1. 二叉树的概念及结构
1.1、概念
一棵二叉树是结点的一个有限集合,该集合:
- 空树
- 由一个根节点加上两棵别称为左子树和右子树的二叉树组成
- 非空:根节点,根节点的左子树、根节点的右子树组成
- 二叉树不存在度大于2的节点
- 二叉树的子树有左右之分,次序不能颠倒,因此二叉树是有序树
注意:对于任意的二叉树都是由以下几种情况复合而成的:
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、构造二叉树
因为二叉树不适于进行增删查改等接口操作,没有意义,所以这里直接构造一个二叉树
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef int BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{
struct BinaryTreeNode *left;
struct BinaryTreeNode *right;
BTDataType val;
} BTNode;
BTNode *BuyBTNode(BTDataType x)
{
BTNode *p = (BTNode *)malloc(sizeof(BTDataType));
if (p == NULL)
{
printf("malloc fail!!!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
p->val = x;
p->left = p->right = NULL;
return p;
}
BTNode *CreatBinaryTree()
{
BTNode *node1 = BuyBTNode(1);
BTNode *node2 = BuyBTNode(2);
BTNode *node3 = BuyBTNode(3);
BTNode *node4 = BuyBTNode(4);
BTNode *node5 = BuyBTNode(5);
BTNode *node6 = BuyBTNode(6);
node1->left = node2;
node2->left = node3;
node1->right = node4;
node4->left = node5;
node4->right = node6;
return node1;
}
int main()
{
BTNode *Tree = CreatBinaryTree();
return 0;
}
构建好的二叉树是这样的:如下图所示
2. 二叉树的遍历
2.1.1、前中后序遍历概念
- 学习二叉树结构,最简单的方式就是遍历。
- 所谓二叉树遍历(Traversal)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。
- 按照规则,二叉树的遍历有:前序/中序/后序的递归结构遍历:
- 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(依次访问:根节点 左子树 右子树)
- 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间(依次访问:左子树 根节点 右子树)
- 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(依次访问:左子树 右子树 根节点)
- 由于被访问的结点必是某子树的根,所以N(Node)、L(Left subtree)和R(Right subtree)又可解释为根、根的左子树和根的右子树。NLR、LNR和LRN分别又称为先根遍历、中根遍历和后根遍历。
2. 1.2、前序遍历
void PrevOrdef(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
printf("%d ", root->val);
PrevOrdef(root->left);
PrevOrdef(root->right);
}
前序遍历递归图解:
前序遍历实际输出(包括NULL): 1 2 3 NULL NULL NULL 4 5 NULL NULL 6 NULL NULL
2.1.3、中序遍历
void InOrder(BTNode* root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
InOrder(root->left);
printf("%d ", root->val);
InOrder(root->right);
}
中序遍历递归图解:
前序遍历实际输出(包括NULL):NULL 3 NULL 2 NULL 1 NULL 5 NULL 4 NULL 6 NULL
2.1.4、后序遍历
void PostOrder(BTNode* root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
PostOrder(root->left);
PostOrder(root->right);
printf("%d ", root->val);
}
后序遍历递归图解:
前序遍历实际输出(包括NULL):NULL NULL 3 NULL 2 NULL NULL 5 NULL NULL 6 4 1
2.2.1、层序遍历
遍历分为二种:
- 深度优先遍历(DFS):前序、中序和后序遍历
- 广度优先遍历(BFS):层序遍历
注意:层序遍历是通过使用"队列"来辅助实现的
层序遍历: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
造轮子:队列实现代码
Queue.h
#ifndef QUEUE_H_
#define QUEUE_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
struct BinaryTreeNode;
typedef struct BinaryTreeNode *QDataType;
typedef struct QueueNode
{
QDataType val;
struct QueueNode *next;
} QNode;
typedef struct Queue
{
QNode *head;
QNode *tail;
} Queue;
void QueueInit(Queue *q);
void QueueDestory(Queue *q);
void QueuePush(Queue *q, QDataType x);
void QueuePop(Queue *q);
bool QueueEmpty(Queue *q);
size_t QueueSize(Queue *q);
QDataType QueueFront(Queue *q);
QDataType QueueBack(Queue *q);
#endif
Queue.c
#include "Queue.h"
void QueueInit(Queue *q)
{
assert(q);
q->head = q->tail = NULL;
}
void QueueDestory(Queue *q)
{
assert(q);
QNode *cur = q->head;
while (cur)
{
QNode *next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
q->head = q->tail = NULL;
