二叉树的非递归遍历


1、前序遍历的非递归实现

为了便于理解,这里以下图的二叉树为例,分析二叉树的三种遍历方式的实现过程。

根据先序遍历的顺序,先访问根节点,再访问左子树,后访问右子树,而对于每个子树来说,又按照同样的访问顺序进行遍历,上图的先序遍历顺序为:ABDECF。非递归的实现思路如下:

对于任一节点Node,

  1. 输出节点Node,然后将其入栈,再看Node的左孩子是否为空;
  2. 若Node的左孩子不为空,则置Node的左孩子为当前节点,重复的操作;
  3. 若Node的左孩子为空,则将栈顶节点出栈,但不输出,并将出栈节点的右孩子置为当前节点,看其是否为空;
  4. 若不为空,则循环至1操作;
  5. 如果为空,则继续出栈,但不输出,同时将出栈节点的右孩子置为当前节点,看其是否为空,重复35操作;
  6. 直到当前节点P为NULL并且栈空,遍历结束。

下面以上图为例详细分析其先序遍历的非递归实现过程:

首先,从根节点A开始,根据操作1,输出A,并将其入栈,由于A的左孩子不为空,根据操作2,将B置为当前节点,再根据操作1,将B输出,并将其入栈,由于B的左孩子也不为空,根据操作2,将D置为当前节点,再根据操作1,输出D,并将其入栈,此时输出序列为ABD;

由于D的左孩子为空,根据操作3,将栈顶节点D出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

由于D的右孩子为空,根据操作5,继续将栈顶节点B出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

由于B的右孩子E不为空,根据操作1,输出E,并将其入栈,此时输出序列为:ABDE;

由于E的左孩子为空,根据操作3,将栈顶节点E出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

由于E的右孩子为空,根据操作5,继续将栈顶节点A出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

由于A的右孩子C不为空,根据操作1,输出C,并将其入栈,此时输出序列为:ABDEC;

由于A的左孩子F不为空,根据操作2,则将F置为当前节点,再根据操作1,输出F,并将其入栈,此时输出序列为:ABDECF;

由于F的左孩子为空,根据操作3,将栈顶节点F出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

由于F的右孩子为空,根据操作5,继续将栈顶元素C出栈,但不输出,并将其右孩子置为当前节点;

此时栈空,且C的右孩子为NULL,因此遍历结束。

//根据以上思路,前序遍历的非递归实现代码如下:
  void pre_traverse(BTree pTree)  
  {  
      PSTACK stack = create_stack();  //创建一个空栈  
      BTree node_pop;                 //用来保存出栈节点
      BTree pCur = pTree;             //定义用来指向当前访问的节点的指针  
    
      //直到当前节点pCur为NULL且栈空时,循环结束  
      while(pCur || !is_empty(stack))  
      {  
         //从根节点开始,输出当前节点,并将其入栈,  
         //同时置其左孩子为当前节点,直至其没有左孩子,及当前节点为NULL  
         printf("%c ", pCur->data);  
         push_stack(stack,pCur);  
         pCur = pCur->pLchild;  
         //如果当前节点pCur为NULL且栈不空,则将栈顶节点出栈,  
         //同时置其右孩子为当前节点,循环判断,直至pCur不为空  
         while(!pCur && !is_empty(stack))  
         {  
             pCur = getTop(stack);  
             pop_stack(stack,&node_pop);  
             pCur = pCur->pRchild;              
         }  
     }  
 }  

2、中序遍历的非递归实现

根据中序遍历的顺序,先访问左子树,再访问根节点,后访问右子树,而对于每个子树来说,又按照同样的访问顺序进行遍历,上图的中序遍历顺序为:DBEAFC。非递归的实现思路如下

对于任一节点P,

1.若P的左孩子不为空,则将P入栈并将P的左孩子置为当前节点,然后再对当前节点进行相同的处理;
2.若P的左孩子为空,则输出P节点,而后将P的右孩子置为当前节点,看其是否为空;
3.若不为空,则重复 12 的操作;
4.若为空,则执行出栈操作,输出栈顶节点,并将出栈的节点的右孩子置为当前节点,看起是否为空,重复 34 的操作;
5.直到当前节点P为NULL并且栈为空,则遍历结束。

