1.二叉樹的鏈式結構
此前,我們通過數組(順序表)完成了二叉樹的順序存儲,并實現了二叉樹的基礎功能
那么,二叉樹還有沒有其他存儲方式呢?
前面我們學習了鏈表,它是一種線性結構,而二叉樹是一種非線性結構,但是通過思考,我們發現鏈表是通過next指針把一個一個的節點連接起來的,那么我們如何用相似的方式把二叉樹相應的節點連接起來呢?
//鏈表節點
typedef int LTDataType;//存儲的數據類型
typedef struct ListNode{LTDataType val;//數據值struct ListNode* next;//指向下一個節點
}LTNOde;
通過觀察,我們發現二叉樹中,節點最大的度為2(每個節點最多連接兩個字節點),所以我們可以在鏈表節點的基礎上,再添加一個指針,用兩個指針來指向子節點,即可把整個二叉樹連接起來,形成一個鏈式結構
typedef int BTDataType;//存儲的數據類型
typedef struct BinaryTreeNode{LTDataType val;//數據值//指向左子節點struct BinaryTreeNode* left;//指向右子節點struct BinaryTreeNode* right;
}BTNode;
2.鏈式結構的遍歷順序
鏈式結構的遍歷順序分為三種:前序遍歷、中序遍歷、后序遍歷
注:他們的順序都是相對于根節點的
前序遍歷:根節點-左節點-右節點
中序遍歷:左節點-根節點-右節點
后續遍歷:左節點-右節點-根節點
2.1.前序遍歷
從根節點開始遍歷,然后遍歷左子樹,最后遍歷右子樹
- 根節點為A(當前前序遍歷結果:A)
- 再遍歷A的左子樹,繼續以根-左-右的順序遍歷,找到子樹的根節點B(當前前序遍歷結果:A-B)
- 遍歷B的左子樹,找到D,D沒有子樹了,所以B的左子樹遍歷完了(當前前序遍歷結果:A-B-D)
- B的根和左子樹遍歷完了,開始遍歷B的右子樹,找到節點E,此時A的左子樹遍歷完了(當前前序遍歷結果:A-B-D-E)
- A的根和左子樹遍歷完了,開始遍歷A的右子樹
- 找到A的子樹的根節點C(當前前序遍歷結果:A-B-D-E-C)
- 開始遍歷C的左子樹,找到F,C的左子樹遍歷完畢(當前前序遍歷結果:A-B-D-E-C-F)
- 開始遍歷C的右子樹,找到G,此時A的右子樹遍歷完畢(當前前序遍歷結果:A-B-D-E-C-F-G)
- 前序遍歷完成
- 最終結果為A-B-D-E-C-F-G
2.1.中序遍歷
從左子樹開始遍歷,再遍歷根節點,最后遍歷右子樹
11. 先遍歷根節點A的左子樹,來到子樹中的根節點B,他有左子樹,繼續向下遍歷找他的左子樹,找到節點D,由于D沒有左子樹了,所以取D(當前中序遍歷結果:D-)
12. B的左子樹遍歷完了,遍歷根B本身,取B(當前中序遍歷結果:D-😎
13. 遍歷B的右子樹,找到E,E沒有子樹了,取E,B的右子樹遍歷完成(當前中序遍歷結果:D-B-E)
14. 此時A的左子樹遍歷完成,遍歷根A本身,取A(當前中序遍歷結果:D-B-E-A)
15. A的左子樹和根遍歷完成,遍歷A的右子樹來到C,C有左子樹,來到F,F沒有子樹了,取F(當前中序遍歷結果:D-B-E-A-F)
16. C的左子樹遍歷完成,遍歷根C本身,取節點C(當前中序遍歷結果:D-B-E-A-F-C)
17. C的左子樹和根遍歷完成,遍歷右子樹,找到節點G,它沒有子樹了,取G(當前中序遍歷結果:D-B-E-A-F-C-G)
18. A的右子樹遍歷完成,中序遍歷完畢
19. 最終結果為D-B-E-A-F-C-G
2.3.后序遍歷
從左子樹開始遍歷,再遍歷右子樹,最后遍歷根
- 先遍歷根A的左子樹,找到節點B,B有左子樹,繼續遍歷,找到節點D,D沒有子樹了,取D(當前后序遍歷結果:D)
- B的左子樹遍歷完成,繼續遍歷它的右子樹,找到節點E,沒有子樹了,取E(當前后序遍歷結果:D-E)
- B的右子樹遍歷完成,取B本身(當前后序遍歷結果:D-E-B)
- A的左子樹遍歷完成,繼續遍歷A的右子樹,找到節點C,繼續遍歷C的左子樹,找到節點F,F沒有子樹了,取F(當前后序遍歷結果:D-E-B-F)
- C的左子樹遍歷完成,繼續遍歷它的右子樹,找到節點G,G沒有子樹了,取G(當前后序遍歷結果:D-E-B-F-G)
- C的左右子樹遍歷完成,取根C本身(當前后序遍歷結果:D-E-B-F-G-C)
- 此時A的左右子樹遍歷完成,取根A本身(當前后序遍歷結果:D-E-B-F-G-C-A)
- 后序遍歷完成,最終結果為D-E-B-F-G-C-A
3.二叉樹鏈式結構的實現
3.1.二叉樹節點結構的定義
一個結構體類型,成員包含存儲數據的值和分別指向左孩子和右孩子的左右指針
typedef char BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{BTDataType _data;struct BinaryTreeNode* _left;struct BinaryTreeNode* _right;
}BTNode;
3.2.創建節點
開辟一個節點大小的空間,把數據值存入該節點,返回這片空間的地址
BTNode* BTBuyNode(BTDataType x)
{BTNode* newNode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));if(newNode == NULL){perror("malloc error!\n");return NULL;}newNode->_data = x;newNode->_left = newNode->_right = NULL;return newNode;
}
3.3.創建二叉樹
以前序遍歷為例,把數組中的數據,轉化為鏈式結構,存儲到二叉樹中
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{if(*pi >= n || a[*pi] == '#'){(*pi)++;return NULL;}BTNode* root = BTBuyNode(a[(*pi)++]);root->_left = BinaryTreeCreate(a, n, pi);root->_right = BinaryTreeCreate(a, n, pi);return root;
}
注:形參中的pi必須傳指針(傳址調用),因為在遞歸過程中該形參會發生改變,如果采用傳值調用,該形參值不能被正常修改
3.4.二叉樹鏈式結構的銷毀
以后序遍歷的方式,先銷毀左右子樹,最后銷毀根節點(如果先銷毀根節點,那就找不到它的左右指針了,不能進行后續操作)
//左-右-根
void BinaryTreeDestory(BTNode** root)
{if(root == NULL || *root == NULL){return ;}//注:傳二級指針--指針的地址BinaryTreeDestory(&((*root)->_left));BinaryTreeDestory(&((*root)->_right));free(*root);*root = NULL;
}
3.5.節點總數
用遞歸的方式,返回左子樹的節點個數+右子樹的節點個數+根即可
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{if(root == NULL) return 0;return 1 + BinaryTreeSize(root->_left) + BinaryTreeSize(root->_right);
}
3.6.葉子節點數
同樣用遞歸的方式,返回左子樹的葉子節點數+右子樹的葉子節點數,當該節點沒有左右子樹時,即為葉子節點,返回1
