数据结构入门————树（C语言/零基础/小白/新手+模拟实现+例题讲解）

肥or胖2023-12-07 17:56

目录

[1. 树的概念及其结构](#1. 树的概念及其结构)

[1.1 树的概念：](#1.1 树的概念：)

[1.2 树的相关概念：](#1.2 树的相关概念：)

[1.3 树的表示方法：](#1.3 树的表示方法：)

​编辑

[1.4 树的应用：](#1.4 树的应用：)

[2. 二叉树的概念及其结构](#2. 二叉树的概念及其结构)

[2.1 概念:](#2.1 概念:)

[2.2 特点：](#2.2 特点：)

[2.3 特殊二叉树：](#2.3 特殊二叉树：)

[2.4 二叉树的性质：](#2.4 二叉树的性质：)

[3. 二叉树的顺序存储结构](#3. 二叉树的顺序存储结构)

[3.1 二叉树的顺序存储结构](#3.1 二叉树的顺序存储结构)

[3.2 堆的概念及其结构](#3.2 堆的概念及其结构)

[3.3 堆的实现](#3.3 堆的实现)

[4. 二叉树的链式存储](#4. 二叉树的链式存储)

[4.1 前序 ，中序 ，后序遍历](#4.1 前序 ，中序 ，后序遍历)

[4.2 层序遍历](#4.2 层序遍历)

1. 树的概念及其结构

1.1 树的概念：

树（Tree）是n（n>=0）个结点的有限集。n=0时称为空树。在任意一棵非空树中：1.有且仅有一个特定的称为根(Root)的结点；2.当n>1时，其余结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集T1,T2...，Tm，其中每一个集合本身又是一颗树，称为根的子树（Sub Tree）,如下图所示。

注：

  1. 子树是不相交的。

  2. 除了根节点以外，每个节点有且只有一个父节点

  3. 一棵有N个节点的树有N-1条边。

1.2 树的相关概念：

a.结点的分类

结点的度：结点拥有的子树的个数。例如，A的度为6。

树的度：最大结点的度为树的度。例如，上图结点的度为6,。

叶结点/终端结点：度为0的结点。例如，结点B。

非终端结点/分支结点：度不为0的结点。例如，结点D,E....

b.结点的关系

双亲结点/父结点：若一个结点含有子结点，那么该结点就是父结点。例如,A是B的父结点。

孩子结点/子结点：结点子树的根称为该结点的孩子(Child)。例如,B是A的孩子。

兄弟结点：具有相同父结点的结点称为兄弟结点。例如,B和C是兄弟结点。

堂兄弟结点：双亲在同一层的结点称为堂兄弟结点。例如,H和I是堂兄弟结点。

结点的祖先：从根结点到该结点的分支上的所有结点，称为该结点的祖先。例如，A时所有结点的祖先

子孙：以某结点为根的子树中的任意结点都是该结点的子孙，例如，所有结点都是A的子孙。

c.树的相关概念

结点的层次：从根结点开始定义，根结点为第1层，根结点的子结点为第2层，以此类推。

树的高度或深度：树中结点的最大层次。上图，树的高度为4。

森林：由m棵互不相交的树的集合称为森林。

1.3 树的表示方法：

这里我们简单了解一下比较常用的：孩子兄弟表示法。

cpp 复制代码 
typedef int DataType;
struct Node
{
 struct Node*  LeftChild;    // 指向左边第一个孩子节点
 struct Node*  RightBrather; // 指向右边的兄弟节点
 DataType _data; // 结点中的数据域
};

1.4 树的应用：

我们在Linux系统中（操作系统的一种），使用的目录结构就是树状结构。

2. 二叉树的概念及其结构

2.1 概念:

二叉树（Binary Tree）是n(n>=0)个结点的有限集，该集合或者为空集（空二叉树），或者由一个根结点和两棵互不相交的，分别称为根结点的左子树和右子树的二叉树组成。

