数据结构-第五章 二叉树

article/2025/9/20 3:11:58

一、树

1.树的概念

树是一种非线性的数据结构,是由n个结点组成的一个集合。每一棵树都可以被分解为根节点和n棵子树构成(n>=0)

根节点(Root):没有父结点的结点称为根节点,如A

父结点:含有子结点的结点,如A是B的父结点

子结点:含有父结点的结点,如B、C、D、E是A的子结点

子树:以自身节点为根节点,下面的所有子结点与子结点的子结点等,如B是A的子树,G、N也是A的子树、E、I、J、P、Q也是A的子树

叶节点:没有子节点的节点,如B、C、H、I、P、Q、K、L、M、N

兄弟结点:拥有同一个父结点的结点,如B、C、D、E、F、G是兄弟结点,I、J是兄弟结点

结点的度(子节点的个数):树中父结点中,含有的子结点个数,如A的度是6,B的度是0,D的度是1,E的度是2

树的度:树中最大的结点的度就是树的度,该树的度是6

节点的层次:根节点的层次为第一层,根结点的子结点的层次为第二层,如E为第2层、Q为第4层

树的高度/深度:树中节点的最大层次,该树的深度是4

2.树的特征

1.子树是不相交的,即只有一条路线能找到子结点

2.除了根结点外,每个结点有且仅有一个父结点

3.一棵N个结点的树有N-1条边

二、二叉树

1.二叉树的概念

1.二叉树的度为2(一个父节点最多有两个子节点)

2.二叉树的子树有左右之分

2.二叉树的分类

3.特殊的二叉树 

1.满二叉树-每一个父节点都有两个子节点,最后一层没有子节点

2.完全二叉树-前k-1层都是满的,最后一层不满或是满的,但最后一层从左到右是连续的。满二叉树是一个特殊的完全二叉树

4.二叉树的性质

1.关于结点个数N-普通二叉树

规定根节点的层数为1

1.第n层上的节点个数N为:0≤N≤2^(n-1)

2.一个深度为n层的二叉树的节点个数N:n≤N≤2^n - 1

3.叶节点的个数为N0,度为1(有一个子节点)的节点的个数为N1,度为2(有两个子节点)的节点的个数为N2,则N0 = N2 + 1;N = N0 + N1 + N2;N = 2N2 + N1 + 1

2.关于结点个数N-完全二叉树

规定根节点的层数为1

1.第n层上的节点个数N为:0≤N≤2^(n-1)

2.一个深度为n层的完全二叉树的节点个数N:2^(n - 1)(上一层全满,最后一层有一个节点)≤N≤2^n - 1(满二叉树的节点数)

3.叶节点的个数为N0,度为1(有一个子节点)的节点的个数为N1,度为2(有两个子节点)的节点的个数为N2,则N0 = N2 + 1;N = N0 + N1 + N2;N = 2N2 + N1 + 1;且N1能且只能等于1或0

三、二叉树顺序结构及实现-堆(一个特殊的完全二叉树)

只有完全二叉树或是满二叉树时,才用数组实现,而在使用情况下,只有使用堆的时候才使用顺序结构

1.堆的概念及结构

1.堆是一个完全二叉树

2.堆分为小堆和大堆

小堆:根节点的值是堆中数据最小的,且小堆中任意父节点的值总是≤子节点的值

根节点的值为10,是最小的数值。且15≤25、30

大堆:根节点的值是堆中数据最大的,且大堆中任意父节点的值总是≥子节点的值

 

根节点的值为70,是最大的值。且56≥25、15 

2.堆的存储-以小堆为例

 一个堆按照从上到下,从左到右的顺序将数值存储进数组。

3.堆的实现-如何在一个数组中实现堆的结构

0.思想

先实现一个堆,然后一个一个数据加进数组,再进行调整,使之成为堆

1.向上调整法-用于从数组底插入数据

第一层

创建一个根节点,然后向数组中插入数据(假设数据为4)

第二层

创建根节点的左子节点,然后向数组中插入数据(假设左子节点中的数据为5)

 

比较子节点与父结点的值,若子结点的值小于父结点,则进行对换(此处不兑换)。然后插入数据为3的右子节点

比较父结点与子节点的值,进行对换

 

 第三层-插入值为2、6、7、1

插入2

 调整:2与5换,然后2与3换

 

 插入6,不需要调整,插入7,不需要调整,最后插入1

 对1进行调整,先与4换,再与2换

此时完成了全部数组的构建,即整个树的构建。

要点:

