二叉树
- 1.树
- 1.1定义
- 1.2基本术语
- 1.3树形结构和线性结构
- 1.4树的存储结构
- 1.4.1双亲表示法
- 1.4.2孩子兄弟表示法
- 2.二叉树
- 2.1定义
- 2.2特殊二叉树
- 2.3性质
- 2.4存储结构
- 2.4.1顺序存储
- 2.4.2链式存储结构
- 3.二叉树的基本操作
- 3.1前序遍历(先序遍历)
- 3.2中序遍历
- 3.3后序遍历
- 3.4层序遍历
- 4.二叉树练习
- 5.二叉树的创建和销毁
- 5.1二叉树的创建
- 5.2二叉树的销毁
1.树
学习二叉树,首先得了解树,从树的基本概念出发。
1.1定义
树是n个节点的的有限集合,是一种非线性结构。当n=0时称为空树,对于非空树T:(1)只有一个根结点(root);(2)除根节点外的其余结点可分为m个互不相交的有限集T1,T2,……,Tm,其中每个集合本身又是一棵树,称为根的子树。
1.2基本术语
- 结点:树的一个独立单元,包含一个数据元素或者指向其子树的分支。如图中的A,B,C等。
- 结点的度:结点拥有的子树数称为结点的度(也可以理解为这个结点有多少个孩子)。如A的度是2,B的度是3,D的度是0。
- 树的度:树的各个结点的度的最大值。如图中的树的度为3。
- 叶子结点(或者终端结点):度为0的结点。如图中的D,E,F,G。
- 非终端结点:度不为0的结点。除根结点外,非终端结点也称为内部结点。如图中B,C。
- 孩子结点(或者子节点):一个结点的子树的根结点称为该结点的孩子结点。如图中B和C是A的子结点。
- 双亲结点(或者父结点):一个结点有一个子结点,该结点称为其子结点的父结点。如图中,A是B和C的双亲结点。
- 兄弟结点:同一双亲的孩子之间互称兄弟。如图中B和C是兄弟结点。
- 祖先:从根结点到该结点所经分支上的所有结点。如D的祖先是A和B。
- 子孙:以某结点为根的子树的任一结点都称为该结点的子孙。如D,E,F是B的子孙。
- 层次:从根结点开始,根结点为第一层,根的孩子为第二层,以此类推直到最后一层。如A是第一层,B是第二层,D是第三层。
- 深度:树中结点的最大层次。如A这棵树的深度是3。
- 森林:由m棵互不相交的树构成的集合。如去掉A结点,B和C这两棵子树就是森林。
这么多概念,但常用的只有结点的度、双亲结点、叶子结点、树的层次、树的高度、结点的祖先和子孙。
1.3树形结构和线性结构
树形结构 | 线性结构 |
---|---|
树的根结点没有双亲结点 | 线性表的第一个元素没有前驱 |
树的叶子结点没有子结点 | 线性表的最后一个元素没有后继 |
树的内部结点有一个前驱和多个后继 | 线性表的其余元素只有一个前驱和一个后继 |
1.4树的存储结构
树有多种存储结构:双亲表示法、孩子链表表示法、孩子兄弟表示法等。由于今天的猪脚是二叉树,所以在这里简单介绍下双亲表示法和孩子兄弟表示法。
1.4.1双亲表示法
//结点
#define MAXSIZE 100
typedef int ElemType;
typedef struct
{
ElemType x;//结点的数据
int parent;//结点的双亲结点的下标
}PTNode;
typedef struct
{
PTNode a[MAXSIZE];//结点数组
int size;//结点个数
}PTree;
1.4.2孩子兄弟表示法
//结点
typedef int ElemType;
typedef struct CBTreeNode
{
ElemType x;//数据
struct CBTreeNode* firstchild;//指向结点的左孩子,也就是第一个孩子
struct CBTreeNode* Nextbrother;//指向同一父结点的兄弟
}CBTNode;
2.二叉树
2.1定义
二叉树是n(n>=0)个结点的有限集合。当n=0时为空树,当n不为0时,二叉树有以下特点:1.每个结点的度不超过2(可以理解为二孩政策下的结点最多只能有两个孩子);
2.每个结点的左子树和右子树顺序不能颠倒,所以二叉树是有序树。
2.2特殊二叉树
- 满二叉树:每一层结点数都达到最大,那么它就是满二叉树。如第1层最多有2 ^0个结点,第2层最多有 2 ^1个结点,则第k层最多有2 ^(k-1)个结点,假设这棵满二叉树有k层,那么它总共有2 ^0+2 ^1+……+2 ^(k-1) = 2 ^k-1个结点。
- 完全二叉树:深度为k,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,称为完全二叉树。(简介版:完全二叉树的前k-1层是满二叉树,最后一层从左到右依次连续)
2.3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2^(i-1)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2^h-1。
- 对任何一棵二叉树T,如果其终端结点数为n0,度为2的结点数为n2,则n0=n2+1。
证明
- 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:log是以2
为底,n+1为对数)。
证明
- 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:
(1). 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
(2). 若2i+1<n,左孩子序号:2i+1,2i+1>=n否则无左孩子
(3).若2i+2<n,右孩子序号:2i+2,2i+2>=n否则无右孩子
2.4存储结构
2.4.1顺序存储
二叉树的顺序存储是用数组存储的,其中结点之间的关系用下标来表示。即二叉树的逻辑结构是树,但是其物理结构是数组。
但这种存储结构会造成空间浪费,适用于完全二叉树和满二叉树。
但这个结构却可以来实现一个很牛逼的排序:堆排序。
2.4.2链式存储结构
链式存储结构可以解决顺序存储结构浪费空间的问题,二叉树的链式存储表示有二叉链表、三叉链表、双亲链表、线索链表等。这里重点讲二叉链表。
//二叉树的节点
typedef int DataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{
DataType val;
struct BinaryTreeNode* left;//指向左孩子的指针
struct BinaryTreeNode* right;//指向右孩子的指针
}BTNode;
下面讲二叉树的基本操作。
3.二叉树的基本操作
遍历是指每个结点被访问一次且仅被访问一次。二叉树有一个前驱和两个后继,这注定其遍历不同于线性结构的遍历。二叉树的遍历有前序遍历、中序遍历,后序遍历,层序遍历。