2.2 特点：

a. 二叉树不存在度大于2的结点。

b. 二叉树有左子树右子树之分，是有顺序的，不能颠倒，即使只有一棵子树，也要区分左子树还是右子树。

2.3 特殊二叉树：

a. 满二叉树：一个二叉树，每一层的结点数都达到最大值，则这个二叉树称为满二叉树。也就是说，如果一个满二叉树一共有h层，那么它的结点个数为 2^h-1。

b. 完全二叉树：前h-1层结点数都达到最大值，最后一层不一定是满的，但一定从左往右有序。满二叉树是一个特殊的完全二叉树。

2.4 二叉树的性质：

  1. 若规定根节点的层数为1，则一棵非空二叉树的第i层上最多有2^( i - 1 ) 个节点。

  2. 若规定根节点的层数为1，则深度为h的二叉树的最大节点数是 2^( h ) - 1 。

  3. 对任何一棵二叉树，度为0的叶子节点个数为n0，度为2的分支节点个数为n2，则有n0 = n2 + 1。

  4. 若贵定根节点的层数为1，具有n个节点的满二叉树的深度，h = log₂(n + 1)。

  5. 对具有n个节点的完全二叉树，如果按照从上到下从左至右的数组顺序对所有节点开始编号，啧对于序号为i的节点有：

a. 若 i > 0,i位置节点的双亲序号：(i - 1) / 2 ; i =0,i为根节点编号，无双亲节点。

b. 若2 * i + 1 < n,左孩子序号： 2 * i + 1，若 2 * i + 1 >= n ,则无左孩子节点。

c. 若2 * i + 2 < n,右孩子序号： 2 * i + 2，若 2 * i + 1 >= n,则无右孩子节点。

  1. 某二叉树共有 399 个结点，其中有 199 个度为 2 的结点，则该二叉树中的叶子结点数为（ B ）
    A 不存在这样的二叉树
    B 200
    C 198
    D 199
    解析：
    叶子节点：度为0的节点，n0 = n2 +1
  2. 在具有 2n 个结点的完全二叉树中，叶子结点个数为（ A ）
    A n
    B n+1
    C n-1
    D n/2
    解析：
    完全二叉树的节点度分为3种情况：度=1 or 度 =2 or 度 = 0；
    2n = n0 + n1 + n2
    n0 = n2 + 1 ,且 n1 = 0 或 n1 =0
    2n0 + n1 = 2n 这里 n1只能为0 （偶数 + 奇数 != 偶数）
    所以叶子节点个数 = n
    4.一棵完全二叉树的节点数位为531个，那么这棵树的高度为（ B ）
    A 11
    B 10
    C 8
    D 12
    解析：
    满二叉树的节点个数 = 2*h -1
    完全二叉树中，叶子节点个数不确定，区间为：[ 2^( h - 1 ) + 1 , 2^( h ) -1 ]
    将选项代入，得出高度为10
    5.在一颗度为3的树中，度为3的结点有2个，度为2的结点有1个，度为1的结点有2个，则叶子结点有（ C）个
    A.4

B.5

C.6

D.7

解析：

度为i的节点为ni，树的节点个数为n,则 n = n0 + n1 + n2 + n3;

有n个节点的树的总边数为 ： n-1 条。

根据度的定义，总边数 与 度 的关系: n -1 = 0 * n0 + 1 * n1 + 2 * n2 + 3 * n3

联立方程可得，n0 = n2 +2 *n3 +1 , n0 = 6

3. 二叉树的顺序存储结构

3.1 二叉树的顺序存储结构

普通的二叉树不适合用顺序存储结构，会造成大量空间浪费，但完全二叉树适合用顺序存储结构，现实中我们常把堆（一种二叉树）使用顺序结构存储。

3.2 堆的概念及其结构

堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；

堆总是一棵完全二叉树。

3.3 堆的实现

cpp 复制代码 
//Heap.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>

typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
	HPDataType* _a;
	int _size;
	int _capacity; 
}Heap;

