C、C++常用数据结构：树

代码能跑就可以2024-10-14 11:46

树

定义与性质

  1. 树是指由 n(n≥0)个结点组成的有穷集合 D 与 D 上的关系的集合 R构成的结构，通常我们用 T 表示。
  2. 树需要满足以下三个条件：
    1. 当n=0时，该结点集合为空，该树被称为空树
    2. 在任意的非空树中，有且仅有一个根结点root
    3. 当 n>1 时 ，除根结点以外的其余结点可以分为 m(m>0)个不相交的子集D1,D2,D3,...,Dm， 其中每一个这样的子集 Di(i≤m)本身又是一棵树， 称为根结点 root的子树
  3. 树的几个重要术语：
    1. 结点的度：结点拥有的直接子树数目。
    2. 数的度：书中各结点度的最大值。
    3. 分支结点：也是非叶子结点，度不为0的结点。
    4. 叶子结点：也叫做终端结点，度为0的结点。
    5. 树的深度：树中结点的最大层次数。
    6. 森林：n(n≥0)棵不相交的树的集合称为森林。
  4. 常用性质：（针对二叉树）
    1. 具有n个结点的非空二叉树有且仅有n-1个分支。
    2. 非空二叉树第i层最多有 2 i − 1 2^{i-1} 2i−1个结点。
    3. 深度为k的二叉树最多有 2 k − 1 2^k-1 2k−1个结点。
  5. 存储方式：
    1. 顺序存储：顺序存储将二叉树的每一个节点和数组的编号一一对应，根据这个编号，可以找到该结点的父结点和孩子结点。
    2. 链式存储：二叉树的节点一般定义为：数据部分、左子树指针和右子树指针，用指针将节点串起来。
  6. 两种存储方式的优缺点对比：
    1. 顺序存储结构：
      1. 优点：访问速度快 ，可以通过下标索引直接访问目标元素，访问时间复杂度为O(1)。节省内存空间（适用于完全二叉树），对于完全二叉树，顺序存储可以非常高效且节省内存空间，树中每个结点在内存中都可以紧密排布
      2. 缺点：不适合非完全二叉树 ，非完全二叉树进行顺序存储可能会造成大量的空间浪费，因为数组中可能有大量的空位来表示不存在的节点。难以动态扩容 ，树的顺序存储需要固定大小的数组。插入和删除操作不方便 ，效率较低。如果树结点比较多，可能内存空间有限找不到一整片连续的内存来顺序存储树的结点。
    2. 链式存储结构：
      1. 优点：适合非完全二叉树，插入和删除操作方便，动态扩容方便。
      2. 缺点：访问速度较慢，空间开销大，因为链式存储还需要额外存储指针数据。
  7. 完全二叉树：一种特殊的二叉树
    1. 除了最后一层外，其他每一层都要被节点完全填满。
    2. 最后一层的结点都尽可能的靠左排列。
    3. 完全二叉树适合用顺序存储结构来存储。

代码实现

以下代码实现都是基于二叉树的。

二叉树结点类

这里基于链式存储。

cpp 复制代码 
/**
 * 二叉树结点类
 */
class BinaryTreeNode
{
private:
    int *data;

public:
    BinaryTreeNode *lchild;
    BinaryTreeNode *rchild;

    BinaryTreeNode()
    {
        data = NULL;
        lchild = NULL;
        rchild = NULL;
    }
    BinaryTreeNode(int n)
    {
        data = new int;
        *data = n;
        lchild = NULL;
        rchild = NULL;
    }
    int getData()
    {
        return *data;
    }
};

创建二叉树：

cpp 复制代码 
// 递归创建二叉树（层序）
BinaryTreeNode *createBinaryTree(vector<int> &nums, int index, int size)
{
    if (index >= size)
    {
        return NULL;
    }

