
int TreeHeight(TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
return 0;
}
int left = TreeHeight(root->left);
int right = TreeHeight(root->right);
return left>right ?
left+1:right+1;
}六、完全二叉树的判断
这里的思路利用了层序遍历，不同的是，将空节点指针也入队列，当我们遇到第一个空节点指针则退出循环，然后对队列进行检测，若第一个空节点指针以后全都是空，则为完全二叉树，反之，不为完全二叉树。
注：当在队列遇到第一个空节点指针时，二叉树中空节点指针之后所有非空节点指针全部进队列
思路解析图如下：
代码如下：
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool TreeComplete(TreeNode* root)
{
Queue pq;
QueueInit(&pq);
if (root == NULL)
{
QueueDestroy(&pq);
return;
}
QueuePush(&pq, root);
while (!QueueEmpty(&pq))
{
TreeNode* front = QueueFront(&pq);
QueuePop(&pq);
if (front == NULL)
{
break;
}
QueuePush(&pq, front->left);
QueuePush(&pq, front->right);
}
while (!QueueEmpty(&pq))
{
TreeNode* front = QueueFront(&pq);
QueuePop(&pq);
if (front != NULL)
{
return false;
}
}
QueueDestroy(&pq);
return true;
}七、二叉树的销毁
7.1 一级指针传参销毁
同样的，和创建节点一样，我们给出俩个销毁方式：
(1)一种是传一级指针方式，这种方式不是改变根节点的指向，需要在销毁函数结束后，将root置为NULL
void TreeDestroy(TreeNode* root)//出来将root=NULL
{
if (root == NULL)
{
return;
}
TreeDestroy(root->left);
TreeDestroy(root->right);
free(root);
}7.2 二级指针传参销毁
(2)另一种是传二级指针，直接在函数内部将每一个销毁的节点指针置为NULL.
void TreeDestroy(TreeNode** root)
{
if (*root == NULL)
{
return;
}
TreeDestroy(&(*root)->left);
TreeDestroy(&(*root)->right);
free(*root);
*root = NULL;
}总结：本篇文章将二叉树的基础知识差不多囊括了，后续的话还需要大量练习做巩固加强，递归比较抽象难以理解，需要动手画递归展开图进行帮助理解。
希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言，百题一定会认真阅读！
