Python篇——数据结构与算法(第七部分:树)

news2024/9/21 2:48:54

 

目录

1.树与二叉树

2.树的实例:模拟文件系统

3.二叉树

4.二叉树的遍历

5.二叉搜索树

5.1插入

5.2查询

5.3删除


1.树与二叉树

2.树的实例:模拟文件系统

# 树的实例
class Node:
    def __init__(self, name, type='dir'):
        self.name = name
        self.type = type  # type = "dir" or "file"
        self.children = []
        self.parent = None

    def __repr__(self):
        return self.name


class FileSystemTree:
    def __init__(self):
        self.root = Node("/")  # .../abc/123.txt
        self.now = self.root

    def mkdir(self, name):
        # name 以 / 结尾
        if name[-1] != "/":
            name += "/"
        node = Node(name)
        self.now.children.append(node)
        node.parent = self.now

    def ls(self):
        return self.now.children

    def cd(self, name):
        if name[-1] != "/":
            name += "/"

        for child in self.now.children:
            if child.name == name:
                self.now = child
                return
            raise ValueError("invalid dir")


tree = FileSystemTree()
tree.mkdir("var/")
tree.mkdir("bin/")
tree.mkdir("usr/")

tree.cd("bin/")
tree.mkdir("python/")
print(tree.ls())
# print(tree.root.children)

3.二叉树

class BiTreeNode:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.lchild = None
        self.rchild = None


a = BiTreeNode("A")
b = BiTreeNode("B")
c = BiTreeNode("C")
d = BiTreeNode("D")
e = BiTreeNode("E")
f = BiTreeNode("F")
g = BiTreeNode("G")

e.lchild = a
e.rchild = g
a.rchild = c
c.lchild = b
c.rchild = d
g.rchild = f

root = e
print(root.lchild.rchild.data)

4.二叉树的遍历

from collections import deque


class BiTreeNode:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.lchild = None
        self.rchild = None


a = BiTreeNode("A")
b = BiTreeNode("B")
c = BiTreeNode("C")
d = BiTreeNode("D")
e = BiTreeNode("E")
f = BiTreeNode("F")
g = BiTreeNode("G")

e.lchild = a
e.rchild = g
a.rchild = c
c.lchild = b
c.rchild = d
g.rchild = f

root = e


# print(root.lchild.rchild.data)

def pre_order(root):
    '''前序遍历'''
    if root:
        print(root.data, end=',')
        pre_order(root.lchild)
        pre_order(root.rchild)


def in_order(root):
    if root:
        in_order(root.lchild)
        print(root.data, end=',')
        in_order(root.rchild)


def post_order(root):
    if root:
        post_order(root.lchild)
        post_order(root.rchild)
        print(root.data, end=',')


def level_order(root):
    queue = deque()
    queue.append(root)
    while len(queue) > 0:  # 只要队列不空
        node = queue.popleft()
        print(node.data, end=',')
        if node.lchild:
            queue.append(node.lchild)
        if node.rchild:
            queue.append(node.rchild)


pre_order(root)
print()
in_order(root)
print()
post_order(root)
print()
level_order(root)

 5.二叉搜索树

5.1插入

import random

class BiTreeNode:
    '''节点'''

    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.lchild = None
        self.rchild = None
        self.parenet = None


class Bst:
    '''二叉搜索树'''

    def __init__(self, li):
        self.root = None
        if li:
            for val in li:
                self.insert_not_recall(val=val)

    def insert(self, node, val):
        '''插入操作——递归的写法'''
        if not node:
            node = BiTreeNode(val)
        elif val < node.data:
            node.lchild = self.insert(node.lchild, val)
            node.lchild.parenet = node
        elif val > node.data:
            node.rchild = self.insert(node.rchild, val)
            node.rchild.parenet = node
        return node

    def insert_not_recall(self, val):
        '''插入操作——非递归写法'''
        p = self.root
        if not p:  # 空树
            self.root = BiTreeNode(val)
            return
        while True:
            if val < p.data:
                if p.lchild:
                    p = p.lchild
                else:  # 左孩子不存在
                    p.lchild = BiTreeNode(val)
                    p.lchild.parenet = p
                    return
            elif val > p.data:
                if p.rchild:
                    p = p.rchild
                else:
                    p.rchild = BiTreeNode(val)
                    p.rchild.parenet = p
                    return
            else:
                return

    def pre_order(self, root):
        '''前序遍历'''
        if root:
            print(root.data, end=',')
            self.pre_order(root.lchild)
            self.pre_order(root.rchild)

    def in_order(self, root):
        '''中序遍历'''
        if root:
            self.in_order(root.lchild)
            print(root.data, end=',')
            self.in_order(root.rchild)

    def post_order(self, root):
        '''后序遍历'''
        if root:
            self.post_order(root.lchild)
            self.post_order(root.rchild)
            print(root.data, end=',')

li = list(range(100))
random.shuffle(li)

tree = Bst(li=[4, 6, 7, 9, 2, 1, 3, 5, 8])
tree.pre_order(tree.root)
print()
tree.post_order(tree.root)
print()
tree.in_order(tree.root)
print()
#-----------------------------------------
tree = Bst(li=li)
tree.pre_order(tree.root)
print()
tree.post_order(tree.root)
print()
tree.in_order(tree.root)