// 堆的构建
void HeapCreate(Heap* hp, HPDataType* a, int n);
// 堆的销毁
void HeapDestory(Heap* hp);
// 堆的插入
void HeapPush(Heap* hp, HPDataType x);
// 堆的删除
void HeapPop(Heap* hp);
// 取堆顶的数据
HPDataType HeapTop(Heap* hp);
// 堆的数据个数
int HeapSize(Heap* hp);
// 堆的判空
int HeapEmpty(Heap* hp);
cpp 复制代码 
#include "Heap.h"

void Swap(HPDataType* x1, HPDataType* x2)
{
	HPDataType x = *x1;
	*x1 = *x2;
	*x2 = x;
}

void AdjustDown(HPDataType* a, int n, int root)
{
	int parent = root;
	int child = parent*2+1;
	while (child < n)
	{
		// 选左右孩纸中大的一个
		if (child+1 < n 
			&& a[child+1] > a[child])
		{
			++child;
		}

		//如果孩子大于父亲，进行调整交换 
		if(a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent*2+1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void AdjustUp(HPDataType* a, int n, int child)
{
	int parent;
	assert(a);
	parent = (child-1)/2;
	//while (parent >= 0)
	while (child > 0)
	{
        //如果孩子大于父亲，进行交换
		if (a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
			child = parent;
			parent = (child-1)/2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void HeapInit(Heap* hp, HPDataType* a, int n)
{
	int i;
	assert(hp && a);
	hp->_a = (HPDataType*)malloc(sizeof(HPDataType)*n);
	hp->_size = n;
	hp->_capacity = n;

	for (i = 0; i < n; ++i)
	{
		hp->_a[i] = a[i];
	}

	// 建堆： 从最后一个非叶子节点开始进行调整
    // 最后一个非叶子节点，按照规则： （最后一个位置索引 - 1） / 2
    // 最后一个位置索引： n - 1
    // 故最后一个非叶子节点位置： (n - 2) / 2
	for(i = (n-2)/2; i >= 0; --i)
	{
		AdjustDown(hp->_a, hp->_size, i);
	}
}

void HeapDestory(Heap* hp)
{
	assert(hp);

	free(hp->_a);
	hp->_a = NULL;
	hp->_size = hp->_capacity = 0;
}

void HeapPush(Heap* hp, HPDataType x)
{
	assert(hp);
    //检查容量
	if (hp->_size == hp->_capacity)
	{
		hp->_capacity *= 2;
		hp->_a = (HPDataType*)realloc(hp->_a, sizeof(HPDataType)*hp->_capacity);
	}
	//尾插
	hp->_a[hp->_size] = x;
	hp->_size++;
	//向上调整
	AdjustUp(hp->_a, hp->_size, hp->_size-1);
}

void HeapPop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
    //交换
	Swap(&hp->_a[0], &hp->_a[hp->_size-1]);
	hp->_size--;
	//向下调整
	AdjustDown(hp->_a, hp->_size, 0);
}

HPDataType HeapTop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	return hp->_a[0];
}

int HeapSize(Heap* hp)
{
	return hp->_size;
}

int HeapEmpty(Heap* hp)
{
	return hp->_size == 0 ? 0 : 1;
}

void HeapPrint(Heap* hp)
{
	int i;
	for (i = 0; i < hp->_size; ++i)
	{
		printf("%d ", hp->_a[i]);
	}
	printf("\n");
}

