数据结构从入门到精通——二叉树的实现

二叉树的实现

  • 前言
  • 一、二叉树链式结构的实现
    • 1.1前置说明
    • 1.2二叉树的手动创建
  • 二、二叉树的遍历
    • 2.1 前序、中序以及后序遍历
    • 二叉树前序遍历
    • 二叉树中序遍历
    • 二叉树后序遍历
    • 2.2 层序遍历
    • 练习
  • 三、二叉树的具体代码实现
    • 二叉树的节点个数
    • 二叉树叶子节点个数
    • 二叉树第k层节点个数
    • 二叉树查找值为x的节点
    • 二叉树的销毁
    • 二叉树的创建
    • 判断二叉树是否是完全二叉树
  • 四、二叉树的选择练习题
    • 答案
  • 五、二叉树基础oj练习
  • 六、二叉树的完整代码
    • Tree.h
    • Tree.c
    • Test.c


前言

二叉树是一种常见的数据结构,每个节点最多有两个子节点,通常称为左子节点和右子节点。实现二叉树通常涉及定义节点类(包含数据和指向子节点的指针)以及相应的插入、删除和查找操作。遍历二叉树则是访问其所有节点的过程,常见的遍历方式有前序遍历(根-左-右)、中序遍历(左-根-右)和后序遍历(左-右-根)。这些遍历方法可以递归或迭代实现,对于理解二叉树结构和操作非常重要。


一、二叉树链式结构的实现

1.1前置说明

在学习二叉树的基本操作前,需先要创建一棵二叉树,然后才能学习其相关的基本操作。由于现在各位读者对二叉树结构掌握还不够深入,为了降低大家学习成本,此处手动快速创建一棵简单的二叉树,快速进入二叉树操作学习,等二叉树结构了解的差不多时,我们反过头再来研究二叉树真正的创建方式。

1.2二叉树的手动创建

typedef int BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode
{BTDataType _data;struct BinaryTreeNode* _left;struct BinaryTreeNode* _right;
}BTNode;BTNode* CreatBinaryTree()
{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;
}

注意:上述代码并不是创建二叉树的方式,真正创建二叉树方式见下文

再看二叉树基本操作前,再回顾下二叉树的概念,二叉树是:

  1. 空树
  2. 非空:根节点,根节点的左子树、根节点的右子树组成的。

在这里插入图片描述

从概念中可以看出,二叉树定义是递归式的,因此后序基本操作中基本都是按照该概念实现的。

二、二叉树的遍历

2.1 前序、中序以及后序遍历

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。

在这里插入图片描述

按照规则,二叉树的遍历有:前序/中序/后序的递归结构遍历:

  1. 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。
  2. 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)。
  3. 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)R(Right subtree)又可解释为根、根的左子树和根的右子树。NLRLNRLRN分别又称为先根遍历、中根遍历和后根遍历。

// 二叉树前序遍历 
void PreOrder(BTNode* root);
// 二叉树中序遍历
void InOrder(BTNode* root);
// 二叉树后序遍历
void PostOrder(BTNode* root);

二叉树前序遍历

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

二叉树中序遍历

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

二叉树后序遍历

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

下面主要分析前序递归遍历,中序与后序图解类似。

前序遍历递归图解:

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

前序遍历结果:1 2 3 4 5 6
中序遍历结果:3 2 1 5 4 6
后序遍历结果:3 2 5 6 4 1

2.2 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。
在这里插入图片描述

// 层序遍历
void LevelOrder(BTNode* root);

使用队列的形式来实现层序遍历——队列

void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{Queue q;QueueInit(&q);if(root)QueuePush(&q, root);while (!QueueEmpty(&q)){BTNode* front = QueueFront(&q);QueuePop(&q);if (front){printf("%c ", front->val);QueuePush(&q, front->left);QueuePush(&q, front->right);}else{printf(" N ");}}printf("\n");QueueDestroy(&q);
}

层序遍历(也称为广度优先遍历)是一种树的遍历方法,它按照树的层次顺序访问节点。具体来说,从根节点开始,先访问所有相邻的子节点,然后逐层向下遍历,每访问一层的节点,就转向下一层,直到遍历完所有节点。这种遍历方法常用于二叉树、多叉树和图等数据结构。在二叉树中,通常使用队列来实现层序遍历,首先将根节点入队,然后不断从队列中出队节点并访问,同时将该节点的子节点入队,直到队列为空。层序遍历的时间复杂度通常为O(n),其中n为节点数,空间复杂度取决于队列的大小,最坏情况下为O(n)。