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{if(root == NULL) return 0;if(!root->_left && !root->_right) return 1;return BinaryTreeLeafSize(root->_left) + BinaryTreeLeafSize(root->_right);
}
3.7.返回第K層的節點數
同樣采用遞歸的方式,第K層節點數=根節點左子樹的第K-1層節點數+根節點的右子樹的第K-1層節點數,以此類推,每遞歸一次都減少一層···
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{if(root == NULL || k < 1) return 0;if(k == 1) return 1;return BinaryTreeLevelKSize(root->_left, k-1) + BinaryTreeLevelKSize(root->_right, k-1);
}
3.8.查找節點
還是采用遞歸的方式,從根節點開始,遍歷每一個節點,直到遇到目標值,返回該節點的地址
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{if(root == NULL) return NULL;if(root->_data == x) return root;BTNode* Left = BinaryTreeFind(root->_left, x);BTNode* Right = BinaryTreeFind(root->_right, x);if(Left) return Left;if(Right) return Right;return NULL;
}
3.9.前序遍歷
先打印根節點數據,再分別遞歸調用左子樹和右子樹
//根-左-右
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;printf("%c ", root->_data);BinaryTreePrevOrder(root->_left);BinaryTreePrevOrder(root->_right);
}
3.10.中序遍歷
先遞歸調用左子樹,再打印根節點數據,最后遞歸調用右子樹
//左-根-右
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;BinaryTreeInOrder(root->_left);printf("%c ", root->_data);BinaryTreeInOrder(root->_right);
}
3.11.后序遍歷
先分別遞歸調用左右子樹,再打印根節點
//左-右-根
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;BinaryTreePostOrder(root->_left);BinaryTreePostOrder(root->_right);printf("%c ", root->_data);
}
3.12.層序遍歷
由于每一個節點都是通過指針連接的后繼節點,所以一層一層地調用是不現實的,這個時候我們可以借助隊列來實現層序遍歷:
創建一個隊列,先讓根節點入隊,取出隊列頭節點并打印,(如果有的話)讓它的左右孩子入隊,若隊列不為空,繼續取出隊頭節點并打印,讓它的左右孩子入隊,重復以上操作,直到隊列為空,則層序遍歷完成
隊列的實現(隊列的詳細講解):
Queue.h
//
// Queue.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef struct BinaryTreeNode BTNode;
//隊列節點的結構
typedef struct QueueNode{BTNode* data;struct QueueNode* next;
}QueueNode;
//隊列的結構
typedef struct Queue{QueueNode* front;QueueNode* rear;
}Queue;//初始化隊列
void QueueInit(Queue* pq);//入隊
void QueuePush(Queue* pq, BTNode* x);//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);//出隊
void QueuePop(Queue* pq);//取隊頭
BTNode* QueueFront(Queue* pq);//銷毀隊列
void QueueDestroy(Queue* pq);
Queue.c
//
// Queue.c
#include "Queue.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->front = pq->rear = NULL;
}void QueuePush(Queue* pq, BTNode* x)
{assert(pq);QueueNode* newQueNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if(newQueNode == NULL){perror("malloc fail!\n");return;}newQueNode->data = x;newQueNode->next = NULL;if(pq->front == NULL){pq->front = pq->rear = newQueNode;}else{pq->rear->next = newQueNode;pq->rear = newQueNode;}
}bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->front == NULL;
}void QueuePop(Queue* pq)
{assert(!QueueEmpty(pq));QueueNode* del = pq->front;pq->front = del->next;if(pq->front == NULL){pq->rear = NULL;}free(del);del = NULL;
}BTNode* QueueFront(Queue* pq)
{assert(!QueueEmpty(pq));return pq->front->data;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{//節點QueueNode* pcur = pq->front;while(pcur){QueueNode* next= pcur->next;free(pcur);pcur = next;}//隊列首尾pq->front = pq->rear = NULL;
}
層序遍歷:
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, root);while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top = QueueFront(&q);QueuePop(&q);printf("%c ", top->_data);if(top->_left) QueuePush(&q, top->_left);if(top->_right) QueuePush(&q, top->_right);}QueueDestroy(&q);
}
3.13.判斷是否為完全二叉樹
