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數據結構——樹

最大 可以轉化 應用 csdn 根節點 std sig 祖先 pop

1、樹的相關定義

(1)樹:包含n(n>0)個節點的有窮集合,其中每個元素稱為節點(node);有一個特定的節點被稱為根節點或樹根(root);除根節點之外的其余數據元素被分為m(m≥0)個互不相交的結合T1,T2,……Tm-1,而其中每一個集合Ti(1<=i<=m)本身也是一棵樹,被稱作原樹的子樹(subtree)。

(2)節點的度:一個節點含有的子樹的個數稱為該節點的度;

(3)樹的度:一棵樹中,最大的節點的度稱為樹的度;

(4)葉節點或終端節點:度為零的節點稱為葉節點;

(5)分支節點或非終端節點:度不為零的節點;

(6)父節點或雙親節點:若一個結點含有子節點,則這個節點稱為其子節點的父節點;

(7)子節點或孩子節點:一個節點含有的子樹的根節點稱為該節點的子節點;

(8)兄弟節點:具有相同父節點的節點互稱為兄弟節點;

(9)節點的祖先:從根到該節點所經分支上的所有節點;

(10)子孫:以某節點為根的子樹中任一節點都稱為該節點的子孫。

(11)節點的層次:從根開始定義起,根為第1層,根的子結點為第2層,以此類推;

(12)樹的深度或高度:定義一棵樹的根結點層次為1,其他節點的層次是其父結點層次加1。一棵樹中所有結點的層次的最大值稱為這棵樹的深度。

(13)森林:由m(m>=0)棵互不相交的樹的集合稱為森林;

2、樹的特點

(1)每個節點有零個或多個子節點。

(2)每個子節點只有一個父節點。

(3)沒有父節點的節點稱為根節點。

3、樹的分類

根據形態可以分為以下兩種:

(1)二叉樹

  • 滿二叉樹
  • 完全二叉樹
  • 斜樹

(2)多叉樹

還有其他根據應用特性而命名的樹,比如線索二叉樹、平衡二叉樹、二叉排序樹、多路查找樹(2-3樹、2-3-4樹、B樹、B+樹等)、最小生成樹等,本質是上述兩種類型。

4、樹的特點和性質

由於實際中二叉樹用得最多,而且多叉樹可以轉化成二叉樹,因此主要講二叉樹的性質。

性質1:在二叉樹的第i層上,至多有2^(i-1)個節點。

性質2:深度為k的二叉樹,至多有2^k-1個節點。

性質3:對任何的一顆二叉樹,如果其終端節點(葉子節點)數為n0,度為2的節點數為n2,則有n0=n2+1。

性質4:具有n個節點的完全二叉樹的深度為 [ log2(n) ]+1([ x ]表示不大於x的最大整數)。

性質5:有n個節點的完全二叉樹,從第一層到[ log2(n) ]+1層,每層從左到右編號,對任一節點i,如果i=1,則是二叉樹的根;如果i>1,則 [ i / 2 ]是其父節點;如果2i>n,則i無左孩子,否則其左孩子是2i;如果2i+1>n,則節點無右孩子,否則右孩子是2i+1。

5、樹的表示(存儲結構)

由於實際中二叉樹用得最多,而且多叉樹可以轉化成二叉樹,因此主要講二叉樹的存儲結構,即如何表示二叉樹結構,和創建實際的二叉樹。這裏有幾種表示方法:

(1)孩子兄弟表示法:每個節點設置兩個指針,分別指向該節點的第一個孩子和此節點的兄弟。

[cpp] view plain copy
  1. typedef struct TreeNode
  2. {
  3. int data;
  4. //other data information
  5. struct TreeNode *fisrtchild;
  6. struct TreeNode *BrotherNode;
  7. }node;


(2)子節點表示法;

(3)父節點表示法;

6、樹的操作與用途

(1)遍歷二叉樹,如前序、後序、中序遍歷(並推導遍歷結果);

(2)對樹進行節點的刪減和添加;

(3)運用於查找(平衡二叉樹、多路查找樹),排序((堆)排序等)等;