}
void QueuePush(Queue *q, QDataType x)
{
assert(q);
QNode *newnode = (QNode *)malloc(sizeof(QNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail!!!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
else
{
newnode->val = x;
newnode->next = NULL;
}
if (q->head == NULL && q->tail == NULL)
{
q->head = newnode;
q->tail = newnode;
}
else
{
q->tail->next = newnode;
q->tail = newnode;
}
}
void QueuePop(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head != NULL);
if (q->head->next == NULL)
{
free(q->head);
q->tail = q->head = NULL;
}
else
{
QNode *next = q->head->next;
free(q->head);
q->head = next;
}
}
bool QueueEmpty(Queue *q)
{
assert(q);
return q->head == NULL;
}
size_t QueueSize(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head);
QNode *cur = q->head;
size_t Size = 0;
while (cur)
{
++Size;
cur = cur->next;
}
return Size;
}
QDataType QueueFront(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head);
return q->head->val;
}
QDataType QueueBack(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->tail);
return q->tail->val;
}
层序遍历的实现:
#include "Queue.h"
void LevelOrder(BTNode *root)
{
Queue q;
QueueInit(&q);
if (root != NULL)
QueuePush(&q, root);
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
printf("%d ", front->val);
if (front->left)
QueuePush(&q, front->left);
if (front->right)
QueuePush(&q, front->right);
}
printf("\n");
QueueDestory(&q);
}
层序遍历图解:
层序遍历实际输出:1 2 4 3 5 6
3. 前、中、后序和层序的变形接口
3.1.1、判断是否为完全二叉树
这是一个"层序遍历的变形接口"
首先来了解一下什么是"完全二叉树"
- 完全二叉树是由满二叉树而引出来的。满二叉树是一个节点满足2k-1(通过等比数列推导出来)的二叉树,也就是说满二叉树每层都是满的。
- 完全二叉树是一个从第一层节点(根节点)开始到第k-1层都是满的,最后一层节点必须是连续的特殊二叉树。
代码实现:
#include "Queue.h"
bool BTreeComplete(BTNode *root)
{
Queue q;
QueueInit(&q);
if (root != NULL)
QueuePush(&q, root);
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (front == NULL)
break;
QueuePush(&q, front->left);
QueuePush(&q, front->right);
}
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (front)
QueueDestory(&q);
return false;
}
QueueDestory(&q);
return true;
}
图解:
实际输出为:0(false) 注意:我构建的树为:1 2 4 3 5 6(层序遍历)
3.1.2、二叉树的节点
思想1::前、中、后序遍历,设置一个计数器,计算节点个数 思想2:分治
思想1实现: 注意:思想1实现时,不能把计数器(pi)进行传值,因为递归回归时,会把栈帧给销毁,回归后pi的值还是不变的…
void BTreeSize2(BTNode *root, int *pi)
{
if (root == NULL)
return;
++(*pi);
BTreeSize2(root->left, pi);
BTreeSize2(root->right, pi);
}
这里就不画图解了,跟前序遍历一样,只不过加了个计数器…
思想2:实现:
int BTreeSize(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
return BTreeSize(root->left) + BTreeSize(root->right) + 1;
}
图解:
实际输出为:6
3.1.3、二叉树叶节点
思想:分治->找左子树和右子树都为空的节点,空树返回0
代码实现:
int BTreeLeafSize(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
else if (root->left == NULL && root->right == NULL)
return 1;
return BTreeLeafSize(root->left) + BTreeLeafSize(root->right);
}
图解:
实际输出:3
3.2.1、二叉树第k层节点个数
思路:分治->每次左子树或右子树的走到最后一层的k为1时,节点个数加1,空节点就回归
代码实现:
int BTreeKLevelSize(BTNode *root, int k)
{
if (root == NULL)
return 0;
if (k == 1)
return 1;
return BTreeKLevelSize(root->left, k - 1) + BTreeKLevelSize(root->right, k - 1);
}
图解:
实际输出:3
3.2.2、二叉树的高度
思想:分治->分别判断左子树和右子树的高度,判断两棵树中最高的那颗,高的则每次高度加1,空树高度为0
代码实现:
int BTreeDepth(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
int leftDepth = BTreeDepth(root->left);
int rightDepth = BTreeDepth(root->right);
return leftDepth > rightDepth ? leftDepth + 1 : rightDepth + 1;