3.1前序遍历(先序遍历)
- 概念
前序遍历:先访问根节点,再访问左子树和右子树。
由图可知,树的前序遍历是递归的,所以可以用递归来实现。
- 代码实现
//先手动创建一个二叉树
BTNode* BuyNode(DataType x)//申请一个结点
{
BTNode* newnode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc failed");
return NULL;
}
newnode->left = newnode->right = NULL;
newnode->val = x;
return newnode;
}
BTNode* CreateBT()
{
BTNode* node1 = BuyNode(1);
BTNode* node2 = BuyNode(2);
BTNode* node3 = BuyNode(3);
BTNode* node4 = BuyNode(4);
BTNode* node5 = BuyNode(5);
BTNode* node6 = BuyNode(6);
node1->left = node2;
node1->right = node4;
node2->left = node3;
node4->left = node5;
node4->right = node6;
return node1;//返回根结点
}
//前序遍历
void PreOrder(BTNode* root)
{
//思路:先访问根结点,再访问左子树和右子树
if (root==NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
//先访问根结点
printf("%d ", root->val);
//再访问左右子树
PreOrder(root->left);
PreOrder(root->right);
}
int main()
{
BTNode* root = CreateBT();
PreOrder(root);
return 0;
}
答案
3.2中序遍历
- 概念
中序遍历:先访问左子树,再访问根节点,最后访问右子树。
同样可以用递归实现 - 代码实现
// 二叉树中序遍历
void InOrder(BTNode* root)
{
//思路:先访问左子树,再访问根节点,最后访问右子树
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
//先访问左子树
InOrder(root->left);
//再访问根节点
printf("%d ", root->val);
//最后访问右子树
InOrder(root->right);
}
答案
3.3后序遍历
- 概念
后序遍历:先访问左子树,再访问右子树,最后访问根节点。
- 代码实现
//后序遍历
void PostOrder(BTNode* root)
{
//思路:先访问左子树,再访问右子树,最后访问根结点
if (root == NULL)
{
printf("NULL ");
return;
}
PostOrder(root->left);
PostOrder(root->right);
printf("%d ", root->val);
}
答案
3.4层序遍历
- 概念
层序遍历:从上到下,从左到右,依次访问。
- 代码实现
// 层序遍历
void LevelOrder(BTNode* root)
{
//思路:用队列实现,出队一层,入队下一层
Queue q;
QInit(&q);
//如果非空就直接入队
if (root)
{
QPush(&q, root);
}
//队列中只入队非空元素
while (!QEmpty(&q))
{
//先出队
BTNode* tmp = QPop(&q);
printf("%d ", tmp->val );
//再判断左右子树是否为空
if (tmp->left)
{
QPush(&q, tmp->left);
}
if (tmp->right)
{
QPush(&q, tmp->right);
}
}
QDestroy(&q);
}
答案
4.二叉树练习
样例
- 求二叉树的节点个数
// 二叉树节点个数
//法一:
int size = 0;//也可以使用静态变量
void TreeSize(BTNode* root)
{
//思路:只要节点不为空,就记录一次
if (root == NULL)
{
return 0;
}
++size;
TreeSize(root->left);
TreeSize(root->right);
}
//法二:
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{
//思路:二叉树的节点个数 = 左子树的节点个数 + 右子树的节点个数
if (root == NULL)
{
return 0;
}
return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1 ;
}
注意
但是法一有个弊端:size是全局(或静态)变量,每次调用都得初始化一次。
答案
- 求二叉树的叶子节点个数
// 二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{
//思路:二叉树的叶子节点 = 左子树的叶子节点 + 右子树的叶子节点
if (root == NULL)
{
return 0;
}
if (root->left == NULL && root->right == NULL)
{
return 1;
}
return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}
答案
- 求二叉树的高度
// 二叉树的高度(深度)
int TreeHeight(BTNode* root)
{
// 思路:二叉树的高度 = 左子树的高度和右子树的高度的最大值 + 1
if (root == NULL)
{
return 0;
}
int left = TreeHeight(root->left);
int right = TreeHeight(root->right);
return left > right ? left + 1 : right + 1;
}
答案
- 求第k层节点个数
// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{
//思路:
//对于第一层,是求第k层节点个数(k)
//对于第二层,是求第k-1层节点个数(k-1)
//……
//对于第k层,是求这一层节点个数(1)