二叉樹順序結構實現

#include "stdio.h"    
#include "stdlib.h"   
#include "io.h"  
#include "math.h"  
#include "time.h"

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

#define MAXSIZE 100 /* 存儲空間初始分配量 */
#define MAX_TREE_SIZE 100 /* 二叉樹的最大結點數 */

typedef int Status;        /* Status是函數的類型,其值是函數結果狀態代碼,如OK等 */
typedef int TElemType;  /* 樹結點的數據類型,目前暫定為整型 */
typedef TElemType SqBiTree[MAX_TREE_SIZE]; /* 0號單元存儲根結點  */

typedef struct
{
    int level,order; /* 結點的層,本層序號(按滿二叉樹計算) */
}Position;

TElemType Nil=0; /*  設整型以0為空 */

Status visit(TElemType c)
{
    printf("%d ",c);
    return OK;
}

/* 構造空二叉樹T。因為T是固定數組,不會改變,故不需要& */
Status InitBiTree(SqBiTree T)
{
    int i;
    for(i=0;i<MAX_TREE_SIZE;i++)
        T[i]=Nil; /* 初值為空 */
    return OK;
}

/* 按層序次序輸入二叉樹中結點的值(字符型或整型), 構造順序存儲的二叉樹T */
Status CreateBiTree(SqBiTree T)
{ 
    int i=0;
     printf("請按層序輸入結點的值(整型),0表示空結點,輸999結束。結點數≤%d:\n",MAX_TREE_SIZE);
    while(i<10)
    {
        T[i]=i+1;
        
        if(i!=0&&T[(i+1)/2-1]==Nil&&T[i]!=Nil) /* 此結點(不空)無雙親且不是根 */
        {
            printf("出現無雙親的非根結點%d\n",T[i]);
            exit(ERROR);
        }
        i++;
    }
    while(i<MAX_TREE_SIZE)
    {
        T[i]=Nil; /* 將空賦值給T的後面的結點 */
        i++;
    }

    return OK;
}

#define ClearBiTree InitBiTree /* 在順序存儲結構中,兩函數完全一樣 */

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 若T為空二叉樹,則返回TRUE,否則FALSE */
Status BiTreeEmpty(SqBiTree T)
{ 
    if(T[0]==Nil) /* 根結點為空,則樹空 */
        return TRUE;
    else
        return FALSE;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在。操作結果: 返回T的深度 */
int BiTreeDepth(SqBiTree T)
{ 
   int i,j=-1;
   for(i=MAX_TREE_SIZE-1;i>=0;i--) /* 找到最後一個結點 */
     if(T[i]!=Nil)
       break;
   i++; 
   do
     j++;
   while(i>=powl(2,j));/* 計算2的j次冪。 */
   return j;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果:  當T不空,用e返回T的根,返回OK;否則返回ERROR,e無定義 */
Status Root(SqBiTree T,TElemType *e)
{ 
    if(BiTreeEmpty(T)) /* T空 */
        return ERROR;
    else
    {    
        *e=T[0];
        return OK;
    }
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點(的位置) */
/* 操作結果: 返回處於位置e(層,本層序號)的結點的值 */
TElemType Value(SqBiTree T,Position e)
{ 
     return T[(int)powl(2,e.level-1)+e.order-2];
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點(的位置) */
/* 操作結果: 給處於位置e(層,本層序號)的結點賦新值value */
Status Assign(SqBiTree T,Position e,TElemType value)
{ 
    int i=(int)powl(2,e.level-1)+e.order-2; /* 將層、本層序號轉為矩陣的序號 */
    if(value!=Nil&&T[(i+1)/2-1]==Nil) /* 給葉子賦非空值但雙親為空 */
        return ERROR;
    else if(value==Nil&&(T[i*2+1]!=Nil||T[i*2+2]!=Nil)) /*  給雙親賦空值但有葉子(不空) */
        return ERROR;
    T[i]=value;
    return OK;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點 */
/* 操作結果: 若e是T的非根結點,則返回它的雙親,否則返回"空" */
TElemType Parent(SqBiTree T,TElemType e)
{ 
    int i;
    if(T[0]==Nil) /* 空樹 */
        return Nil;
    for(i=1;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
        if(T[i]==e) /* 找到e */
            return T[(i+1)/2-1];
    return Nil; /* 沒找到e */
}


