c语言（二叉树）

news2024/11/25 10:47:11

第4章 二叉树和BST

树与二叉树

  1. 基本概念

    • 树是一种非线性结构，其严格的数学定义是：如果一组数据中除了第一个节点（第一个节点称为根节点，没有直接前驱节点）之外，其余任意节点有且仅有一个直接前驱，有零个或多个直接后继，这样的一组数据形成一棵树。这种特性简称为一对多的逻辑关系。即用于描述具有层次关系，类似组织架构关系的一种数据结构。
      在这里插入图片描述
    • 树的组成：根，分支，叶子

  2. 常见例子

    • 日常生活中，很多数据的组织形式本质上是一棵树。比如一个公司中的职员层级关系，一个学校中的院系层级关系，淘汰赛中的各次比赛队伍，一个家族中的族谱成员关系等，这些都是树状逻辑结构。由于树状结构表现出来都是具有层次的，因此也被称为层次结构。
      在这里插入图片描述

  3. 相关术语

    • 通常，在逻辑上表达一棵抽象的树状结构的时候，习惯于将树根放在顶部，树枝树杈向下生长，如下图所示。
      在这里插入图片描述

    • 对于一棵树来说，有如下基本术语：

      • 结点：树中的元素及其子树。
      • 根(root)：树的第一个节点，没有直接前驱。如上图中的A。
      • 双亲节点/父节点(parent)：某节点的直接前驱称为该节点的双亲节点，或成为父节点。例如上图中A是B的父节点。
      • 孩子节点/子节点(child)：某节点的直接后继称为该节点的孩子节点。例如上图中B、C、D均为A的孩子节点。
      • 节点的层次(level)：根节点所在的层次规定为第1层，其孩子所在的层次为第2层，后代节点以此类推。比如上图中节点E的层次是3。
      • 节点的度(degree)：一个节点拥有的孩子节点的总数，称为该节点的度。比如上图中节点B的度为2。
      • 叶子(leaf)：一棵树中度等于0的节点，被称为叶子，又称为终端节点。比如上图中K、L、F、G、M、I、J均为叶子。
      • 树的高度(height)：一棵树中所有节点的层次的最大值，称为这棵树的高度，又称为树的深度。比如上图的树的高度为4。
      • 有序树与无序树：一棵树中，如果某个节点的孩子节点之间是有次序的，则称这棵树为有序树，反之称为无序树。

二叉树

  1. 定义

    • 在各种不同的树状结构中，最常见也最重要的是二叉树(Binary Tree)，下面是二叉树的定义：
    • 有序树，任意节点的度小于等于2。
    • 比如如下这棵树就是一棵二叉树。其中8是根节点，14是10的右孩子（因为二叉树是有序树，因此严格区分左右），而13则是14的左孩子。
      在这里插入图片描述

  2. 特性

    • 第𝑖层上，最多有2𝑖−1个节点。
    • 高度为𝑘的二叉树，最多有2𝑘−1个节点。
    • 假设叶子数目为𝑛0，度为2的节点数目为𝑛2，则有：

二叉树的一般结构

  1. 满二叉树

    • 一棵深度为k，且有2^k - 1个结点的二叉树，称为满二叉树。这种树的特点是每一层上的结点数都是最大结点数。
    • 简单理解：除了叶子节点之外，其余节点的度都为2；其特点是：如果深度为 K，则节点数为 2^K - 1。
      在这里插入图片描述

  2. 完全二叉树

    • 在一棵二叉树中，除最后一层外，若其余层都是满的，或者最后一层是满的，或者是最后一层在右边缺少连续若干结点，则此二叉树为完全二叉树。
    • 简单理解：除最后一层叶子节点外。是一颗满二叉树，最后一层由右向左有连续缺省的0个，1个或多个节点。
      在这里插入图片描述

二叉搜索树(BST)

  1. 特点

    • 如果节点具有左子树，则左子树上所有节点都不大于该节点的值；
    • 节点具有右子树，则右子树上所有节点都不小于该节点的值；
    • 子树又是二叉搜索数。
      在这里插入图片描述

  2. 逻辑上的 内存中的

    • 二叉树 二叉树

  3. 二叉搜索树(BST)的组成

    • 根指针：指向根节点的指针变量。
    • 节点：
      • 数据域(存储的实际数据)。
      • 指针域 (左，右指针)。

结构设计

typedef int data_t;

typedef struct _node
{
    data_t data; // 数据域
    struct _node *left; // 左子树指针
    struct _node *right;// 右子树指针
}NODE;