下面以上图为例详细分析其中序遍历的非递归实现过程:

首先,从根节点A开始,A的左孩子不为空,根据操作1将A入栈,接着将B置为当前节点,B的左孩子也不为空,根据操作1,将B也入栈,接着将D置为当前节点,由于D的左子树为空,根据操作2,输出D;

由于D的右孩子也为空,根据操作4,执行出栈操作,将栈顶结点B出栈,并将B置为当前节点,此时输出序列为DB;

由于B的右孩子不为空,根据操作3,将其右孩子E置为当前节点,由于E的左孩子为空,根据操作1,输出E,此时输出序列为DBE;

由于E的右孩子为空,根据操作4,执行出栈操作,将栈顶节点A出栈,并将节点A置为当前节点,此时输出序列为DBEA;

此时栈为空,但当前节点A的右孩子并不为NULL,继续执行,由于A的右孩子不为空,根据操作3,将其右孩子C置为当前节点,由于C的左孩子不为空,根据操作1,将C入栈,将其左孩子F置为当前节点,由于F的左孩子为空,根据操作2,输出F,此时输出序列为:DBEAF;

由于F的右孩子也为空,根据操作4,执行出栈操作,将栈顶元素C出栈,并将其置为当前节点,此时的输出序列为:DBEAFC;

由于C的右孩子为NULL,且此时栈空,根据操作5,遍历结束。

根据以上思路,中序遍历的非递归实现代码如下:
void in_traverse(BTree pTree)
{
    PSTACK stack = create_stack();  //创建一个空栈
    BTree node_pop;                 //用来保存出栈节点
    BTree pCur = pTree;             //定义指向当前访问的节点的指针
 
    //直到当前节点pCur为NULL且栈空时,循环结束
    while(pCur || !is_empty(stack))
    {
        if(pCur->pLchild)
        {
            //如果pCur的左孩子不为空,则将其入栈,并置其左孩子为当前节点
            push_stack(stack,pCur);
            pCur = pCur->pLchild;
        }
        else
        {
            //如果pCur的左孩子为空,则输出pCur节点,并将其右孩子设为当前节点,看其是否为空
            printf("%c ", pCur->data);
            pCur = pCur->pRchild;
            //如果为空,且栈不空,则将栈顶节点出栈,并输出该节点,
            //同时将它的右孩子设为当前节点,继续判断,直到当前节点不为空
            while(!pCur && !is_empty(stack))
            {
                pCur = getTop(stack);
                printf("%c ",pCur->data);   
                pop_stack(stack,&node_pop);
                pCur = pCur->pRchild;
            }
        }
    }
}

3、后序遍历的非递归实现

根据后序遍历的顺序,先访问左子树,再访问右子树,后访问根节点,而对于每个子树来说,又按照同样的访问顺序进行遍历,上图的后序遍历顺序为:DEBFCA。后序遍历的非递归的实现相对来说要难一些,要保证根节点在左子树和右子树被访问后才能访问,思路如下:

对于任一节点P,

1.先将节点P入栈;
2.若P不存在左孩子和右孩子,或者P存在左孩子或右孩子,但左右孩子已经被输出,则可以直接输出节点P,并将其出栈,将出栈节点P标记为上一个输出的节点,再将此时的栈顶结点设为当前节点;
3.若不满足2中的条件,则将P的右孩子和左孩子依次入栈,当前节点重新置为栈顶结点,之后重复操作2
4.直到栈空,遍历结束。

下面以上图为例详细分析其后序遍历的非递归实现过程:

首先,设置两个指针:Cur指针指向当前访问的节点,它一直指向栈顶节点,每次出栈一个节点后,将其重新置为栈顶结点,Pre节点指向上一个访问的节点;

Cur首先指向根节点A,Pre先设为NULL,由于A存在左孩子和右孩子,根据操作3,先将右孩子C入栈,再将左孩子B入栈,Cur改为指向栈顶结点B;

由于B的也有左孩子和右孩子,根据操作3,将E、D依次入栈,Cur改为指向栈顶结点D;

由于D没有左孩子,也没有右孩子,根据操作2,直接输出D,并将其出栈,将Pre指向D,Cur指向栈顶结点E,此时输出序列为:D;

