C语言数据结构-----二叉树(2)堆的深入理解及应用、链式二叉树的讲解及代码实现

Chris·Bosh2023-12-14 15:40

前言

本篇文章讲述的内容有部分是上一节写过的。重复内容不会再进行说明，大家可以看上一节内容

链接: C语言数据结构-----二叉树(1)认识数、二叉树、堆及堆的代码实现

文章目录

1.使用堆解决TOP-K问题

TOP-K问题：即求数据结合中前K个最大的元素或者最小的元素，一般情况下数据量都比较大。

比如：专业前10名、世界500强、富豪榜、游戏中前100的活跃玩家等。

对于Top-K问题，能想到的最简单直接的方式就是排序，但是：如果数据量非常大，排序就不太可取了(可能数据都不能一下子全部加载到内存中)。最佳的方式就是用堆来解决，基本思路如下：

  1. 用数据集合中前K个元素来建堆
    前k个最大的元素，则建小堆
    前k个最小的元素，则建大堆
  2. 用剩余的N-K个元素依次与堆顶元素来比较，不满足则替换堆顶元素
    将剩余N-K个元素依次与堆顶元素比完之后，堆中剩余的K个元素就是所求的前K个最小或者最大的元素。
c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<time.h>

typedef int HPDataType;

typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}HP;

void Swap(HPDataType* p1, HPDataType* p2)
{
	HPDataType tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

void AdjustDown(HPDataType* a, int size, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;

	while (child < size)
	{
		// 假设左孩子小，如果解设错了，更新一下

		if (child + 1 < size && a[child + 1] < a[child])
		{
			++child;
		}

		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void AdjustUp(HPDataType* a, int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	//while (parent >= 0)
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
			//child = (child - 1) / 2;
			//parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void CreateNDate()//创建随机数文本
{
	// 造数据
	int n = 10000000;
	srand(time(0));
	const char* file = "data.txt";
	FILE* fin = fopen(file, "w");
	if (fin == NULL)
	{
		perror("fopen error");
		return;
	}

	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		int x = (rand() + i) % 10000000;
		fprintf(fin, "%d\n", x);
	}

	fclose(fin);
}

void PrintTopK(const char* file, int k)
{
	FILE* fout = fopen(file, "r");
	if (fout == NULL)
	{
		perror("fopen error");
		return;
	}

	// 建一个k个数小堆
	int* minheap = (int*)malloc(sizeof(int) * k);
	if (minheap == NULL)
	{
		perror("malloc error");
		return;
	}

	// 读取前k个，建小堆
	for (int i = 0; i < k; i++)
	{
		fscanf(fout, "%d", &minheap[i]);
		AdjustUp(minheap, i);
	}

	int x = 0;
	while (fscanf(fout, "%d", &x) != EOF)
	{
		if (x > minheap[0])
		{
			minheap[0] = x;
			AdjustDown(minheap, k, 0);
		}
	}

	for (int i = 0; i < k; i++)
	{
		printf("%d ", minheap[i]);
	}
	printf("\n");

	free(minheap);
	fclose(fout);
}

int main()
{
	 CreateNDate();
	PrintTopK("Data.txt", 5);

	return 0;
}

2.向下调整堆的时间复杂度与向上调整堆的时间复杂度对比

总体而言

①向下调整堆的时间复杂度为：O[N-log~2~(N+1)]，当N足够大时，约等于O(N)

②向上调整堆的时间复杂度为：

3.堆排序问题

堆排序即利用堆的思想来进行排序，总共分为两个步骤：

  1. 建堆
    升序：建大堆
    降序：建小堆
  2. 利用堆删除思想来进行排序 建堆和堆删除中都用到了向下调整，因此掌握了向下调整，就可以完成堆排序。
c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<time.h>

typedef int HPDataType;

typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}HP;

void Swap(HPDataType* p1, HPDataType* p2)
{
	HPDataType tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

void AdjustDown(HPDataType* a, int size, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;

	while (child < size)
	{
		// 假设左孩子小，如果解设错了，更新一下

		if (child + 1 < size && a[child + 1] < a[child])
		{
			++child;
		}

		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void AdjustUp(HPDataType* a, int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	//while (parent >= 0)
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
			//child = (child - 1) / 2;
			//parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void HeapSort(int* a, int n)
{
	// 建大堆，向下调整
	// O(N*logN)
	/*for (int i = 1; i < n; i++)
	{
		AdjustUp(a, i);
	}*/

	//建小堆，向上调整
	// O(N)
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
	{
		AdjustDown(a, n, i);
	}

	int end = n - 1;
	while (end > 0)
	{
		Swap(&a[0], &a[end]);
		AdjustDown(a, end, 0);
		--end;
	}
}

int main()
{
	int a[] = { 4, 6, 2, 1, 5, 8, 2, 9 };
	HeapSort(a, sizeof(a)/sizeof(int));
	for (int i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(int); i++)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");

	return 0;
}

4.链式二叉树

4.1 三种遍历二叉树

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：

  1. 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。
  2. 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中（间）。
  3. 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。

以下是分别堆前序遍历、中序遍历、后序遍历的详细剖析！



前序遍历、中序遍历、后序遍历的代码实现：

c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<time.h>

typedef int BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{
	BTDataType data;
	struct BinaryTreeNode* left;
	struct BinaryTreeNode* right;
}TreeNode;