/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點 */
/* 操作結果: 返回e的左孩子。若e無左孩子,則返回"空" */
TElemType LeftChild(SqBiTree T,TElemType e)
{ 
    int i;
    if(T[0]==Nil) /* 空樹 */
        return Nil;
    for(i=0;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
        if(T[i]==e) /* 找到e */
            return T[i*2+1];
    return Nil; /* 沒找到e */
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點 */
/* 操作結果: 返回e的右孩子。若e無右孩子,則返回"空" */
TElemType RightChild(SqBiTree T,TElemType e)
{ 
    int i;
    if(T[0]==Nil) /* 空樹 */
        return Nil;
    for(i=0;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
        if(T[i]==e) /* 找到e */
            return T[i*2+2];
    return Nil; /* 沒找到e */
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點 */
/* 操作結果: 返回e的左兄弟。若e是T的左孩子或無左兄弟,則返回"空" */
TElemType LeftSibling(SqBiTree T,TElemType e)
{ 
    int i;
    if(T[0]==Nil) /* 空樹 */
        return Nil;
    for(i=1;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
        if(T[i]==e&&i%2==0) /* 找到e且其序號為偶數(是右孩子) */
            return T[i-1];
    return Nil; /* 沒找到e */
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,e是T中某個結點 */
/* 操作結果: 返回e的右兄弟。若e是T的右孩子或無右兄弟,則返回"空" */
TElemType RightSibling(SqBiTree T,TElemType e)
{ 
    int i;
    if(T[0]==Nil) /* 空樹 */
        return Nil;
    for(i=1;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
        if(T[i]==e&&i%2) /* 找到e且其序號為奇數(是左孩子) */
            return T[i+1];
    return Nil; /* 沒找到e */
}

/* PreOrderTraverse()調用 */
void PreTraverse(SqBiTree T,int e)
{ 
    visit(T[e]);
    if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子樹不空 */
        PreTraverse(T,2*e+1);
    if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子樹不空 */
        PreTraverse(T,2*e+2);
}

/* 初始條件: 二叉樹存在 */
/* 操作結果: 先序遍歷T。 */
Status PreOrderTraverse(SqBiTree T)
{ 
    if(!BiTreeEmpty(T)) /* 樹不空 */
     PreTraverse(T,0);
    printf("\n");
    return OK;
}

/* InOrderTraverse()調用 */
void InTraverse(SqBiTree T,int e)
{ 
    if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子樹不空 */
        InTraverse(T,2*e+1);
    visit(T[e]);
    if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子樹不空 */
        InTraverse(T,2*e+2);
}

/* 初始條件: 二叉樹存在 */
/* 操作結果: 中序遍歷T。 */
Status InOrderTraverse(SqBiTree T)
{ 
    if(!BiTreeEmpty(T)) /* 樹不空 */
        InTraverse(T,0);
    printf("\n");
    return OK;
}

/* PostOrderTraverse()調用 */
void PostTraverse(SqBiTree T,int e)
{ 
    if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子樹不空 */
        PostTraverse(T,2*e+1);
    if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子樹不空 */
        PostTraverse(T,2*e+2);
    visit(T[e]);
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 後序遍歷T。 */
Status PostOrderTraverse(SqBiTree T)
{ 
    if(!BiTreeEmpty(T)) /* 樹不空 */
        PostTraverse(T,0);
    printf("\n");
    return OK;
}

/* 層序遍歷二叉樹 */
void LevelOrderTraverse(SqBiTree T)
{ 
    int i=MAX_TREE_SIZE-1,j;
    while(T[i]==Nil)
        i--; /* 找到最後一個非空結點的序號 */
    for(j=0;j<=i;j++)  /* 從根結點起,按層序遍歷二叉樹 */
        if(T[j]!=Nil)
            visit(T[j]); /* 只遍歷非空的結點 */
    printf("\n");
}