由于E也没有左右孩子,根据操作2,输出E,并将其出栈,将Pre指向E,Cur指向栈顶结点B,此时输出序列为:DE;

由于B的左右孩子已经被输出,即满足条件Pre==Cur->lchild或Pre==Cur->rchild,根据操作2,输出B,并将其出栈,将Pre指向B,Cur指向栈顶结点C,此时输出序列为:DEB;

由于C有左孩子,根据操作3,将其入栈,Cur指向栈顶节点F;

由于F没有左右孩子,根据操作2,输出F,并将其出栈,将Pre指向F,Cur指向栈顶结点C,此时输出序列为:DEBF;

由于C的左孩子已经被输出,即满足Pre==Cur->lchild,根据操作2,输出C,并将其出栈,将Pre指向C,Cur指向栈顶结点A,此时输出序列为:DEBFC;

由于A的左右孩子已经被输出,根据操作2,输出A,并将其出栈,此时输出序列为:DEBFCA;

此时栈空,遍历结束。

根据以上思路,后序遍历的非递归实现代码如下:

void beh_traverse(BTree pTree)
{
    PSTACK stack = create_stack();  //创建一个空栈
    BTree node_pop;          //用来保存出栈的节点
    BTree pCur;              //定义指针,指向当前节点
    BTree pPre = NULL;       //定义指针,指向上一各访问的节点
 
    //先将树的根节点入栈
    push_stack(stack,pTree);  
    //直到栈空时,结束循环
    while(!is_empty(stack))
    {
        pCur = getTop(stack);   //当前节点置为栈顶节点
        if((pCur->pLchild==NULL && pCur->pRchild==NULL) || 
            (pPre!=NULL && (pCur->pLchild==pPre || pCur->pRchild==pPre)))
        {
            //如果当前节点没有左右孩子,或者有左孩子或有孩子,但已经被访问输出,
            //则直接输出该节点,将其出栈,将其设为上一个访问的节点
            printf("%c ", pCur->data);
            pop_stack(stack,&node_pop);
            pPre = pCur;
        }
        else
        {
            //如果不满足上面两种情况,则将其右孩子左孩子依次入栈
            if(pCur->pRchild != NULL)
                push_stack(stack,pCur->pRchild);
            if(pCur->pLchild != NULL)
                push_stack(stack,pCur->pLchild);
        }
    }
}
/**
     * 统一一下
     * @param root
     * @return
     */
    //前序
    public List preorderTraversal(TreeNode root) {
        List list = new ArrayList<>();
        if(root == null){
            return list;
        }
        Stack stack = new Stack<>();
        stack.push(root);
        while(!stack.isEmpty()){
                TreeNode cur = stack.pop();
                list.add(Integer.valueOf(cur.val));
                if(cur.right != null){
                    stack.push(cur.right);
                }
                if(cur.left != null){
                    stack.push(cur.left);
                }
        }

        return list;
    }

    //中序
   public List inorderTraversal(TreeNode root) {
        List list = new ArrayList<>();
        Stack stack = new Stack<>();
        TreeNode cur = root;
        while(cur != null || !stack.isEmpty()){
            if(cur != null){
                stack.push(cur);
                cur = cur.left;
            }else{
                cur = stack.pop();
                list.add(cur.val);
                cur = cur.right;
            }
        }
        return list;
    }


    //后序遍历,非递归 , 前序遍历逆向
    public List postorderTraversal(TreeNode root) {
       if(root==null)  return new ArrayList();

        // 存储:"根右左"的遍历顺序
        Stack reverseRes = new Stack();

        Stack s = new Stack();//辅助栈,保存待遍历的节点
        s.add(root);

        while (!s.isEmpty()) {
            TreeNode tem = s.pop();
            reverseRes.push(tem.val);//存储:"根右左"的遍历顺序,先入"根"节点

         // “右左”的遍历顺序,所以在栈(LIFO)中对应的就是:先进"左",再进"右"
            if (tem.left != null)
                s.push(tem.left);
            if (tem.right != null)
                s.push(tem.right);
        }

        ArrayList res = new ArrayList();//获得“根左右”的遍历序列
        while (!s.isEmpty()) {
            res.add(reverseRes.pop());
        }
        return res;
}

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