TreeNode* BuyTreeNode(int x)
{
	TreeNode* node = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
	assert(node);

	node->data = x;
	node->left = NULL;
	node->right = NULL;

	return node;
}

TreeNode* CreateTree()
{
	TreeNode* node1 = BuyTreeNode(1);
	TreeNode* node2 = BuyTreeNode(2);
	TreeNode* node3 = BuyTreeNode(3);
	TreeNode* node4 = BuyTreeNode(4);
	TreeNode* node5 = BuyTreeNode(5);
	TreeNode* node6 = BuyTreeNode(6);

	node1->left = node2;
	node1->right = node4;
	node2->left = node3;
	node4->left = node5;
	node4->right = node6;

	return node1;
}

void PrevOrder(TreeNode* root)//前序遍历
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");//空
		return;
	}

	printf("%d ", root->data);
	PrevOrder(root->left);
	PrevOrder(root->right);
}

void InOrder(TreeNode* root)//中序遍历
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");
		return;
	}

	InOrder(root->left);
	printf("%d ", root->data);
	InOrder(root->right);
}

void AfterOrder(TreeNode* root)//后序遍历
{
	if (root == NULL)
	{
		printf("N ");
		return;
	}

	AfterOrder(root->left);
	AfterOrder(root->right);
	printf("%d ", root->data);
}


int main()
{
	TreeNode* root = CreateTree();
	PrevOrder(root);
	printf("\n");

	InOrder(root);
	printf("\n");

	AfterOrder(root);
	printf("\n");

	return 0;
}


如图所示，结果和我们上面写的一样！

4.2 求二叉树节点的个数

错误法:

修改：

最优解：
也是递归思想

c 复制代码 
int TreeSize(TreeNode* root)
{
	return root == NULL ? 0 : TreeSize(root->left) +TreeSize(root->right) + 1;
	//如果是空那么节点为0，否则就是左子树的节点+右子树的节点+1(根节点)
}

4.3 求二叉树叶子节点(度为0的节点)的个数

c 复制代码 
int TreeLeafSize(TreeNode* root)//叶子节点的个数
{
	// 空 返回0
	if (root == NULL)
		return 0;
	// 不是空，是叶子 返回1
	if (root->left == NULL && root->right == NULL)
		return 1;

	// 不是空 也不是叶子  分治=左右子树叶子之和
	return TreeLeafSize(root->left) +TreeLeafSize(root->right);
}

4.4 求二叉树的高度

c 复制代码 
int TreeHeight(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return 0;
	int leftHeight = TreeHeight(root->left);//记录数据
	int rightHeight = TreeHeight(root->right);//记录数据

	return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
}

注意这里记录数据很重要，如果不记录数据直接使用三目的话，会导致效率低下。只知道谁大，不知道具体数值是多少,要输出具体数值的时候要重新进行计算，会大大降低效率！！！！

4.5 求二叉树第K层的节点个数

c 复制代码 
int TreeLevelK(TreeNode* root, int k)
{
	assert(k > 0);
	if (root == NULL)
		return 0;

	if (k == 1)
		return 1;

	return TreeLevelK(root->left, k - 1)+ TreeLevelK(root->right, k - 1);
}

4.6 求二叉树查找值为x的结点

错误思想：

修改：

c 复制代码 
TreeNode* TreeFind(TreeNode* root, BTDataType x)// 二叉树查找值为x的结点
{
	if (root == NULL)
		return NULL;

	if (root->data == x)
		return root;

	TreeNode* ret1 = TreeFind(root->left, x);
	if (ret1)
		return ret1;

	TreeNode* ret2 = TreeFind(root->right, x);
	if (ret2)
		return ret2;

	return NULL;
}

其依然是一个复杂的递归，不过这里有记录了，返回也不是直接返回到最外面，而是返回到上一层递归！

4.7 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树

这样构建一棵树非常低效，我们可以利用前序遍历的值，直接构建好一棵树，这样效率大大提升！

c 复制代码 
TreeNode* TreeCreate(char* a, int* pi)// 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
{
	if (a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	TreeNode* root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
	if (root == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	root->data = a[(*pi)++];

	root->left = TreeCreate(a, pi);
	root->right = TreeCreate(a, pi);
	return root;
}

这同样也是一个递归构建树的思路！

4.8 销毁链式二叉树

c 复制代码 
void DestroyTree(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return;

	DestroyTree(root->left);
	DestroyTree(root->right);
	free(root);
}

摧毁二叉树用的是后序遍历的思想，从底层开始销毁!

摧毁后置空！

4.9 层序遍历

层序遍历就是一层一层的读数据！具体过程如下：

但是层序遍历的本质是一个队列，我们要实现需要队列的代码，之前我介绍过队列，文章链接如下：

链接: C语言数据结构-----栈和队列(概念，代码实现及简单练习)

c 复制代码 
void LevelOrder(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;//每一层的数据个数，控制一层一层出
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		// 一层一层出
		while (levelSize--)
		{
			TreeNode* front = QueueFront(&q);
			QueuePop(&q);

			printf("%d ", front->data);

			if (front->left)
				QueuePush(&q, front->left);

			if (front->right)
				QueuePush(&q, front->right);
		}
		printf("\n");

		levelSize = QueueSize(&q);//读取每一层的数据个数
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);
}

4.10 判断是否为完全二叉树

c 复制代码 
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool TreeComplete(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front == NULL)
			break;

		QueuePush(&q, front->left);
		QueuePush(&q, front->right);
	}

	// 前面遇到空以后，后面还有非空就不是完全二叉树
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front)
		{
			QueueDestroy(&q);
			return false;
		}
	}

	QueueDestroy(&q);
	return true;
}
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