二叉树 (BST) 的算法

  1. 创建二叉树
int btree_create(NODE** root, data_t data);
  1. 二叉树数据添加
int btree_add(NODE** root, data_t data);
  1. 示例图
    在这里插入图片描述

二叉树数据遍历

  1. 前序遍历 (先序遍历，即 根左右)
void Preorder(const NODE* root);

  • 前序遍历通俗的说就是从二叉树的根结点出发，先输出根结点数据，然后输出左结点，最后输出右结点的数据。
    在这里插入图片描述

  • 从根结点出发，则第一次到达结点 A，故输出 A；继续向左访问，第一次访问结点 B，故输出 B；按照同样规则，输出 D，输出 H；当到达叶子结点 H，返回到 D，此时已经是第二次到达 D，故不在输出 D，进而向 D 右子树访问，D 右子树不为空，则访问至 I，第一次到达 I，则输出 I；I 为叶子结点，则返回到 D，D 左右子树已经访问完毕，则返回到 B，进而到 B 右子树，第一次到达 E，故输出 E；向 E 左子树，故输出 J；按照同样的访问规则，继续输出 C、F、G。

  • 前序遍历输出结果：ABDHIEJCFG

  1. 中序遍历 (即 左根右)
void Midorder(const NODE* root);

  • 中序遍历通俗的说就是从二叉树的根结点出发，先输出左结点数据，然后输出根结点，最后输出右结点的数据。
    -在这里插入图片描述

  • 从根结点出发，则第一次到达结点 A，不输出 A，继续向左访问，第一次访问结点 B，不输出 B；继续到达 D，H；

  • 到达 H，H 左子树为空，则返回到 H，此时第二次访问 H，故输出 H；H 右子树为空，则返回至 D，此时第二次到达 D，故输出 D；由 D 返回至 B，第二次到达 B，故输出 B；按照同样规则继续访问，输出 J、E、A、F、C、G；

  • 中序遍历输出结果：HDIBJEAFCG

  1. 后序遍历 (即 左右根)
void Postorder(const NODE* root);

  • 后序遍历通俗的说就是从二叉树的根结点出发，先输出左结点数据，然后输出右结点，最后输出根结点的数据。
    在这里插入图片描述

  • 从根结点出发，则第一次到达结点 A，不输出 A，继续向左访问，第一次访问结点 B，不输出 B；继续到达 D，H；

  • 到达 H，H 左子树为空，则返回到 H，此时第二次访问 H，不输出 H；H 右子树为空，则返回至 H，此时第三次到达 H，故输出 H；由 H 返回至 D，第二次到达 D，不输出 D；继续访问至 I，I 左右子树均为空，故第三次访问 I 时，输出；返回至 D，此时第三次到达 D，故输出 D；按照同样规则继续访问，输出 J、E、B、F、G、C，A；

  • 后序遍历输出为：HIDJEBFGCA

  1. 层序遍历
void Levelorder(const NODE* root);

二叉树数据查询

NODE* btree_find(const NODE* root, data_t data);
  1. 从根结点出发
  2. 如果比根节点小，那么就去其左子树找
  3. 如果比根节点大就去其右子树找
  4. 找到叶子都没找到， 就代表查找失败
    在这里插入图片描述

二叉树数据更新

隐藏过程

复制

int btree_update(const NODE* root, data_t old, data_t newdata);

二叉树回收

隐藏过程

复制

void btree_destroy(NODE** root);

二叉树数据删除

  1. 原则：将待删除的节点尽量转换为删除叶子节点，因为删除叶子节点对 BST 树影响是最小的。

  2. 思路

    ：

    • int btree_delete(NODE** root, data_t data);
    • 从根节点开始遍历 BST 找到待删除的节点；
    • 对待删除的节点状态进行判断，如果节点有左子树，找到左子树中最大的节点，然后利用左子树中最大的节点数据替换待删除的节点数据，删除左子树中最大的节点；左子树中最大的节点大概率是叶子节点。
    • 如果节点只有右子树，找到右子树中最小的节点，然后利用右子树中最小的节点数据替换待删除的节点数据，删除右子树中最小的节点；右子树中最小的节点大概率是叶子节点。
    • 如果待删除节点是叶子节点，直接删除。