我們知道,完全二叉樹是由滿二叉樹得來的,在完全二叉樹中,最后一層以上的所有層次中,節點數都達到了最大值,而最后一層不一定,但一定滿足節點從左到右依次排列
因此,我們可以通過此性質,仿照層次遍歷的方式,通過隊列,來實現完全二叉樹的判定
注:取隊頭時,不需要判斷左右孩子是否為空,直接入隊即可,當隊列頭節點為空時,跳出循環,此時判斷隊列后序數據是否存在非空值,若存在,則不是完全二叉樹,不存在,則是完全二叉樹
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{//當遍歷到空節點時 遞歸結束if(root == NULL) return true;Queue q;QueueInit(&q);while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top = QueueFront(&q);QueuePop(&q);//判斷是否為空節點if(top == NULL){break;}//左右子樹入隊QueuePush(&q, top->_left);QueuePush(&q, top->_right);}//檢查剩余元素while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top = QueueFront(&q);QueuePop(&q);//判斷隊頭元素if(top != NULL){QueueDestroy(&q);return false;}}QueueDestroy(&q);return true;
}
4.完整代碼
Queue.h
//
// Queue.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef struct BinaryTreeNode BTNode;
//隊列節點的結構
typedef struct QueueNode{BTNode* data;struct QueueNode* next;
}QueueNode;
//隊列的結構
typedef struct Queue{QueueNode* front;QueueNode* rear;
}Queue;//初始化隊列
void QueueInit(Queue* pq);//入隊
void QueuePush(Queue* pq, BTNode* x);//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);//出隊
void QueuePop(Queue* pq);//取隊頭
BTNode* QueueFront(Queue* pq);//銷毀隊列
void QueueDestroy(Queue* pq);
Tree.h
//
// Tree.h
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>typedef char BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{BTDataType _data;struct BinaryTreeNode* _left;struct BinaryTreeNode* _right;
}BTNode;//創建節點
BTNode* BTBuyNode(BTDataType x);
// 通過前序遍歷的數組"ABD##E#H##CF##G##"構建二叉樹
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);
// 二叉樹銷毀
void BinaryTreeDestory(BTNode** root);
// 二叉樹節點個數
int BinaryTreeSize(BTNode* root);
// 二叉樹葉子節點個數
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);
// 二叉樹第k層節點個數
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);
// 二叉樹查找值為x的節點
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);
// 二叉樹前序遍歷
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);
// 二叉樹中序遍歷
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);
// 二叉樹后序遍歷
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);
// 層序遍歷
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);
// 判斷二叉樹是否是完全二叉樹
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root);
Queue.c
//
// Queue.c
#include "Queue.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->front = pq->rear = NULL;
}void QueuePush(Queue* pq, BTNode* x)
{assert(pq);QueueNode* newQueNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if(newQueNode == NULL){perror("malloc fail!\n");return;}newQueNode->data = x;newQueNode->next = NULL;if(pq->front == NULL){pq->front = pq->rear = newQueNode;}else{pq->rear->next = newQueNode;pq->rear = newQueNode;}
}bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->front == NULL;
}void QueuePop(Queue* pq)
{assert(!QueueEmpty(pq));QueueNode* del = pq->front;pq->front = del->next;if(pq->front == NULL){pq->rear = NULL;}free(del);del = NULL;
}BTNode* QueueFront(Queue* pq)
{assert(!QueueEmpty(pq));return pq->front->data;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{//節點QueueNode* pcur = pq->front;while(pcur){QueueNode* next= pcur->next;free(pcur);pcur = next;}//隊列首尾pq->front = pq->rear = NULL;
}
Tree.c
//
// Tree.c
#include "Tree.h"
#include "Queue.h"BTNode* BTBuyNode(BTDataType x)