/* 逐層、按本層序號輸出二叉樹 */
void Print(SqBiTree T)
{ 
    int j,k;
    Position p;
    TElemType e;
    for(j=1;j<=BiTreeDepth(T);j++)
    {
        printf("第%d層: ",j);
        for(k=1;k<=powl(2,j-1);k++)
        {
            p.level=j;
            p.order=k;
            e=Value(T,p);
            if(e!=Nil)
                printf("%d:%d ",k,e);
        }
        printf("\n");
    }
}


int main()
{
    Status i;
    Position p;
    TElemType e;
    SqBiTree T;
    InitBiTree(T);
    CreateBiTree(T);
    printf("建立二叉樹後,樹空否?%d(1:是 0:否) 樹的深度=%d\n",BiTreeEmpty(T),BiTreeDepth(T));
    i=Root(T,&e);
    if(i)
        printf("二叉樹的根為:%d\n",e);
    else
        printf("樹空,無根\n");
    printf("層序遍歷二叉樹:\n");
    LevelOrderTraverse(T);
    printf("前序遍歷二叉樹:\n");
    PreOrderTraverse(T);
    printf("中序遍歷二叉樹:\n");
    InOrderTraverse(T);
    printf("後序遍歷二叉樹:\n");
    PostOrderTraverse(T);
    printf("修改結點的層號3本層序號2。");
    p.level=3;
    p.order=2;
    e=Value(T,p);
    printf("待修改結點的原值為%d請輸入新值:50 ",e);
    e=50;
    Assign(T,p,e);
    printf("前序遍歷二叉樹:\n");
    PreOrderTraverse(T);
    printf("結點%d的雙親為%d,左右孩子分別為",e,Parent(T,e));
    printf("%d,%d,左右兄弟分別為",LeftChild(T,e),RightChild(T,e));
    printf("%d,%d\n",LeftSibling(T,e),RightSibling(T,e));
    ClearBiTree(T);
    printf("清除二叉樹後,樹空否?%d(1:是 0:否) 樹的深度=%d\n",BiTreeEmpty(T),BiTreeDepth(T));
    i=Root(T,&e);
    if(i)
        printf("二叉樹的根為:%d\n",e);
    else
        printf("樹空,無根\n");
    
    return 0;
}

鏈式結構實現

#include "string.h"
#include "stdio.h"    
#include "stdlib.h"   
#include "io.h"  
#include "math.h"  
#include "time.h"

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

#define MAXSIZE 100 /* 存儲空間初始分配量 */

typedef int Status;        /* Status是函數的類型,其值是函數結果狀態代碼,如OK等 */

/* 用於構造二叉樹********************************** */
int index=1;
typedef char String[24]; /*  0號單元存放串的長度 */
String str;

Status StrAssign(String T,char *chars)
{ 
    int i;
    if(strlen(chars)>MAXSIZE)
        return ERROR;
    else
    {
        T[0]=strlen(chars);
        for(i=1;i<=T[0];i++)
            T[i]=*(chars+i-1);
        return OK;
    }
}
/* ************************************************ */

typedef char TElemType;
TElemType Nil= ; /* 字符型以空格符為空 */

Status visit(TElemType e)
{
    printf("%c ",e);
    return OK;
}

typedef struct BiTNode  /* 結點結構 */
{
   TElemType data;        /* 結點數據 */
   struct BiTNode *lchild,*rchild; /* 左右孩子指針 */
}BiTNode,*BiTree;


/* 構造空二叉樹T */
Status InitBiTree(BiTree *T)
{ 
    *T=NULL;
    return OK;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在。操作結果: 銷毀二叉樹T */
void DestroyBiTree(BiTree *T)
{ 
    if(*T) 
    {
        if((*T)->lchild) /* 有左孩子 */
            DestroyBiTree(&(*T)->lchild); /* 銷毀左孩子子樹 */
        if((*T)->rchild) /* 有右孩子 */
            DestroyBiTree(&(*T)->rchild); /* 銷毀右孩子子樹 */
        free(*T); /* 釋放根結點 */
        *T=NULL; /* 空指針賦0 */
    }
}