练习

请写出下面的前序/中序/后序/层序遍历
在这里插入图片描述

三、二叉树的具体代码实现

二叉树的节点个数

// 二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root);
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{if (root == NULL)return 0;return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}

该段代码定义了一个名为BinaryTreeSize的函数,用于计算二叉树中节点的总数。函数接受一个指向二叉树根节点的指针root作为参数。如果root为空,则返回0;否则,递归计算左子树和右子树的节点数,并将它们相加,再加上根节点本身,最终返回整个二叉树的节点总数。

二叉树是每个节点最多有两个子节点的树结构,通常子节点被称为“左子节点”和“右子节点”。二叉树的节点个数是指树中所有节点的总数,包括根节点、内部节点(非叶子节点)和叶子节点。计算二叉树的节点个数可以通过遍历树的所有节点来实现,例如使用前序遍历、中序遍历或后序遍历等方法。在遍历过程中,每访问一个节点,就将计数器加1,最终计数器的值就是二叉树的节点个数。此外,对于完全二叉树和满二叉树等特殊类型的二叉树,其节点个数可以通过特定的公式直接计算得出。

二叉树叶子节点个数

// 二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{if (root == NULL)return 0;if (root->left == NULL && root->right == NULL)return 1;return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}

该函数BinaryTreeLeafSize计算二叉树的叶子节点数量。如果根节点为空,返回0;如果根节点是叶子节点(即没有左右子节点),返回1;否则,递归计算左子树和右子树的叶子节点数量并返回它们的和。

二叉树的叶子节点是指没有子节点的节点。要计算二叉树的叶子节点个数,可以采用递归或迭代的方法。递归方法的基本思路是,对于每个节点,如果它是叶子节点,则计数加1;否则,递归计算其左右子树的叶子节点个数并相加。迭代方法则可以利用队列或栈等数据结构,层次遍历或深度优先遍历二叉树,统计叶子节点的个数。无论采用哪种方法,最终得到的叶子节点个数即为二叉树的叶子节点总数。

二叉树第k层节点个数

// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{assert(k > 0);if (root == NULL)return 0;if (k == 1)return 1;return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}

该函数BinaryTreeLevelKSize计算了二叉树中第k层的节点数量。首先,它检查k是否大于0并确认根节点root是否存在。如果root为空,则返回0。如果k等于1,表示要求的是第一层的节点数,直接返回1。否则,它递归地对左子树和右子树调用自身,计算第k-1层的节点数,然后将这两个结果相加得到第k层的节点数。

二叉树第k层的节点个数可以通过递归或迭代方法计算。在递归方法中,对于给定的二叉树,我们首先检查根节点是否为空。如果为空,则树为空,返回0。否则,我们递归地计算左子树和右子树的第k-1层节点数,并将它们相加得到第k层的节点数。在迭代方法中,我们使用队列进行层序遍历,记录每一层的节点数,直到找到第k层或遍历完整个树。最终,返回第k层的节点数。这两种方法的时间复杂度均为O(n),其中n为二叉树中节点的总数。

二叉树查找值为x的节点

// 二叉树查找值为x的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{if (root == NULL)return NULL;if (root->val == x)return root;BTNode* left = BinaryTreeFind(root->left, x);if (left)return left;BTNode* right = BinaryTreeFind(root->right, x);if (right)return right;return NULL;
}

该函数是一个在二叉树中查找指定值的函数。它接受一个二叉树的根节点和一个要查找的值x作为参数。如果根节点为空,则返回NULL。如果根节点的值与x相等,则返回根节点。否则,它递归地在左子树和右子树中查找x。如果在左子树或右子树中找到x,则返回对应的节点。如果在整棵树中都没有找到x,则返回NULL

二叉树的销毁

二叉树的构建及遍历

//二叉树销毁 void Binary Tree Destory (BTNode** root) ; 
void BinaryTreeDestroy(BTNode** root)
{if ((*root) == NULL)return;BinaryTreeDestroy(&(*root)->left);BinaryTreeDestroy(&(*root)->right);free(*root);*root = NULL;
}

该函数BinaryTreeDestroy是一个用于销毁二叉树的递归函数。它接受一个指向二叉树根节点指针的指针root。首先,它检查根节点是否为空,如果为空则直接返回。否则,它递归地销毁左子树和右子树,然后释放根节点的内存,并将根节点指针设置为NULL,从而完成整个二叉树的销毁。