二叉树 (BST) 完整实现

队列实现

SQueue.h
#ifndef __SQUEUE_H
#define __SQUEUE_H

#include "btree.h"

typedef NODE* type_t;

typedef struct
{
    type_t *pData;
    int size;
    int head;![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/df354bd58cc5428aa589a2e8aae6fada.png#pic_center)

    int tail;
}SQueue;

int SQ_init(SQueue *q, int num);
int SQ_isfull(SQueue *q);
int SQ_isempty(SQueue *q);
int SQ_push(SQueue *q, type_t data);
int SQ_pop(SQueue *q, type_t *data);
int SQ_free(SQueue *q);
#endif

SQueue.c
#include <stdlib.h>
#include "SQueue.h"

int SQ_init(SQueue* q, int num)
{
    q -> pData = (type_t*)calloc(sizeof(type_t), num);
    if(q -> pData == NULL)
        return -1;

    q -> size = num;
    q -> head = q -> tail = 0;
    return 0;
}

int SQ_isfull(SQueue *q)
{
    return (q -> tail + 1) % q -> size == q -> head;
}

int SQ_isempty(SQueue *q)
{
    return q -> tail == q -> head;
}

int SQ_push(SQueue *st, type_t data)
{
    if(SQ_isfull(st))
        return -1;

    st -> pData[st -> tail] = data;
    st -> tail = (st -> tail + 1) % st -> size;
    return 0;
}

int SQ_pop(SQueue *st, type_t *data)
{
    if(SQ_isempty(st))
        return -1;

    *data = st -> pData[st -> head];
    st -> head = (st -> head + 1) % st -> size;

    return 0;
}

int SQ_free(SQueue *st)
{
    if(st -> pData)
    {
        free(st->pData);
        st -> pData = NULL;
    }

    st -> head = st -> tail = 0; 
}

树的实现

btree.h
#ifndef __BTREE_H
#define __BTREE_H

typedef int data_t;

typedef struct _node
{
    data_t data; // 节点上的数据
    struct _node *left; // 该节点左侧子节点的地址
    struct _node *right;// 该节点右侧子节点的地址
}NODE;

// 创建搜索二叉树
int btree_create(NODE** root, data_t data);
// 二叉树数据添加
int btree_add(NODE** root, data_t data);
// 二叉树数据删除
int btree_delete(NODE** root, data_t data);

// 二叉树前序遍历
void Preorder(const NODE* root);
// 二叉树中序遍历
void Midorder(const NODE* root);
// 二叉树后序遍历
void Postorder(const NODE* root);
// 二叉树层序遍历
void Levelorder(const NODE* root);
// 二叉树数据查询
NODE* btree_find(const NODE* root, data_t data);
// 更新二叉树数据old 为 newdata
int btree_update(const NODE* root, data_t old, data_t newdata);
// 二叉树回收
void btree_destroy(NODE** root);

#endif

btree.c
#include "btree.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "SQueue.h"

@function: int btree_create(NODE** root, data_t data)
@function:
@ret
@function :
@ret
@brief: 创建搜索二叉树
@argument: root: 根指针地址
@argument: data: 存储的数据
成功
-1 失败

int btree_create(NODE** root, data_t data)
{
    if(*root)
        return -1;

    NODE* p = (NODE*)malloc(sizeof(NODE));
    if(!p)
        return -1;

    p -> data = data;
    p -> left = NULL;
    p -> right = NULL;

    *root = p;
    return 0;
}

/*
@function: int btree_add(NODE** root, data_t data)
@brief: 二叉树数据添加
@argument: root: 根指针地址
@argument: data: 添加的数据
成功
-1 失败
*/
int btree_add(NODE** root, data_t data)
{
    NODE* pNew = (NODE*)malloc(sizeof(NODE));
    if(!pNew)
        return -1;

    pNew -> data = data;
    pNew -> left = NULL;
    pNew -> right = NULL;

    NODE* p = *root;
    if(!p)
    {
        *root = pNew;
        return 0;
    }

    while(p)
    {
        NODE* q = p;
        if(memcmp(&data, &(p -> data), sizeof(data_t)) < 0)
            p = p -> left;
        else
            p = p -> right;

        if(memcmp(&data, &(q -> data), sizeof(data_t)) < 0)
            q -> left = pNew;
        else
            q -> right = pNew;
    }

    return 0;
} 

/*
@function: int btree_delete(NODE** root, data_t data)
@brief: 二叉树数据删除
@argument: root: 根指针地址
@argument: data: 待删除的节点数据
成功
-1 失败
*/
int btree_delete(NODE** root, data_t data)
{
    /*
    原则:

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