二叉树初阶数据结构C

文章目录

一、树的概念及结构？
二、二叉树的概念及结构
三、二叉树链式结构的实现(顺序结构之前讲过(堆))

一、树的概念及结构？

1.树的概念

树是一种非线性的数据结构，它是由n（n>=0）个有限结点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做树是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。
有一个特殊的结点，称为根结点，根节点没有前驱结点除根节点外，其余结点被分成M(M>0)个互不相交的集合T1、T2、......、Tm，其中每一个集合Ti(1<= i <= m)又是一棵结构与树类似的子树。每棵子树的根结点有且只有一个前驱，可以有0个或多个后继。因此，树是递归定义的。
注意：树形结构中，子树之间不能有交集，否则就不是树形结构

2.树的相关概念

节点的度：一个节点含有的子树的个数称为该节点的度；如上图：A的为6
叶节点或终端节点：度为0的节点称为叶节点；如上图：B、C、H、I...等节点为叶节点
非终端节点或分支节点：度不为0的节点；如上图：D、E、F、G...等节点为分支节点
双亲节点或父节点：若一个节点含有子节点，则这个节点称为其子节点的父节点；如上图：A是B的父节点
孩子节点或子节点：一个节点含有的子树的根节点称为该节点的子节点；如上图：B是A的孩子节点
兄弟节点：具有相同父节点的节点互称为兄弟节点；如上图：B、C是兄弟节点
树的度：一棵树中，最大的节点的度称为树的度；如上图：树的度为6
节点的层次：从根开始定义起，根为第1层，根的子节点为第2层，以此类推；
树的高度或深度：树中节点的最大层次；如上图：树的高度为4
堂兄弟节点：双亲在同一层的节点互为堂兄弟；如上图：H、I互为兄弟节点
节点的祖先：从根到该节点所经分支上的所有节点；如上图：A是所有节点的祖先
子孙：以某节点为根的子树中任一节点都称为该节点的子孙。如上图：所有节点都是A的子孙
森林：由m（m>0）棵互不相交的树的集合称为森林；

3.树的表示

树结构相对线性表就比较复杂了，要存储表示起来就比较麻烦了，既然保存值域，也要保存结点和结点之间的关系，实际中树有很多种表示方式如：双亲表示法，孩子表示法、孩子双亲表示法以及孩子兄弟表示法等。我们这里就简单的了解其中最常用的孩子兄弟表示法。

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typedef int DataType;
struct Node
{
 struct Node* _firstChild1; // 第一个孩子结点
 struct Node* _pNextBrother; // 指向其下一个兄弟结点
 DataType _data; // 结点中的数据域
};

4.树在实际生活的应用（表示文件系统的目录树结构）

二、二叉树的概念及结构

1.概念

一棵二叉树是结点的一个有限集合，该集合:

或者为空
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

从上图可以看出：
二叉树不存在度大于2的结点
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：

2.特殊的二叉树

满二叉树：一个二叉树，如果每一个层的结点数都达到最大值，则这个二叉树就是满二叉树。也就是说，如果一个二叉树的层数为K，且结点总数是，则它就是满二叉树。
完全二叉树：完全二叉树是效率很高的数据结构，完全二叉树是由满二叉树而引出来的。对于深度为K的，有n个结点的二叉树，当且仅当其每一个结点都与深度为K的满二叉树中编号从1至n的结点一一对应时称之为完全二叉树。要注意的是满二叉树是一种特殊的完全二叉树。

3.二叉树的性质

若规定根节点的层数为1，则一棵非空二叉树的第i层上最多有个结点.
若规定根节点的层数为1，则深度为h的二叉树的最大结点数是 .
对任何一棵二叉树, 如果度为0其叶结点个数为 , 度为2的分支结点个数为 ,则有＝＋1
若规定根节点的层数为1，具有n个结点的满二叉树的深度，h= log(n+1) (ps：是log以2
为底，n+1为对数)
对于具有n个结点的完全二叉树，如果按照从上至下从左至右的数组顺序对所有节点从0开始编号，则对于序号为i的结点有：
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
若2i+1<n，左孩子序号：2i+1，2i+1>=n否则无左孩子
若2i+2<n，右孩子序号：2i+2，2i+2>=n否则无右孩子

4.二叉树的存储结构

二叉树一般可以使用两种结构存储，一种顺序结构，一种链式结构。

顺序存储
顺序结构存储就是使用数组来存储，一般使用数组只适合表示完全二叉树，因为不是完全二叉树会有空间的浪费。而现实中使用中只有堆才会使用数组来存储，关于堆我们之前已经讲过可以看我们之前的堆数据结构C。二叉树顺序存储在物理上是一个数组，在逻辑上是一颗二叉树。
链式存储
二叉树的链式存储结构是指，用链表来表示一棵二叉树，即用链来指示元素的逻辑关系。通常的方法是链表中每个结点由三个域组成，数据域和左右指针域，左右指针分别用来给出该结点左孩子和右孩子所在的链结点的存储地址。链式结构又分为二叉链和三叉链，当前我们学习中一般都是二叉链，后面课程学到高阶数据结构如红黑树等会用到三叉链。