二叉树的创建

// 通过前序遍历的数组" A B D # # E # H # # C F # # G # # " 构建二叉树BTNode* Binary TreeCreate(BTDataType* a,int n,int* pi) ; 
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{if (a == NULL || n <= 0)return NULL;if (a[*pi] == ' '){(*pi)++;return NULL;}BTNode* root = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));root->val = a[(*pi)++];root->left = BinaryTreeCreate(a, n, pi);root->right = BinaryTreeCreate(a, n, pi);return root;
}

该段代码实现了一个二叉树的创建函数。它接收三个参数:一个数据类型数组a,一个整数n表示数组长度,以及一个整数指针pi指向数组中当前要处理的元素索引。函数首先检查输入是否有效,若数组为空或n小于等于0,则返回NULL。若当前元素为空格,则递增索引并返回NULL。否则,创建一个新的二叉树节点,将当前元素赋值给节点的值,并递归地创建左右子树。最后返回新创建的根节点。

判断二叉树是否是完全二叉树

// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root);
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{Queue q;QueueInit(&q);if (root)QueuePush(&q, root);while (!QueueEmpty(&q)){BTNode* front = QueueFront(&q);QueuePop(&q);if (front){printf("%c ", front->val);QueuePush(&q, front->left);QueuePush(&q, front->right);}while (!QueueEmpty(&q)){BTNode* front = QueueFront(&q);if (front){QueueDestroy(&q);return false;}}}QueueDestroy(&q);return true;
}

此函数BinaryTreeComplete检查给定的二叉树root是否是完全二叉树。它使用一个队列q进行层序遍历。首先,如果根节点存在,则将其入队。然后在队列不为空的情况下,反复取出队首节点并打印其值,然后将它的左右子节点入队。如果在遍历过程中发现队列中出现了空节点,则立即销毁队列并返回false,因为完全二叉树在层序遍历中不应出现空节点。如果遍历结束,即队列为空,且没有发现空节点,则销毁队列并返回true,说明是完全二叉树。

四、二叉树的选择练习题

  1. 某完全二叉树按层次输出(同一层从左到右)的序列为 ABCDEFGH 。该完全二叉树的前序序列为( )
    A、 ABDHECFG
    B、 ABCDEFGH
    C、 HDBEAFCG
    D、 HDEBFGCA
  2. 二叉树的先序遍历和中序遍历如下:先序遍历:EFHIGJK;中序遍历:HFIEJKG.则二叉树根结点为( )
    A 、E
    B、 F
    C、 G
    D、 H
  3. 设一课二叉树的中序遍历序列:badce,后序遍历序列:bdeca,则二叉树前序遍历序列____。
    A、 adbce
    B 、decab
    C、 debac
    D、 abcde
  4. 某二叉树的后序遍历序列与中序遍历序列相同,均为 ABCDEF ,则按层次输出(同一层从左到右)的序列为( )
    A 、FEDCBA
    B、 CBAFED
    C、 DEFCBA
    D、 ABCDEF

答案

1.A
2.A
3.D
4.A

五、二叉树基础oj练习

  1. 单值二叉树
  2. 检查两颗树是否相同
  3. 对称二叉树
  4. 二叉树的前序遍历
  5. 二叉树中序遍历
  6. 二叉树的后序遍历
  7. 另一颗树的子树

六、二叉树的完整代码

Tree.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>typedef char BTDataType;typedef struct BinaryTreeNode
{BTDataType val;struct BinaryTreeNode* left;struct BinaryTreeNode* right;}BTNode;
typedef BTNode* QDatatype;
typedef struct QueueNode
{QDatatype val;struct QueueNode* next;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;
//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDatatype x);
//出队列
void QueuePop(Queue* pq);//队头元素
QDatatype QueueFront(Queue* pq);
//队尾元素
QDatatype QueueBack(Queue* pq);//检测是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);//检测元素个数
int QueueSize(Queue* pq);//创建二叉树
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi);//二叉树的销毁
void BinaryTreeDestroy(BTNode** root);// 二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root);
// 二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);
// 二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);
// 二叉树查找值为x的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);
// 二叉树前序遍历 
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);
// 二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);
// 二叉树后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);
// 层序遍历
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);
// 判断二叉树是否是完全二叉树
bool BinaryTreeComplete(BTNode* root);