2.向下调整法-用于除了根节点外,其他的节点都已经是堆了

同上图,假设根节点为8

第零步、根节点中的值被替换为8

 第一步、找根节点的左右子结点中的最小值,如上图,最小值为2,与2替换

 第二步、以被替换的节点为父结点,再跟子结点进行比较,如上图,就是8跟4换

 同样要点为:

4.堆的代码实现

4.1堆结构的定义

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 //构建堆
//小堆-root根节点的值为整个堆中的最小值
//大堆-root根节点的值为整个堆中的最大值
typedef int HPDataType;//堆中存储的数据类型typedef struct Heap
{HPDataType* array;//以数组的形式来存储数据int size;//堆中的数据个数int capacity;//堆中的可存储数据的内存
}Heap;

4.2堆的初始化

//堆的构建-传入一个堆变量的地址
void HeapCreate(Heap* php)
{assert(php);php->array = NULL;php->size = 0;php->capacity = 0;
}

4.3堆的销毁

//堆的销毁-传入一个堆变量的地址
void HeapDestroy(Heap* php)
{assert(php);free(php->array);php->array = NULL;php->size = 0;php->capacity = 0;
}

4.4堆的打印

//堆的数据输出-传入一个堆变量的地址,打印出堆中的数据
void HeapPrint(Heap* php)
{assert(php);//1.堆中没有数据if (0 == php->size){printf("堆中没有数据,无法打印\n");}//2.堆中有数据else{for (int i = 0; i < php->size; i++){printf("%d  ", php->array[i]);}printf("\n");}
}

4.5堆的数据插入

4.5.0交换数据的函数实现

//交换数据-传入两个堆变量的数据的地址,使之交换数据
void Swap(HPDataType* pa, HPDataType* pb)
{assert(pa);assert(pb);HPDataType tmp = *pa;*pa = *pb;*pb = tmp;
}

4.5.1向上调整数据的实现

//堆的向上调整-传入一个数组的地址,需调整数据在数组中的下标
//本质是在数组是堆的基础上,调整新插入的数据,使数据插入后成为堆
void AdjustUp(HPDataType* array, int position)
{assert(array);int child = position;//可能为0int parent = (child - 1) / 2;//可能为负数//当该数据不为数组的首元素时,进入循环while (child){//1.若新插入的数据小于堆中已有的数据,进行交换if (array[child] < array[parent])//小堆的实现//if (array[child] > array[parent])//大堆的实现{Swap(&array[child], &array[parent]);child = parent;//可能为0parent = (child - 1) / 2;//可能为负数}//2.若新插入的数据大于等于堆中的数据,则满足堆的定义//无需交换,出循环else{break;}}//出循环,说明该堆已经调整好了
}

 4.5.2堆的数据插入

//堆的数据插入-传入一个堆变量的地址,一个数据
void HeapPush(Heap* php, HPDataType x)
{assert(php);//1.检查容量与扩容if (php->size == php->capacity){//定义新容量的大小int newcapacity;if (0 == php->capacity){newcapacity = 4;}else{newcapacity = php->capacity * 2;}//利用新容量来申请数组空间HPDataType* newarray = (HPDataType*)realloc(php->array, sizeof(HPDataType) * newcapacity);assert(newarray);//更新数组与容量php->array = newarray;php->capacity = newcapacity;}//2.插入数据php->array[php->size] = x;php->size++;//3.将插入的数据在数组中进行调整,使数组是一个堆AdjustUp(php->array, php->size - 1);
}

4.6堆的数据删除

4.6.1堆的向下调整

//堆的向下调整-传入一个数组的地址,该数组中含有的数据个数
//本质上是数组除了堆顶数据外,是一个堆结构
//调整堆顶数据使之成为一个堆
void AdjustDown(HPDataType* array, int size)
{assert(array);//1.标识父结点与左子结点在数组中的下标int parent = 0;int child = parent * 2 + 1;//可能该下标在数组下标之外//2.当左子结点的数组下标在数组中时,进入循环while (child < size){//1.找出左右子结点中更小(小堆)/更大(大堆)的值if ((child + 1 < size) && array[child + 1] < array[child])//小堆的调整//if((child + 1 < size) && array[child + 1] > array[child])//大堆的调整{child = child + 1;}//2.比较父结点与子结点的值if (array[child] < array[parent])//小堆的实现//if (array[child] > array[parent])//大堆的实现{Swap(&array[child], &array[parent]);parent = child;//此时parent的下标必在数组下标中child = parent * 2 + 1;//此时child的下标不一定在数组下标中}//3.若父结点满足堆的定义,则直接退出循环else{break;}}//3.出循环,说明调整完成,此时数组的结构为堆
}

