数据结构——二叉树的实现

1、树的概念

 在数据结构中,树(Tree)是一种非线性的数据结构,它由节点(Nodes)和连接节点的边(Edges)组成,具有以下特点:

  1. 节点:树中的每个元素称为节点。树有一个特殊的节点称为根节点(Root Node),它是树的顶部,没有父节点。除根节点外的其他节点可以有零个或多个子节点(Child Nodes)。

  2. :节点之间的连接称为边。在树中,边是从父节点指向子节点的。

  3. 层次结构:树中的节点可以分层。根节点位于第一层,它的子节点位于第二层,子节点的子节点位于第三层,以此类推。

  4. 没有环:在树结构中,不存在任何形式的环(Cycle)。这意味着从根节点到任何一个节点的路径是唯一的,不会有重复的节点。

  5. 子树:每个节点及其后代节点形成的树称为该节点的子树(Subtree)。

树的类型有很多,包括二叉树(Binary Tree)、平衡树(Balanced Tree)、B树(B-Tree)、红黑树(Red-Black Tree)等。每种类型的树都有其特定的性质和用途。本章我们主要讲解二叉树。

2、二叉树

二叉树是一种特殊的树形数据结构,它具有以下特点:

  1. 每个节点最多有两个子节点:在二叉树中,每个节点最多只能有两个子节点,通常称为左子节点和右子节点。

  2. 有序性:二叉树的子节点具有顺序性,即不能随意交换左子节点和右子节点的位置,这种顺序性对树的遍历有重要影响。

  3. 层次结构:二叉树的节点按层次排列,根节点在第一层,其左子节点和右子节点在第二层,它们的子节点在第三层,以此类推。

  4. 子树:每个节点的子树也是二叉树。左子树和右子树是相互独立的二叉树。

二叉树可以进一步分类,例如:

  • 满二叉树:除了最后一层外,每一层上的节点数都达到最大值,且最后一层的节点都连续集中在最左边。

  • 完全二叉树:除了最后一层外,每一层上的节点数都达到最大值,并且最后一层的节点都尽可能地靠左排列。

  • 二叉搜索树:每个节点的左子树只包含小于当前节点的数,右子树只包含大于当前节点的数,具有排序特性。

二叉树的遍历通常有三种方式:前序遍历(Preorder)、中序遍历(Inorder)和后序遍历(Postorder)。遍历的顺序会影响输出结果,这在算法设计和数据处理中非常重要。

二叉树在计算机科学中有广泛的应用,如堆结构、哈夫曼编码、二叉搜索树用于数据库和文件系统的索引等。通过二叉树,可以有效地组织和检索数据,实现高效的数据操作。

3、二叉树的创建和遍历

二叉树的创建

根据前序遍历构建出二叉树

// 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int* pi)
{
	if (a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}
	BTNode* root = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
	assert(root);
	root->data = a[(*pi)++];
	root->left = BinaryTreeCreate(a,pi);
	root->right = BinaryTreeCreate(a,pi);

	return root;
}

动图演示: 

 

        首先遍历a数组,遇到‘#’代表空结点,返回NULL,然后malloc一个节点的空间(二叉树结点提前定义过),然后给二叉树赋值  root->data=a[(*pi)++];    接着递归左子树,然后递归右子树,最后返回root,

细节一:pi是数组下标的地址,因为我们是不断递归的,但是数组的下标也要往后++,所以我们要传下标的地址,才能改变数组下标,(不理解的可以复习一下函数传参的那一部分)。

 细节二:为什么在函数内开辟空间,出了函数空间不会销毁?因为我们用的是malloc在栈区开辟的空间,返回了开辟空间的地址,只有我们释放掉这些空间或者整个程序结束后,这些空间才会销毁,

细节三:assert(root) 可要可不要,因为我们malloc开辟的空间可能会失败(但是在这里开辟空间失败的可能性太小了,因为开辟开辟的空间太小了),所以加个assert断言比较好,当然,去掉也是没有任何关系的。

        如果让我们根据中序或者后序创建二叉树,我们只需要改一下顺序就好了。

二叉树的四种遍历方式:

前序遍历:根——左子树——右子树;

中序遍历:左子树——根——右子树;

后续遍历:左子树——右子树——根;

层序遍历:按层遍历,从左到右,需要借助队列来实现;

前序遍历

代码实现

 // 二叉树前序遍历
 //ABD##E#H##CF##G##
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}
	printf("%c ", root->data);
	BinaryTreeInOrder(root->left);
	BinaryTreeInOrder(root->right);
	
}

        这是用一个递归的思想,先打印根节点,遇到空结点也就是‘#’ 打印‘#’,直接return ,要是不为空,打印节点的值,再遍历左子树,最后遍历右子树,递归是从根节点开始,最后还是回到了根节点 

中序遍历

代码实现:

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

	BinaryTreePrevOrder(root->left);
	printf("%c ", root->data);
	BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

        思想和前序遍历一样的,只是换了一下顺序,这里不再讲解了。

后序遍历 

代码实现:

// 二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("# ");
		return;
	}
	BinaryTreePostOrder(root->left);
	BinaryTreePostOrder(root->right);
	printf("%c ", root->data);
}

 层序遍历:

层序遍历需要借助队列

代码实现:

// 层序遍历 借助队列
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		BTNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);
		printf("%c", front->data);
		if (front->left)
			QueuePush(&q, front->left);
		if (front->right)
			QueuePush(&q, front->right);
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);
}

        由于我用的C语言写,只能自己手搓一个队列,

思想是先初始化队列,如果根结点不为空,入队列,然后判断队列不为空,取出队头元素并且Pop掉队头元素,打印,然后将二叉树的左子树带入,然后带入右子树,由于队列具有先进先出的性质,可以打印出来层序遍历的二叉树,理解起来比较难,建议画图理解,(实在是想做动图,奈何实力不够,我能画出来,但是不会制作,等我学会了,再补回来)。

4、二叉树的销毁

        二叉树的销毁也是用递归实现的,有两种方法,传一级指针和二级指针,

传一级指针:

//传一级指针
void BinaryTreeDestory(BTNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return;
	BinaryTreeDestory(root->left);
	BinaryTreeDestory(root->right);
	free(root);
}

这里我们可以释放掉每一层递归开辟的空间,但是无法把root置空,因为我们传的是一级指针,对形参置空 ,对形参没有影响,所以我们可以在函数外面对root置空,也是比较方便

传二级指针:

//传二级指针
void BinaryTreeDestory(BTNode** root)
{
	if (*root == NULL)
		return;
	BinaryTreeDestory(&((*root)->left));
	BinaryTreeDestory(&((*root)->right));
	free(*root);
	*root = NULL;
}

          这里我们传root的地址,解引用可以直接作用到函数外部的root,注意递归调用的时候传地址不要弄错;

5、总结

        二叉树的创建,销毁和遍历都了解了,但这些还差得很多,我们还无法熟练的用二叉树解决问题,主要是理解递归问题,还有很多性质还没有讲,敬请期待下期

二叉树的性质和OJ练习

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