4. 二叉树的链式存储

先来简单复习一下二叉树的概念，二叉树是：

  1. 空树

2.非空：根节点，左子树，右子树组成

从概念中可以看出，二叉树的定义是递归式的，因此后续基本操作都是按照该概念实现的。

4.1 前序 ，中序 ，后序遍历

二叉树遍历是按照某种特定的规则，依次对二叉树的节点进行相应的操作，并且每个节点只操作1次。

按照规则，二叉树的遍历有：前序/中序/后序的递归结构遍历：

  1. 前序遍历（Preorder Traversal）:访问根节点的操作发生在遍历其左右子树之前。

  2. 后序遍历（Postorder Traversal）:访问根节点发生在遍历其左右子树之后。

  3. 中序遍历（Inorder Traversal）:访问根节点的操作发生在遍历其左右子树之间。

4.2 层序遍历

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。

层序遍历中，我们使用队列来实现，但因为C语言的局限性，需要自己创建轮子，所以实现起来比较复杂，这里如果你对队列不太熟悉，可以参考下面这篇文章，帮助你更好的理解。

数据结构入门------------栈和队列（C语言/零基础/小白/新手+模拟实现+例题讲解）

cpp 复制代码 
//Tree.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
typedef char BTDataType;

typedef struct BinaryTreeNode
{
	BTDataType _data;
	struct BinaryTreeNode* _left;
	struct BinaryTreeNode* _right;
}BTNode;

// 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);
// 二叉树销毁
void BinaryTreeDestory(BTNode** root);
// 二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root);
// 二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);
// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);
// 二叉树查找值为x的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);
// 二叉树前序遍历 
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);
// 二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);
// 二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);
// 层序遍历
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);
// 判断二叉树是否是完全二叉树
int BinaryTreeComplete(BTNode* root);
cpp 复制代码 
#include "BTree.h"
#include "queue.h" //参考之前的代码
#include "stack.h"

BTNode *BinaryTreeCreate(BTDataType * src, int n, int* pi)
{
	if (*pi >= n || src[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	BTNode * cur = (BTNode *)malloc(sizeof(BTNode));
	cur->_data = src[*pi];
	(*pi)++;

	cur->_left = BinaryTreeCreate(src, n, pi);
	cur->_right = BinaryTreeCreate(src, n, pi);

	return cur;
}

void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{
	if (root)
	{ 
		putchar(root->_data);
		BinaryTreePrevOrder(root->_left);
		BinaryTreePrevOrder(root->_right);
	}
}

void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{
	if (root)
	{
		BinaryTreeInOrder(root->_left);
		putchar(root->_data);
		BinaryTreeInOrder(root->_right);
	}
}

void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{
	if (root)
	{
		BinaryTreePostOrder(root->_left);
		BinaryTreePostOrder(root->_right);
		putchar(root->_data);
	}
}

void BinaryTreeDestory(BTNode** root)
{
	if (*root)
	{
		BinaryTreeDestory(&(*root)->_left);
		BinaryTreeDestory(&(*root)->_right);
		free(*root);
        *root = NULL;
	}
}

void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{
	Queue qu;
	BTNode * cur;

	QueueInit(&qu);

	QueuePush(&qu, root);

	while (!QueueIsEmpty(&qu))
	{
		cur = QueueTop(&qu);

		putchar(cur->_data);

		if (cur->_left)
		{
			QueuePush(&qu, cur->_left);
		}

		if (cur->_right)
		{
			QueuePush(&qu, cur->_right);
		}

		QueuePop(&qu);
	}

	QueueDestory(&qu);
}

int BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{
	Queue qu;
	BTNode * cur;
	int tag = 0;

	QueueInit(&qu);

	QueuePush(&qu, root);

	while (!QueueIsEmpty(&qu))
	{
		cur = QueueTop(&qu);

		putchar(cur->_data);

		if (cur->_right && !cur->_left)
		{
			return 0;
		}

		if (tag && (cur->_right || cur->_left))
		{
			return 0;
		}

		if (cur->_left)
		{
			QueuePush(&qu, cur->_left);
		}

		if (cur->_right)
		{
			QueuePush(&qu, cur->_right);
		}
		else
		{
			tag = 1;
		}

		QueuePop(&qu);
	}

	QueueDestory(&qu);
	return 1;
}
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