    BinaryTreeNode *node = new BinaryTreeNode(nums[index]);

    node->lchild = createBinaryTree(nums, 2 * index + 1, size);
    node->rchild = createBinaryTree(nums, 2 * index + 2, size);

    return node;
}

四种遍历方法（前序、中序、后序、层序）

这里的前序、中序、后序遍历都是基于递归实现的，当然也有非递归的方法，可以参考：二叉树的前中后和层序遍历详细图解（递归和非递归写法）_二叉树前序列为abcdefg的图-CSDN博客

cpp 复制代码 
/**
 * 前序遍历
 */
void preOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    cout << root->getData() << " ";
    preOrder(root->lchild);
    preOrder(root->rchild);
}

/**
 * 中序遍历
 */
void inOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    inOrder(root->lchild);
    cout << root->getData() << " ";
    inOrder(root->rchild);
}

/**
 * 后序遍历
 */
void postOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    postOrder(root->lchild);
    postOrder(root->rchild);
    cout << root->getData() << " ";
}

/**
 * 层序遍历
 */
void levelOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    // 层序遍历借助队列实现
    queue<BinaryTreeNode *> q;
    BinaryTreeNode *front;
    q.push(root);
    while (!q.empty())
    {
        front = q.front();
        q.pop();
        if (front->lchild)
        {
            q.push(front->lchild);
        }
        if (front->rchild)
        {
            q.push(front->rchild);
        }
        cout << front->getData() << " ";
    }
}

测试用例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>

using namespace std;

/**
 * 二叉树结点类
 */
class BinaryTreeNode
{
private:
    int *data;

public:
    BinaryTreeNode *lchild;
    BinaryTreeNode *rchild;

    BinaryTreeNode()
    {
        data = NULL;
        lchild = NULL;
        rchild = NULL;
    }
    BinaryTreeNode(int n)
    {
        data = new int;
        *data = n;
        lchild = NULL;
        rchild = NULL;
    }
    int getData()
    {
        return *data;
    }
};

// 递归创建二叉树（层序）
BinaryTreeNode *createBinaryTree(vector<int> &nums, int index, int size)
{
    if (index >= size)
    {
        return NULL;
    }

    BinaryTreeNode *node = new BinaryTreeNode(nums[index]);

    node->lchild = createBinaryTree(nums, 2 * index + 1, size);
    node->rchild = createBinaryTree(nums, 2 * index + 2, size);

    return node;
}

/**
 * 前序遍历
 */
void preOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    cout << root->getData() << " ";
    preOrder(root->lchild);
    preOrder(root->rchild);
}

/**
 * 中序遍历
 */
void inOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    inOrder(root->lchild);
    cout << root->getData() << " ";
    inOrder(root->rchild);
}

/**
 * 后序遍历
 */
void postOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    postOrder(root->lchild);
    postOrder(root->rchild);
    cout << root->getData() << " ";
}

/**
 * 层序遍历
 */
void levelOrder(BinaryTreeNode *root)
{
    if (root == NULL)
    {
        return;
    }
    // 层序遍历借助队列实现
    queue<BinaryTreeNode *> q;
    BinaryTreeNode *front;
    q.push(root);
    while (!q.empty())
    {
        front = q.front();
        q.pop();
        if (front->lchild)
        {
            q.push(front->lchild);
        }
        if (front->rchild)
        {
            q.push(front->rchild);
        }
        cout << front->getData() << " ";
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}; // 完全二叉树的层次遍历序列
    // 使用数组递归创建二叉树
    BinaryTreeNode *root = createBinaryTree(nums, 0, nums.size());

    cout << "前序遍历: ";
    preOrder(root); // 前序遍历
    cout << endl;
    cout << "中序遍历: ";
    inOrder(root); // 中序遍历
    cout << endl;
    cout << "后序遍历: ";
    postOrder(root); // 后序遍历
    cout << endl;
    cout << "层序遍历: ";
    levelOrder(root); // 层序遍历
    cout << endl;
    return 0;
}
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