}
图解:
实际输出:4
3.2.3、二叉树的查找
查找值为x的节点的地址(指针) 思路1:前、中、后序遍历 思路2:分治
- 空树返回NULL
- 左子树查找
- 右子树查找
- 左子树右子树都没有找到则返回NULL
代码实现思路2:正规的写法
BTNode *TreeFind(BTNode *root, BTDataType x)
{
if (root == NULL)
return NULL;
if (root->val == x)
return root;
BTNode *left_subTree = TreeFind(root->left, x);
if (left_subTree)
return left_subTree;
BTNode *right_subTree = TreeFind(root->right, x);
if (right_subTree)
return right_subTree;
return NULL;
}
图解:
3.2.3、二叉树的销毁
思想:使用后序遍历进行销毁
void BinaryTreeDestory(BTNode **root)
{
if (*root == NULL)
return;
BinaryTreeDestory(&((*root)->left));
BinaryTreeDestory(&((*root)->right));
free(*root);
*root = NULL;
}
这里不画图解了,跟后序遍历一样…
4.二叉树实现完整代码
队列
Queue.h
#ifndef QUEUE_H_
#define QUEUE_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
struct BinaryTreeNode;
typedef struct BinaryTreeNode *QDataType;
typedef struct QueueNode
{
QDataType val;
struct QueueNode *next;
} QNode;
typedef struct Queue
{
QNode *head;
QNode *tail;
} Queue;
void QueueInit(Queue *q);
void QueueDestory(Queue *q);
void QueuePush(Queue *q, QDataType x);
void QueuePop(Queue *q);
bool QueueEmpty(Queue *q);
size_t QueueSize(Queue *q);
QDataType QueueFront(Queue *q);
QDataType QueueBack(Queue *q);
#endif
Queue.c
#include "Queue.h"
void QueueInit(Queue *q)
{
assert(q);
q->head = q->tail = NULL;
}
void QueueDestory(Queue *q)
{
assert(q);
QNode *cur = q->head;
while (cur)
{
QNode *next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
q->head = q->tail = NULL;
}
void QueuePush(Queue *q, QDataType x)
{
assert(q);
QNode *newnode = (QNode *)malloc(sizeof(QNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail!!!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
else
{
newnode->val = x;
newnode->next = NULL;
}
if (q->head == NULL && q->tail == NULL)
{
q->head = newnode;
q->tail = newnode;
}
else
{
q->tail->next = newnode;
q->tail = newnode;
}
}
void QueuePop(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head != NULL);
if (q->head->next == NULL)
{
free(q->head);
q->tail = q->head = NULL;
}
else
{
QNode *next = q->head->next;
free(q->head);
q->head = next;
}
}
bool QueueEmpty(Queue *q)
{
assert(q);
return q->head == NULL;
}
size_t QueueSize(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head);
QNode *cur = q->head;
size_t Size = 0;
while (cur)
{
++Size;
cur = cur->next;
}
return Size;
}
QDataType QueueFront(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->head);
return q->head->val;
}
QDataType QueueBack(Queue *q)
{
assert(q);
assert(q->tail);
return q->tail->val;
}
实现二叉树
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include "Queue.h"
typedef int BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{
struct BinaryTreeNode *left;
struct BinaryTreeNode *right;
BTDataType val;
} BTNode;
BTNode *BuyBTNode(BTDataType x)
{
BTNode *p = (BTNode *)malloc(sizeof(BTDataType));
if (p == NULL)
{
printf("malloc fail!!!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
p->val = x;
p->left = p->right = NULL;
return p;
}
BTNode *CreatBinaryTree()
{
BTNode *node1 = BuyBTNode(1);
BTNode *node2 = BuyBTNode(2);
BTNode *node3 = BuyBTNode(3);
BTNode *node4 = BuyBTNode(4);
BTNode *node5 = BuyBTNode(5);
BTNode *node6 = BuyBTNode(6);
node1->left = node2;
node2->left = node3;
node1->right = node4;
node4->left = node5;