4.6.2堆的数据删除

//堆的数据删除-传入一个堆变量的地址
void HeapPop(Heap* php)
{assert(php);//传入一个没有数据的堆if (0 == php->size){printf("堆中没有数据,无法删除\n");}//传入一个有数据的堆else{//1.交换堆顶和堆底的数据Swap(&php->array[0], &php->array[php->size - 1]);//2.删除堆底的数据php->size--;//3.调整数组的结构,使之成为一个堆AdjustDown(php->array, php->size);}}

4.7输出堆的堆顶元素

//堆顶的数据-传入一个堆变量的地址,输出堆变量中堆顶的数据
HPDataType HeapTop(Heap* php)
{assert(php);assert(php->size);return php->array[0];
}

4,8输出堆的数据个数

//堆的数据个数-传入一个堆变量的地址,输出堆变量中数据的个数
int HeapSize(Heap* php)
{assert(php);return php->size;
}

4.9判断堆是否是空堆

//堆是否为空-传入一个堆变量的地址,该堆中没有数据,返回1,否则返回0
int HeapEmpty(Heap* php)
{assert(php);return 0 == php->size;
}

四、二叉树链式结构及实现-普通的二叉树

0.二叉树的结构体定义

typedef char BTDataType;typedef struct BinaryTreeNode
{BTDataType data;struct BinaryTreeNode* left;struct BinaryTreeNode* right;
}BTNode;

1.通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"来构建二叉树

//通过前序遍历的数组"ABD##E#H##CF##G##"来构建二叉树
//传入一个保存数据的数组的地址,传入该数组的元素个数,
//传入记录数组下标的整数地址
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* array, int n, int* pi)
{assert(array);assert(*pi < n);//要求记录数组下标 的 整数<数组中的元素个数//1.该数值是'#',返回空if ('#' == array[*pi]){*pi = *pi + 1;return NULL;}//2.该数值不为'#'else{BTNode* newnode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));assert(newnode);newnode->data = array[*pi];*pi = *pi + 1;newnode->left = BinaryTreeCreate(array, n, pi);newnode->right = BinaryTreeCreate(array, n, pi);return newnode;}
}

2.二叉树销毁

//二叉树销毁-前序销毁
void BinaryTreeDestroy(BTNode** root)
{assert(root);//1.该指针变量中存的是空地址if (NULL == *root){return;}//2.该指针变量中存的是某个节点的地址BTNode* parent = *root;BTNode* left = parent->left;BTNode* right = parent->right;free(parent);parent = NULL;*root = NULL;BinaryTreeDestroy(&left);BinaryTreeDestroy(&right);
}

3.二叉树的节点个数

//二叉树节点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root)
{//1.传入的是空树if (NULL == root){return 0;}//2.传入的是非空树return 1 + BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right);
}

4.二叉树叶子节点个数

//二叉树叶子节点个数
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root)
{//1.传入的是空树if (NULL == root){return 0;}//2.传入的是非空树if (NULL == root->left && NULL == root->right){return 1;}else{int i_left = BinaryTreeLeafSize(root->left);int i_right = BinaryTreeLeafSize(root->right);return i_left + i_right;}
}

5.二叉树第k层节点个数

//二叉树第k层节点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k)
{assert(k);//要求k为大于0的一个数,定义根节点为第一层//1.当这一层是第k层时(当k=1时,是根节点那一层)if (1 == k){//1.是空节点if (NULL == root){return 0;}//2.不是空节点else{return 1;}}//2.当这一层不是第k层时else{//1.是空节点if (NULL == root){return 0;}//2.不是空节点,是叶子节点if (NULL == root->left && NULL == root->right){return 0;}//3.不是空节点也不是叶子节点return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);}
}

6.二叉树查找值为x的节点

//二叉树查找值为x的节点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x)
{//1.该节点为空节点if (NULL == root){return NULL;}//2.该节点有值且等于要找的值if (x == root->data){return root;}//3.该节点有值但不等于要找的值BTNode* left = BinaryTreeFind(root->left, x);if (left)//左边找到了{return left;}BTNode* right = BinaryTreeFind(root->right, x);if (right)//右边找到了{return right;}return NULL;
}

7.二叉树前序遍历

//二叉树前序遍历
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root)
{//1.空节点if (NULL == root){printf("NULL ");return;}//2.非空节点printf("%c ", root->data);BinaryTreePrevOrder(root->left);BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