/* 按前序輸入二叉樹中結點的值(一個字符) */
/* #表示空樹,構造二叉鏈表表示二叉樹T。 */
void CreateBiTree(BiTree *T)
{ 
    TElemType ch;
    
    /* scanf("%c",&ch); */
    ch=str[index++];

    if(ch==#) 
        *T=NULL;
    else
    {
        *T=(BiTree)malloc(sizeof(BiTNode));
        if(!*T)
            exit(OVERFLOW);
        (*T)->data=ch; /* 生成根結點 */
        CreateBiTree(&(*T)->lchild); /* 構造左子樹 */
        CreateBiTree(&(*T)->rchild); /* 構造右子樹 */
    }
 }

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 若T為空二叉樹,則返回TRUE,否則FALSE */
Status BiTreeEmpty(BiTree T)
{ 
    if(T)
        return FALSE;
    else
        return TRUE;
}

#define ClearBiTree DestroyBiTree

/* 初始條件: 二叉樹T存在。操作結果: 返回T的深度 */
int BiTreeDepth(BiTree T)
{
    int i,j;
    if(!T)
        return 0;
    if(T->lchild)
        i=BiTreeDepth(T->lchild);
    else
        i=0;
    if(T->rchild)
        j=BiTreeDepth(T->rchild);
    else
        j=0;
    return i>j?i+1:j+1;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在。操作結果: 返回T的根 */
TElemType Root(BiTree T)
{ 
    if(BiTreeEmpty(T))
        return Nil;
    else
        return T->data;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在,p指向T中某個結點 */
/* 操作結果: 返回p所指結點的值 */
TElemType Value(BiTree p)
{
    return p->data;
}

/* 給p所指結點賦值為value */
void Assign(BiTree p,TElemType value)
{
    p->data=value;
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 前序遞歸遍歷T */
void PreOrderTraverse(BiTree T)
{ 
    if(T==NULL)
        return;
    printf("%c",T->data);/* 顯示結點數據,可以更改為其它對結點操作 */
    PreOrderTraverse(T->lchild); /* 再先序遍歷左子樹 */
    PreOrderTraverse(T->rchild); /* 最後先序遍歷右子樹 */
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 中序遞歸遍歷T */
void InOrderTraverse(BiTree T)
{ 
    if(T==NULL)
        return;
    InOrderTraverse(T->lchild); /* 中序遍歷左子樹 */
    printf("%c",T->data);/* 顯示結點數據,可以更改為其它對結點操作 */
    InOrderTraverse(T->rchild); /* 最後中序遍歷右子樹 */
}

/* 初始條件: 二叉樹T存在 */
/* 操作結果: 後序遞歸遍歷T */
void PostOrderTraverse(BiTree T)
{
    if(T==NULL)
        return;
    PostOrderTraverse(T->lchild); /* 先後序遍歷左子樹  */
    PostOrderTraverse(T->rchild); /* 再後序遍歷右子樹  */
    printf("%c",T->data);/* 顯示結點數據,可以更改為其它對結點操作 */
}


int main()
{
    int i;
    BiTree T;
    TElemType e1;
    InitBiTree(&T);

    
    StrAssign(str,"ABDH#K###E##CFI###G#J##");

    CreateBiTree(&T);

    printf("構造空二叉樹後,樹空否?%d(1:是 0:否) 樹的深度=%d\n",BiTreeEmpty(T),BiTreeDepth(T));
    e1=Root(T);
    printf("二叉樹的根為: %c\n",e1);

    printf("\n前序遍歷二叉樹:");
    PreOrderTraverse(T);
    printf("\n中序遍歷二叉樹:");
    InOrderTraverse(T);
    printf("\n後序遍歷二叉樹:");
    PostOrderTraverse(T);
    ClearBiTree(&T);
    printf("\n清除二叉樹後,樹空否?%d(1:是 0:否) 樹的深度=%d\n",BiTreeEmpty(T),BiTreeDepth(T));
    i=Root(T);
    if(!i)
        printf("樹空,無根\n");
    
    return 0;
}

數據結構——樹