//第k层节点个数 = 左子树第k层节点个数 + 右子树第k层节点个数
if (root == NULL)
{
return 0;
}
if (k == 1)
{
return 1;
}
return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}
答案
- 判断是否是单值二叉树(LeetCode965)OJ链接
单值二叉树:二叉树的每个节点都有相同的值
// 判断是否是单值二叉树
bool isUnivalTree(BTNode* root)
{
//思路:比较根节点与左右子树是否相等,不相等就返回false,相等就判断左右子树是否是单值二叉树
if (root == NULL)
{
return true;
}
if (root->left && root->left->val != root->val)
{
return false;
}
if (root->right && root->right->val != root->val)
{
return false;
}
return isUnivalTree(root->left) && isUnivalTree(root->right);
}
答案
- 查找一个值为x的节点
// 二叉树查找值为x的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, DataType x)
{
//思路:先判断根的值是否与x相等,相等就返回根,
//不等就判断是否与左子树相等,相等就返回
//不等就判断是否与右子树相等,相等就返回,不等就返回NULL
if (root == NULL)
{
return NULL;
}
if (root->val == x)
{
return root;
}
BTNode*tmp = BinaryTreeFind(root->left, x);
if (tmp != NULL)
{
return tmp;
}
tmp = BinaryTreeFind(root->right, x);
if (tmp != NULL)
{
return tmp;
}
return NULL;
}
- 判断两棵二叉树是否相等(LeetCode100)OJ链接
// 判断两棵二叉树是否相等
bool isSameTree(BTNode* p, BTNode* q)
{
//思路:先判断根结点是否相等,再判断左子树是否相等,最后判断右子树是否相等
if (p == NULL && q == NULL)
{
return true;
}
if (p == NULL || q == NULL)
{
return false;
}
if (p->val != q->val)
{
return false;
}
return isSameTree(p->left, q->left) && isSameTree(p->right, q->right);
}
答案
- 判断是否是对称二叉树(LeetCode101)OJ链接
bool isLefRig(BTNode* p1, BTNode* p2)//功能类似于判断两棵二叉树是否相等
{
if (p1 == NULL && p2 == NULL)
{
return true;
}
if (p1 == NULL || p2 == NULL)
{
return false;
}
if (p1->val != p2->val)
{
return false;
}
return isLefRig(p1->left, p2->right) && isLefRig(p1->right, p2->left);
}
bool isSymmetric(BTNode* root)
{
· //思路:写一个辅助函数,功能与判断二叉树是否相等类似
if (root == NULL)
{
return true;
}
return isLefRig(root->left, root->right);
}
答案
- 二叉树的前序遍历(LeetCode144)OJ链接
int TreeSize(struct TreeNode* root)
{
return root == NULL ? 0 : TreeSize(root->left) + TreeSize(root->right) + 1;
}
void PreOrder(struct TreeNode* root, int* a, int* i)
{
if (root == NULL)
{
return;
}
//先对根结点进行操作,再对左右子树进行操作
a[(*i)++] = root->val;
PreOrder(root->left, a, i);
PreOrder(root->right, a, i);
}
int* preorderTraversal(struct TreeNode* root, int* returnSize){
//我们需要知道这棵树的大小,再来动态申请
int size = TreeSize(root);
*returnSize = size;
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * size);
//写一个函数来实现遍历,不要在这个函数遍历,因为遍历需要递归,所以TreeSize会重复调用
int i = 0;//用来记录数组的下标,方便存储数据
PreOrder(root, ret, &i);//为什么要传下标的地址?因为要对下标进行修改
return ret;
}
答案
- 二叉树的中序遍历(LeetCode94)OJ链接
int TreeSize(struct TreeNode* root)
{
return root == NULL ? 0 : TreeSize(root->left) + TreeSize(root->right) + 1;
}
void InOrder(struct TreeNode* root, int* a, int* i)
{
if (root == NULL)
{
return;
}
InOrder(root->left, a, i);
a[(*i)++] = root->val;
InOrder(root->right, a, i);
}
int* inorderTraversal(struct TreeNode* root, int* returnSize){
//我们需要知道这棵树的大小,再来动态申请
int size = TreeSize(root);
*returnSize = size;
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * size);