8.二叉树中序遍历

//二叉树中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root)
{//1.空节点if (NULL == root){printf("NULL ");return;}//2.非空节点BinaryTreeInOrder(root->left);printf("%c ", root->data);BinaryTreeInOrder(root->right);
}

9.二叉树后序遍历

//二叉树后续遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root)
{//1.空节点if (NULL == root){printf("NULL ");return;}//2.非空节点BinaryTreePostOrder(root->left);BinaryTreePostOrder(root->right);printf("%c ", root->data);
}

10.二叉树层序遍历

typedef BTNode* QueueDataType;typedef struct QueueNode
{QueueDataType data;struct QueueNode* next;
}QueueNode;typedef struct Queue
{QueueNode* front;QueueNode* tail;
}Queue;//创造一个队列的节点-使用方法:QueueNode* newnode = BuyNode(x);
QueueNode* BuyNode(QueueDataType x)
{QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));assert(newnode);newnode->data = x;newnode->next = NULL;return newnode;
}//创造一个队列-使用方法:Queue* newqueue = QueueCreate();
Queue* QueueCreate()
{Queue* newqueue = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));assert(newqueue);newqueue->front = NULL;newqueue->tail = NULL;return newqueue;
}//销毁一个队列-使用方法:QueueDestroy(&newqueue);
void QueueDestroy(Queue** sq)
{assert(sq);//1.队列中没有数据if (NULL == (*sq)->front){free(*sq);*sq = NULL;}//2.队列中有数据else{QueueNode* current = (*sq)->front;while (current){QueueNode* next = current->next;free(current);current = next;}free(*sq);*sq = NULL;}
}//向队列中插入数据-使用方法:QueuePush(newqueue,x);
void QueuePush(Queue* sq, QueueDataType x)
{assert(sq);//1.该队列中没有数据if (NULL == sq->front){sq->front = BuyNode(x);sq->tail = sq->front;}//2.该队列中有数据else{QueueNode* newnode = BuyNode(x);sq->tail->next = newnode;sq->tail = sq->tail->next;newnode = NULL;}
}//删除队列中的队头节点,并返回队头的数据-使用方法:QueuePop(newqueue);
QueueDataType QueuePop(Queue* sq)
{assert(sq);QueueDataType data = sq->front->data;QueueNode* current = sq->front;//1.该队列只有一个数据if (sq->front == sq->tail){free(current);current = NULL;sq->front = NULL;sq->tail = NULL;}//2.该队列有多个数据else{sq->front = sq->front->next;free(current);current = NULL;}return data;
}//二叉树层序遍历-依靠队列实现
void BinaryTreeLevelOrder_Queue(Queue* sq)
{assert(sq);//1.队列中没有数据if (NULL == sq->front){return;//队列中没有数据,退出}//2.队列中有数据else{BTNode* current = QueuePop(sq);//拿出队列中队头的元素,此时队列变成了空队列//1.拿出的根节点为空if (NULL == current){printf("NULL ");BinaryTreeLevelOrder_Queue(sq);//继续拿下一个元素}//2.拿出的根节点不为空else{printf("%c ", current->data);//输出根节点中的值QueuePush(sq, current->left);//左子节点的值入队列QueuePush(sq, current->right);//右子节点的值入队列BinaryTreeLevelOrder_Queue(sq);//继续拿下一个元素}}
}//二叉树层序遍历-依靠队列实现
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root)
{//1.输入的是一个空树if (NULL == root){printf("NULL ");return;}//2.输入的是一个非空树Queue* newqueue = QueueCreate();QueuePush(newqueue, root);//把根节点的地址存入队列BinaryTreeLevelOrder_Queue(newqueue);//通过队列来输出二叉树//队列中已经有一个数据printf("\n");//输出了二叉树的全部元素,输出一个换行QueueDestroy(&newqueue);//销毁队列
}

11.判断二叉树是否是镜像二叉树

//判断两个子树是否镜像对称
int BinaryTreeisComplete(BTNode* left, BTNode* right)
{//1.两个子树都为空if (NULL == left && NULL == right){return 1;}//2.两个子树中有一个为非空if (NULL == left || NULL == right){return 0;}//3.两个子树都不为空,且值相等if (left->data == right->data){return BinaryTreeisComplete(left->right, right->left) && BinaryTreeisComplete(left->left, right->right);}//4.两个子树都不为空,且值不相等return 0;
}//判断二叉树是否是完全二叉树,是则返回1,不是则返回2
int BinaryTreeComplete(BTNode* root)
{//1.传入的是空树if (NULL == root){return 1;}//2.传入的是非空树return BinaryTreeisComplete(root->left, root->right);
}


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