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//二叉链
typedef int TreeDataType;
typedef struct TreeNode {
	struct TreeNode* left;// 指向当前节点左孩子
	struct TreeNode* right;// 指向当前节点右孩子
	TreeDataType val; // 当前节点值域
}TNode;

三、二叉树链式结构的实现(顺序结构之前讲过(堆))

1.二叉树的遍历(前序，中序，后序)

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。
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）。
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。
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。

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// 二叉树前序遍历
void PreOrder(BTNode* root)
{
  if(root == NULL)
  {
    return;
  }
  printf("%d ",root->val);
  PreOrder(root->left);
  PreOrder(root->right);
}
// 二叉树中序遍历
void InOrder(BTNode* root)
{
 if(root == NULL)
  {
    return;
  }
  InOrder(root->left);
  printf("%d ",root->val);
  InOrder(root->right);
}

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

前序遍历举例子：

2.二叉树的层序遍历

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。

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//层序遍历实现
//出上一层，带下一层
void LevelOrder(TNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
	{
		QueuePush(&q, root);
	}
	while (!QueueEmpty(&q))  
	{
		TNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);
		printf("%d ", front->val);
		
		   if(front->left)
			QueuePush(&q, front->left);
		   if(front->right)
			QueuePush(&q, front->right);
     
	}
	QueueDestroy(&q);
}

3.二叉树的例题

头文件

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//#include"BinaryTree.h"
#pragma once
#include<malloc.h>
typedef int TreeDataType;
typedef struct TreeNode {
	struct TreeNode* left;
	struct TreeNode* right;
	TreeDataType val;
}TNode;
// 二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(TNode* root);
// 二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(TNode* root);
// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(TNode* root, int k);
// 二叉树查找值为x的节点
TNode* BinaryTreeFind(TNode* root, TreeDataType x);
// 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
TNode* BinaryTreeCreate(TreeDataType* a, int n, int* pi);
// 二叉树销毁
void BinaryTreeDestory(TNode** root);
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(TNode* root);

实现文件

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#include"BinaryTree.h"
#include"Queue.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
//思想：求一个二叉树的节点，需要求左子树的节点加上其右子树的节点再加上根节点
int BinaryTreeSize(TNode* root)
{
	if (root == nullptr)
	{
		return 0;
	}
	return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}
// 二叉树叶子节点个数
//思想：求一个二叉树的叶子节点需要求其左子树的叶子节点加上右子树的叶子节点
int BinaryTreeLeafSize(TNode* root)
{
	if (root == nullptr)
	{
		return 0;
	}
	if (root->left == nullptr && root->right == nullptr)
	{
		return 1;
	}
	return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}

// 二叉树第k层节点个数
//思想：求一个二叉树第k层的节点就是求它左子树第k-1层的节点加上其右子树第k-1个节点,一直到k为1
int BinaryTreeLevelKSize(TNode* root, int k)
{
	if (root == nullptr)
	{
		return 0;
	}
	if (k == 1)
	{
		return 1;
	}
	return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}
// 二叉树查找值为x的节点
//思想：要找值为x的节点，需要先判断该节点值是否为x，然后再去往左、右子树找
TNode* BinaryTreeFind(TNode* root, TreeDataType x)
{
	if (root == nullptr)
	{
		return nullptr;
	}
	if (root->val == x)
	{
		return root;
	}
	TNode* ret1 = BinaryTreeFind(root->left,x);
	if (ret1)
	{
		return ret1;
	}
	TNode* ret2= BinaryTreeFind(root->right,x);
	if (ret2)
	{
		return ret2;
	}
	return nullptr;
}
// 通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"构建二叉树
//思想:从数组中取值，如果为'#'则返回NULL，如果为值则创建节点并赋值，然后再去创建这个节点的左子树和右子树
TNode* BinaryTreeCreate(TreeDataType* a, int n, int* pi)
{
	if (a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return nullptr;
	}
	TNode* root = (TNode* )malloc(sizeof(TNode));
	if (root == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	root->val = a[(*pi)++];
	root->left = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	root->right = BinaryTreeCreate(a, n, pi);
	return root;
}
// 二叉树销毁
//思想：用后序遍历的方法将树销毁，注意递归的时候传递的要是二级指针
void BinaryTreeDestory(TNode** root)
{
	if (root == nullptr)
	{
		return;
	}
	if (*root == nullptr)
	{
		return;
	}
	TNode* root1 = *root;
	BinaryTreeDestory(&root1->left);
	BinaryTreeDestory(&root1->right);
	free(root1);

}
// 判断二叉树是否是完全二叉树
//思想：用一个队列，先将根节点带进去，然后pop出来，用一个变量保存起来，如果该变量为空，则说明已经出完所有节点，可以出去判断，队列里面是否有其他节点，如果变量不为空，则带入它的左右节点(NULL也要带入)
bool BinaryTreeComplete(TNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
	{
		QueuePush(&q, root);
	}
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);
		if (front == nullptr)
		{
			break;  //出去判断是不是后面还有节点
		}
		else
		{
			QueuePush(&q, front->left);
			QueuePush(&q, front->right);
		}
	}
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);
		if (front != nullptr)
		{
			QueueDestroy(&q);//记得一定要手动释放空间，否则会造成内存泄漏
			return false;
		}
	}
	QueueDestroy(&q);
	return true;
}