{BTNode* newNode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));if(newNode == NULL){perror("malloc error!\n");return NULL;}newNode->_data = x;newNode->_left = newNode->_right = NULL;return newNode;
}
//前序:根-左-右
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{if(*pi >= n || a[*pi] == '#'){(*pi)++;return NULL;}BTNode* root = BTBuyNode(a[(*pi)++]);root->_left = BinaryTreeCreate(a, n, pi);root->_right = BinaryTreeCreate(a, n, pi);return root;
}//左-右-根
void BinaryTreeDestory(BTNode** root)
{if(root == NULL || *root == NULL){return ;}BinaryTreeDestory(&((*root)->_left));BinaryTreeDestory(&((*root)->_right));free(*root);*root = NULL;
}int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{if(root == NULL) return 0;return 1 + BinaryTreeSize(root->_left) + BinaryTreeSize(root->_right);
}int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{if(root == NULL) return 0;if(!root->_left && !root->_right) return 1;return BinaryTreeLeafSize(root->_left) + BinaryTreeLeafSize(root->_right);
}int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{if(root == NULL || k < 1) return 0;if(k == 1) return 1;return BinaryTreeLevelKSize(root->_left, k-1) + BinaryTreeLevelKSize(root->_right, k-1);
}BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{if(root == NULL) return NULL;if(root->_data == x) return root;BTNode* Left = BinaryTreeFind(root->_left, x);BTNode* Right = BinaryTreeFind(root->_right, x);if(Left) return Left;if(Right) return Right;return NULL;
}//根-左-右
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;printf("%c ", root->_data);BinaryTreePrevOrder(root->_left);BinaryTreePrevOrder(root->_right);
}
//左-根-右
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;BinaryTreeInOrder(root->_left);printf("%c ", root->_data);BinaryTreeInOrder(root->_right);
}
//左-右-根
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;BinaryTreePostOrder(root->_left);BinaryTreePostOrder(root->_right);printf("%c ", root->_data);
}
//借助隊列來實現
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{if(root == NULL) return;Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, root);while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top = QueueFront(&q);QueuePop(&q);printf("%c ", top->_data);if(top->_left) QueuePush(&q, top->_left);if(top->_right) QueuePush(&q, top->_right);}QueueDestroy(&q);
}bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{if(root == NULL) return true;Queue q;QueueInit(&q);while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top = QueueFront(&q);QueuePop(&q);if(top == NULL){break;}QueuePush(&q, top->_left);QueuePush(&q, top->_right);}while(!QueueEmpty(&q)){BTNode* top =QueueFront(&q);QueuePop(&q);if(top != NULL){QueueDestroy(&q);return false;}}QueueDestroy(&q);return true;
}
main.c
//
// main.c#include "Tree.h"
void test(void)
{char str[] = "ABD##E#H##CF##G##";int i = 0;int n = (int)strlen(str);BTNode* root = BinaryTreeCreate(str, n, &i);printf("二叉樹節點總數為:%d\n", BinaryTreeSize(root));printf("二叉樹葉子結點數為:%d\n", BinaryTreeLeafSize(root));printf("二叉樹第2層節點數為:%d\n", BinaryTreeLevelKSize(root, 2));printf("節點‘F’所在地址為:%p\n", BinaryTreeFind(root, 'F'));printf("二叉樹前序遍歷結果為:");BinaryTreePrevOrder(root);printf("\n");printf("二叉樹中序遍歷結果為:");BinaryTreeInOrder(root);printf("\n");printf("二叉樹后序遍歷結果為:");BinaryTreePostOrder(root);printf("\n");printf("二叉樹層序遍歷結果為:");BinaryTreeLevelOrder(root);printf("\n");BinaryTreeDestory(&root);
}
int main(void)
{test();return 0;
}