//写一个函数来实现遍历,不要在这个函数遍历,因为遍历需要递归,所以TreeSize会重复调用
int i = 0;//用来记录数组的下标,方便存储数据
InOrder(root, ret, &i);//为什么要传下标的地址?因为要对下标进行修改
return ret;
}
结果
- 二叉树的后序遍历(LeetCode145)OJ链接
int BinaryTreeSize(struct TreeNode* root)
{
if (root == NULL)
{
return 0;
}
return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}
void PostOrder(struct TreeNode* root, int* ret, int* pi)
{
if (root == NULL)
{
return 0;
}
PostOrder(root->left, ret, pi);
PostOrder(root->right, ret, pi);
ret[(*pi)++] = root->val;
}
int* postorderTraversal(struct TreeNode* root, int* returnSize){
int size = BinaryTreeSize(root);
*returnSize = size;
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * size);//用来存放前序序列
int i = 0;
PostOrder(root, ret, &i);
return ret;
}
结果
- 判断一棵树是否是另一棵树的子树
bool isSubtree(struct TreeNode* root, struct TreeNode* subRoot)
{
//思路:用当前节点所在树与sub进行比较,相等返回真,不相等用当前根结点的左子树比较,再不相等用右子树比较
if (root == NULL)
{
return false;
}
if (isSameTree(root, subRoot))
{
return true;
}
return isSubtree(root->left, subRoot) || isSubtree(root->right, subRoot);
}
结果
- 判断是否是完全二叉树
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{
//思路:利用层序遍历,将完全二叉树的所有节点全部入队,
//当出队时节点为NULL,如果为完全二叉树,则队列中的其余节点都是NULL,
//所以最后判断队列中的节点是否不为NULL,即可判断
Queue q;
QueueInit(&q);
if (root)
{
QueuePush(&q, root);
}
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode*tmp = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (tmp == NULL)
{
break;//当遇到NULL,就跳出循环
}
else
{
QueuePush(&q, tmp->left);//如果为NULL也入队
QueuePush(&q, tmp->right);
}
}
while (!QueueEmpty(&q))
{
BTNode* tmp = QueueFront(&q);
QueuePop(&q);
if (tmp)
{
QueueDestroy(&q);//注意销毁队列,防止内存泄漏
return false;
}
}
QueueDestroy(&q);//等下学习怎么销毁,先记住它有销毁的功能
return true;
}
int main()
{
char arr[100] = { 0 };
scanf("%s", arr);
int i = 0;
int size = strlen(arr);
BTNode* root = CreateBT(arr, &i,size);
InOrder(root);
}
5.二叉树的创建和销毁
前面的二叉树是我们手动创建的,现在学习了前序、中序、后序遍历,就可以利用它们来创建和销毁二叉树。
5.1二叉树的创建
二叉树遍历OJ链接
BTNode* BuyNode(DataType x)
{
BTNode* newnode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc failed");
return NULL;
}
newnode->left = NULL;
newnode->right = NULL;
newnode->val = x;
return newnode;
}
BTNode* CreateBT(char* arr, int* pi,int size)
{ //ABC##DE#G##F###
if (*pi == size)//递归的停止条件
{
return NULL;
}
if (arr[*pi] == '#')
{
(*pi)++;//遇到#,不要忘记跳过
return NULL;
}
BTNode* root = BuyNode(arr[(*pi)++]);
root->left = CreateBT(arr, pi,size);
root->right = CreateBT(arr, pi,size);
return root;
}
void InOrder(BTNode* root)
{
if (root == NULL)
{
return;
}
InOrder(root->left);
printf("%c ", root->val);
InOrder(root->right);
}
int main()
{
char arr[100] = { 0 };
scanf("%s", arr);
int i = 0;
int size = strlen(arr);
BTNode* root = CreateBT(arr, &i,size);
InOrder(root);
}
结果
5.2二叉树的销毁
// 二叉树销毁
void BinaryTreeDestory(BTNode* root)
{
//如果用前序或者中序遍历销毁二叉树会导致内存泄漏(找不到左右子树)
//所以用后序遍历销毁二叉树
if (root == NULL)
{
return;
}
BinaryTreeDestory(root->left);
BinaryTreeDestory(root->right);
free(root);
root == NULL;
}