如何构建这棵节点树？答案

【问题标题】：How to structure this tree of nodes?如何构建这棵节点树？
【发布时间】：2010-07-11 14:40:18
【问题描述】：

我正在用 C++ 编写一个程序，该程序使用遗传技术来优化表达式树。

我正在尝试编写一个类Tree，它具有作为数据成员Node root。节点构造器生成一个随机的节点树，其中+,-,*,/ 为节点，整数为叶子。

我一直在研究这个，但我还不清楚最好的结构。因为我需要访问树中的任何节点才能对树进行变异或杂交，所以我需要保留节点的字典。一个数组就可以了，但似乎 vector 是推荐的容器。

vector<Node> dict;

因此，Tree 类将包含一个向量 dict，其中包含树的所有节点（或指向相同节点的指针）、树的根节点和一个用于保存树适应度度量的变量。

class Tree
    {
    public:
        typedef vector<Node>dict;
        dict v;
        Node *root;
        float fitness;

        Tree(void);
        ~Tree();
    };

class Node
    {
    public:
        char *cargo;
        Node *parent;
        Node *left;
        Node *right;
        bool entry;
        dict v;
        Node(bool entry, int a_depth, dict v, Node *pparent = 0);
                };

Tree::Tree()
    {
     Node root(true,  tree_depth, v);
    };

好像没有好地方放typedef vector<Node>dict;，因为如果放到Tree的定义里，它不知道Node，这样说会报错。我还没找到typedef 的地方。

但我什至不确定向量是否是最好的容器。节点只需要按顺序编入索引。容器需要增长，因为可能有 200 到 500 个节点。

【问题讨论】：

为什么不把 Node 的定义移到 Tree 的前面呢？节点指针向量也可能（或可能不会，很难说）为您提供更好的服务。
@Neil ：这就是我最初的想法（并已删除），但 Node 也有一个 dict 成员......它按值传递，并存储一个副本。我不清楚为什么这很有用（特别是对于优化），也许彼得可以详细说明？
每个节点都必须将自己添加到字典中作为其实例化。 dict.push_back(this) 我想如果 dict 是 Tree 的成员，我必须将它传递给 Node 构造函数，它会将它传递给每个后续的 Node 构造函数。
@Peter Make Tree 负责将节点添加到 dict - 节点本身不应该知道它们所包含的内容 - 对于包含类和容器类来说几乎总是如此。
@Peter 节点和树通常不应该做太多 - 你可能想考虑第三类，比如 Breeder，它知道树和节点并且可以完成更重的工作。在 C++ 中遇到问题时，通常的解决方案是引入一两个额外的类。

标签： c++ typedef

【解决方案1】：

我认为标准的二叉树应该可以......这是example of a (binary) expression tree node：

const int NUMBER = 0,    // Values representing two kinds of nodes.
          OPERATOR = 1;

struct ExpNode {  // A node in an expression tree.

    int kind;        // Which type of node is this?
                     //   (Value is NUMBER or OPERATOR.)
    double number;   // The value in a node of type NUMBER.
    char op;         // The operator in a node of type OPERATOR.
    ExpNode *left;   // Pointers to subtrees,
    ExpNode *right;  //     in a node of type OPERATOR.

    ExpNode( double val ) {
          // Constructor for making a node of type NUMBER.
       kind = NUMBER;
       number = val;
    }

    ExpNode( char op, ExpNode *left, ExpNode *right ) {
          // Constructor for making a node of type OPERATOR.
       kind = OPERATOR;
       this->op = op;
       this->left = left;
       this->right = right;
    }

}; // end ExpNode

因此，当您进行交叉或突变并希望选择一个随机节点时，您只需执行以下操作：

计算树中节点的数量（只需要在构造函数中进行）。
从 0 到树的大小选择一个随机索引。
访问每个节点并从随机索引中减去 1，直到达到零。
索引为0时返回节点。

在这种情况下，您不需要知道关于节点的父节点的任何信息。所以交配/变异应该是这样的：

select nodeX
select nodeY
    if( Rand(0,1) == 1 )
        nodeY->left = nodeX;
    else
        nodeY->right = nodeX;

应该就是这样……

【讨论】：

【解决方案2】：

我不认为Node 或Tree 是最先编写的类。

我会从Expression 开始。在您的情况下，您至少需要一个BinaryExpression，以及一个没有子节点（常量或变量）的表达式。每个二进制表达式应包含auto_ptr<Expression> lhs 和auto_ptr<Expression> rhs。

然后您可以轻松编写一个函数来枚举表达式树的成员。如果性能证明是相关的，您可以在树中缓存表达式列表，并在您更改表达式时手动使其无效。任何更高级的东西都可能更慢且更容易出错。

我不明白为什么表达式需要知道它的父表达式。当您开始编辑表达式时，它只会让生活变得更加艰难。

【讨论】：

当来自两个随机选择的节点的子树被交换时，一个节点需要知道它的父节点才能进行杂交。
@Peter，当你做杂交时，你对节点的父节点做了什么？
@Lirik 当我第一次在 python 中找出树时，我在这篇文章中得到了 alex martelli 的一个很好的回复：stackoverflow.com/questions/1386493/… 有问题的节点将是两个子树之一的根。因此，父节点将更改为指向另一个子树，而另一个子树的父节点将更改为指向相关节点。伊吉达。
@Peter，好像有点复杂...更简单的解决方案是选择一个节点X，然后选择另一个节点Y，然后用X替换Y的左或右孩子。没有必要了解父级或维护返回父级的链接（这是不必要的复杂性，需要执行更多代码）。
真是个好主意。选择子树节点的父节点，谢谢。

【解决方案3】：

您可以在节点上实现列表。然后，每个节点内部都会有两个额外的指针：

class Node{
...
Node* sequentialPrevious;
Node* sequentialNext;
...
}

树也会这样：

class Tree{
...
Node* sequentialFirst;
Node* sequentialLast;
...
}

然后，您只需跳转到sequentialFirst 或sequentialLast，然后迭代到sequentialNext 或sequentialPrevious，就可以在节点上双向移动。当然，Node 的构造函数和析构函数必须正确实现才能使这些指针保持最新。

【讨论】：