node4->right = node6;
return node1;
}
void PrevOrdef(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
printf("%d ", root->val);
PrevOrdef(root->left);
PrevOrdef(root->right);
}
void InOrder(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
InOrder(root->left);
printf("%d ", root->val);
InOrder(root->right);
}
void PostOrder(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
PostOrder(root->left);
PostOrder(root->right);
printf("%d ", root->val);
}
void LevelOrder(BTNode *root)
{
Queue q;
QueueInit(&q);
if (root != NULL)
QueuePush(&q, root);
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
printf("%d ", front->val);
if (front->left)
QueuePush(&q, front->left);
if (front->right)
QueuePush(&q, front->right);
}
printf("\n");
QueueDestory(&q);
}
bool BTreeComplete(BTNode *root)
{
Queue q;
QueueInit(&q);
if (root != NULL)
QueuePush(&q, root);
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (front == NULL)
break;
QueuePush(&q, front->left);
QueuePush(&q, front->right);
}
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode *front = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (front)
QueueDestory(&q);
return false;
}
QueueDestory(&q);
return true;
}
int BTreeSize(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
return BTreeSize(root->left) + BTreeSize(root->right) + 1;
}
void BTreeSize2(BTNode *root, int *pi)
{
if (root == NULL)
return;
++(*pi);
BTreeSize2(root->left, pi);
BTreeSize2(root->right, pi);
}
int BTreeLeafSize(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
else if (root->left == NULL && root->right == NULL)
return 1;
return BTreeLeafSize(root->left) + BTreeLeafSize(root->right);
}
int BTreeKLevelSize(BTNode *root, int k)
{
if (root == NULL)
return 0;
if (k == 1)
return 1;
return BTreeKLevelSize(root->left, k - 1) + BTreeKLevelSize(root->right, k - 1);
}
int BTreeDepth(BTNode *root)
{
if (root == NULL)
return 0;
int leftDepth = BTreeDepth(root->left);
int rightDepth = BTreeDepth(root->right);
return leftDepth > rightDepth
? leftDepth + 1
: rightDepth + 1;
}
BTNode *TreeFind(BTNode *root, BTDataType x)
{
if (root == NULL)
return NULL;
if (root->val == x)
return root;
BTNode *left_subTree = TreeFind(root->left, x);
if (left_subTree)
return left_subTree;
BTNode *right_subTree = TreeFind(root->right, x);
if (right_subTree)
return right_subTree;
return NULL;
}
void BinaryTreeDestory(BTNode **root)
{
if (*root == NULL)
return;
BinaryTreeDestory(&((*root)->left));
BinaryTreeDestory(&((*root)->right));
free(*root);
*root = NULL;
}
int main()
{
BTNode *Tree = CreatBinaryTree();
printf("前序遍历: ");
PrevOrdef(Tree);
printf("\n");
printf("中序遍历: ");
InOrder(Tree);
printf("\n");
printf("后序遍历: ");
PostOrder(Tree);
printf("\n");
printf("层序遍历: ");
LevelOrder(Tree);
printf("二叉树的节点个数为: %d\n", BTreeSize(Tree));
int count = 0;
BTreeSize2(Tree, &count);
printf("二叉树的节点个数为: %d\n", count);
printf("二叉树的叶节点个数为: %d\n", BTreeLeafSize(Tree));
int k = 3;
printf("二叉树第%d层的节点为: %d\n", k, BTreeKLevelSize(Tree, k));
printf("二叉树的高度为: %d\n", BTreeDepth(Tree));
for (int i = 1; i < 8; ++i)
{
printf("x: %d, 地址: %p\n", i, TreeFind(Tree, i));
}
printf("判断是否为完全二叉树: %d\n", BTreeComplete(Tree));
system("pause");
return 0;
}
全部知识已经写完了,如有错误请指出,感谢大家!!!
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