结果:

4,2,1,3,6,5,7,9,8,
1,3,2,5,8,9,7,6,4,
1,2,3,4,5,6,7,8,9,
19,2,1,0,5,3,4,14,10,7,6,8,9,11,13,12,16,15,18,17,28,25,24,22,21,20,23,26,27,49,34,33,30,29,32,31,36,35,48,44,38,37,42,40,39,41,43,45,46,47,76,62,55,52,51,50,54,53,61,56,59,58,57,60,66,64,63,65,75,74,69,68,67,73,71,70,72,83,80,78,77,79,81,82,96,89,85,84,87,86,88,92,91,90,95,93,94,99,98,97,
0,1,4,3,6,9,8,7,12,13,11,10,15,17,18,16,14,5,2,20,21,23,22,24,27,26,25,29,31,32,30,33,35,37,39,41,40,43,42,38,47,46,45,44,48,36,34,50,51,53,54,52,57,58,60,59,56,61,55,63,65,64,67,68,70,72,71,73,69,74,75,66,62,77,79,78,82,81,80,84,86,88,87,85,90,91,94,93,95,92,89,97,98,99,96,83,76,49,28,19,
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,
Process finished with exit code 0

Note:

  • 从二叉搜索树中序遍历可以看出,结果是有序的(升序)

5.2查询

    def query(self, node, val):
        '''查询——递归'''
        if not node:
            return None
        if node.data < val:
            return self.query(node.rchild, val)
        elif node.data > val:
            return self.query(node.lchild, val)
        else:
            return node

    def query_not_recall(self, val):
        '''查找——非递归'''
        # p指向根节点
        p = self.root
        while p:
            if p.data < val:
                # p指向右孩子
                p = p.rchild
            elif p.data > val:
                p = p.lchild
            else:
                return p
        return None

5.3删除

  • 如果要删除的节点是叶子结点:直接删除
  • 如果要删除的节点只有一个孩子:将此节点的父亲与孩子节点连接,然后删除节点
  • 如果要删除的节点有两个孩子:将其右子树的最小节点(该节点最多有一个右孩子)删除,并替换当前节点。(如图)

    def __remove_node_1(self, node):
        ''' 情况1:已知node是叶子结点并且删除它'''
        if not node.parenet:  # 判断根节点
            self.root = None
        if node == node.parenet.lchild:  # 判断node是否是它父亲的左孩子
            node.parenet.lchild = None
        else:  # 否则删掉右孩子
            node.parenet.rchild = None

    def __remove_node2_1(self, node):
        '''情况2-1:已知node只有一个左孩子'''
        if not node.parenet:  # 根节点(删除的节点如果没有父节点,那么根节点为它的左孩子节点)
            self.root = node.lchild
            node.parenet.lchild = None
        elif node == node.parenet.lchild:
            node.parenet.lchild = node.lchild
            node.lchild.parenet = node.parenet
        else:
            node.parenet.rchild = node.lchild
            node.lchild.parenet = node.parenet

    def __remove_node2_2(self, node):
        '''情况2-2:已知node只有一个右孩子'''
        if not node.parenet:
            self.root = node.rchild
        elif node == node.parenet.lchild:
            node.parenet.lchild = node.rchild
            node.rchild.parenet = node.parenet
        else:
            node.parenet.rchild = node.rchild
            node.rchild.parenet = node.parenet

    def delete(self, val):
        if self.root:  # 先判断是不是空树
            node = self.query_not_recall(val)
            if not node:  # 树中不存在这个val
                return False
            if not node.lchild and not node.rchild:  # 情况1:叶子结点
                self.__remove_node_1(node)
            elif not node.rchild:  # 2-1情况:没有右孩子
                self.__remove_node2_1(node)
            elif not node.lchild:  # 2-2情况:没有左孩子
                self.__remove_node2_2(node)
            else:  # 3.两个孩子都有
                min_node = node.rchild
                while min_node.lchild:
                    min_node = min_node.lchild
                node.data = min_node.data
                # delete min_node
                if min_node.rchild:
                    self.__remove_node2_2(min_node)
                else:
                    self.__remove_node_1(min_node)
            node.rchild.parenet = node.parenet

 整体代码:

import random


class BiTreeNode:
    '''节点'''

