數據結構——樹
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
- typedef struct TreeNode
- {
- int data;
- //other data information
- struct TreeNode *fisrtchild;
- struct TreeNode *BrotherNode;
- }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