Tree.c

#include "Tree.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
void QueuePush(Queue* pq, QDatatype x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("newnode malloc :");return;}newnode->val = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail){pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}else{pq->phead = pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size == 0;
}
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);//assert(!QueueEmpty(pq));assert(pq->phead != NULL);if (pq->phead->next == NULL){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;}else{QNode* next = pq->phead->next;free(pq->phead);pq->phead = next;}pq->size--;
}
QDatatype QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead != NULL);return pq->phead->val;
}
QDatatype QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->ptail != NULL);return pq->ptail->val;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* a, int n, int* pi)
{if (a == NULL || n <= 0)return NULL;if (a[*pi] == ' '){(*pi)++;return NULL;}BTNode* root = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));root->val = a[(*pi)++];root->left = BinaryTreeCreate(a, n, pi);root->right = BinaryTreeCreate(a, n, pi);return root;
}
void BinaryTreeDestroy(BTNode** root)
{if ((*root) == NULL)return;BinaryTreeDestroy(&(*root)->left);BinaryTreeDestroy(&(*root)->right);free(*root);*root = NULL;
}
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{if (root == NULL)return 0;return BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{if (root == NULL)return 0;if (root->left == NULL && root->right == NULL)return 1;return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{assert(k > 0);if (root == NULL)return 0;if (k == 1)return 1;return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{if (root == NULL)return NULL;if (root->val == x)return root;BTNode* left = BinaryTreeFind(root->left, x);if (left)return left;BTNode* right = BinaryTreeFind(root->right, x);if (right)return right;return NULL;
}
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{if (root == NULL){return;}printf("%c ", root->val);BinaryTreePrevOrder(root->left);BinaryTreePrevOrder(root->right);
}
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{if (root == NULL){return;}BinaryTreeInOrder(root->left);printf("%c ", root->val);BinaryTreeInOrder(root->right);
}
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{if (root == NULL){return;}BinaryTreePostOrder(root->left);BinaryTreePostOrder(root->right);printf("%c ", root->val);
}bool BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{Queue q;QueueInit(&q);if (root)QueuePush(&q, root);while (!QueueEmpty(&q)){BTNode* front = QueueFront(&q);QueuePop(&q);if (front){printf("%c ", front->val);QueuePush(&q, front->left);QueuePush(&q, front->right);}while (!QueueEmpty(&q)){BTNode* front = QueueFront(&q);if (front){QueueDestroy(&q);return false;}}}QueueDestroy(&q);return true;
}

Test.c

#include "Tree.h"
int main()
{char a[] = { 'a','b','c',' ',' ','d','e',' ','g',' ',' ','f',' ',' ',' ' };int pi = 0;BTNode* root = BinaryTreeCreate(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]), &pi);BinaryTreePrevOrder(root);printf("\n");BinaryTreeInOrder(root);printf("\n");BinaryTreePostOrder(root);printf("\n");printf("TreeSize : %d\n", BinaryTreeSize(root));printf("TreeKLevel : %d\n", BinaryTreeLevelKSize(root, 3));BTNode* ret = BinaryTreeFind(root, 3);printf("TreeFind : %p\n", ret);BinaryTreeLevelOrder(root);printf("\n");printf("BinaryTreeComplete %d\n ", BinaryTreeComplete(root));BinaryTreeDestroy(&root);root = NULL;return 0;
}

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1、环境简介 环境&#xff1a; 系统&#xff1a;Ubuntu torch&#xff1a;2.2.1 python&#xff1a;3.10 gpu&#xff1a;V100 16g peft&#xff1a;0.9.0 使用PEFT中的lora方式微调llama-2-7b-hf&#xff0c;项目地址&#xff1a;alpaca-lora 2、混合精度训练Tensor相互计算会…

Jupyter Notebook介绍、安装及使用教程

Jupyter Notebook介绍、安装及使用教程 一、什么是Jupyter Notebook&#xff1f;简介组成部分网页应用文档Jupyter Notebook的主要特点 二、安装Jupyter Notebook先试用&#xff0c;再决定安装安装前提使用Anaconda安装使用pip命令安装 三、运行Jupyter Notebook帮助启动默认端…

macOS 通过 MacPorts 正确安装 MySQL 同时解决无法连接问题

如果你通过 sudo port install 命令正常安装了 MySQL&#xff0c;再通过 sudo port load 命令启动了 MySQL Server&#xff0c;此刻却发现使用 Navicat 之类的 GUI 软件无法连接&#xff0c;始终返回无法连接到 127.0.0.1 服务器。这是一个小坑&#xff0c;因为他默认使用了 So…

零代码编程:用kimichat将srt字幕文件进行批量转换合并

文件夹里面有多个srt字幕文件&#xff0c;借助kimichat可以很方便的对其进行批量合并。 在kimichat中输入提示词&#xff1a; 你是一个Python编程专家&#xff0c;写一个Python脚本&#xff0c;完成一个处理整理文档内容的任务&#xff0c;具体步骤如下&#xff1a; 打开文件…