    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.lchild = None
        self.rchild = None
        self.parenet = None


class Bst:
    '''二叉搜索树'''

    def __init__(self, li):
        self.root = None
        if li:
            for val in li:
                self.insert_not_recall(val=val)

    def insert(self, node, val):
        '''插入操作——递归的写法'''
        if not node:
            node = BiTreeNode(val)
        elif val < node.data:
            node.lchild = self.insert(node.lchild, val)
            node.lchild.parenet = node
        elif val > node.data:
            node.rchild = self.insert(node.rchild, val)
            node.rchild.parenet = node
        return node

    def insert_not_recall(self, val):
        '''插入操作——非递归写法'''
        p = self.root
        if not p:  # 空树
            self.root = BiTreeNode(val)
            return
        while True:
            if val < p.data:
                if p.lchild:
                    p = p.lchild
                else:  # 左孩子不存在
                    p.lchild = BiTreeNode(val)
                    p.lchild.parenet = p
                    return
            elif val > p.data:
                if p.rchild:
                    p = p.rchild
                else:
                    p.rchild = BiTreeNode(val)
                    p.rchild.parenet = p
                    return
            else:
                return

    def query(self, node, val):
        '''查询——递归'''
        if not node:
            return None
        if node.data < val:
            return self.query(node.rchild, val)
        elif node.data > val:
            return self.query(node.lchild, val)
        else:
            return node

    def query_not_recall(self, val):
        '''查找——非递归'''
        # p指向根节点
        p = self.root
        while p:
            if p.data < val:
                # p指向右孩子
                p = p.rchild
            elif p.data > val:
                p = p.lchild
            else:
                return p
        return None

    def __remove_node_1(self, node):
        ''' 情况1:已知node是叶子结点并且删除它'''
        if not node.parenet:  # 判断根节点
            self.root = None
        if node == node.parenet.lchild:  # 判断node是否是它父亲的左孩子
            node.parenet.lchild = None
        else:  # 否则删掉右孩子
            node.parenet.rchild = None

    def __remove_node2_1(self, node):
        '''情况2-1:已知node只有一个左孩子'''
        if not node.parenet:  # 根节点(删除的节点如果没有父节点,那么根节点为它的左孩子节点)
            self.root = node.lchild
            node.parenet.lchild = None
        elif node == node.parenet.lchild:
            node.parenet.lchild = node.lchild
            node.lchild.parenet = node.parenet
        else:
            node.parenet.rchild = node.lchild
            node.lchild.parenet = node.parenet

    def __remove_node2_2(self, node):
        '''情况2-2:已知node只有一个右孩子'''
        if not node.parenet:
            self.root = node.rchild
        elif node == node.parenet.lchild:
            node.parenet.lchild = node.rchild
            node.rchild.parenet = node.parenet
        else:
            node.parenet.rchild = node.rchild
            node.rchild.parenet = node.parenet

    def delete(self, val):
        if self.root:  # 先判断是不是空树
            node = self.query_not_recall(val)
            if not node:  # 树中不存在这个val
                return False
            if not node.lchild and not node.rchild:  # 情况1:叶子结点
                self.__remove_node_1(node)
            elif not node.rchild:  # 2-1情况:没有右孩子
                self.__remove_node2_1(node)
            elif not node.lchild:  # 2-2情况:没有左孩子
                self.__remove_node2_2(node)
            else:  # 3.两个孩子都有
                min_node = node.rchild
                while min_node.lchild:
                    min_node = min_node.lchild
                node.data = min_node.data
                # delete min_node
                if min_node.rchild:
                    self.__remove_node2_2(min_node)
                else:
                    self.__remove_node_1(min_node)

    def pre_order(self, root):
        '''前序遍历'''
        if root:
            print(root.data, end=',')
            self.pre_order(root.lchild)
            self.pre_order(root.rchild)

    def in_order(self, root):
        '''中序遍历'''
        if root:
            self.in_order(root.lchild)
            print(root.data, end=',')
            self.in_order(root.rchild)

    def post_order(self, root):
        '''后序遍历'''
        if root:
            self.post_order(root.lchild)
            self.post_order(root.rchild)
            print(root.data, end=',')


li = list(range(100))
random.shuffle(li)

tree = Bst(li=[4, 6, 7, 9, 2, 1, 3, 5, 8])
tree.pre_order(tree.root)
print()
tree.post_order(tree.root)
print()
tree.in_order(tree.root)
print()
# -------------------插入----------------------
tree = Bst(li=li)
tree.pre_order(tree.root)
print()
tree.post_order(tree.root)
print()
tree.in_order(tree.root)
# -------------------查询----------------------
li1 = list(range(10))
random.shuffle(li1)
tree1 = Bst(li=li1)
print()
print(tree1.query_not_recall(4).data)

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