二叉树的表示和实现

基本概念

　　在计算机科学中，二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。通常子树被称作“左子树”（left subtree）和“右子树”（right subtree）。二叉树常被用于实现二叉查找树和二叉堆。

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　　二叉树的每个结点至多只有二棵子树(不存在度大于2的结点)，二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒。二叉树的第i层至多有2i-1个结点；深度为k的二叉树至多有2k-1个结点；对任何一棵二叉树T，如果其终端结点数为n0，度为2的结点数为n2，则n0 = n2 + 1。

树和二叉树的三个主要差别：

  • 树的结点个数至少为1，而二叉树的结点个数可以为0；

  • 树中结点的最大度数没有限制，而二叉树结点的最大度数为2；

  • 树的结点无左、右之分，而二叉树的结点有左、右之分。

<完全二叉树和满二叉树>

  • 满二叉树：一棵深度为k，且有2k-1个节点称之为满二叉树

  • 完全二叉树：深度为k，有n个节点的二叉树，当且仅当其每一个节点都与深度为k的满二叉树中，序号为1至n的节点对应时，称之为完全二叉树

图论中的定义

　　二叉树在图论中是这样定义的：二叉树是一个连通的无环图，并且每一个顶点的度不大于3。有根二叉树还要满足根结点的度不大于2。有了根结点之后，每个顶点定义了唯一的父结点，和最多2个子结点。然而，没有足够的信息来区分左结点和右结点。如果不考虑连通性，允许图中有多个连通分量，这样的结构叫做森林。

二叉树(Binary Tree)的类型

　　二叉树是一个有根树，并且每个节点最多有2个子节点。非空的二元树，若树叶总数为 n0，分支度为2的总数为 n2，则 n0 = n2 + 1。

二叉树的表示和实现

　　一棵深度为k，且有2k-1个节点的二叉树，称为满二叉树（Full Binary Tree）。这种树的特点是每一层上的节点数都是最大节点数。而在一棵二叉树中，除最后一层外，若其馀层都是满的，并且最后一层或者是满的，或者是在右边缺少连续若干节点，则此二叉树为完全二叉树（Complete Binary Tree）。具有n个节点的完全二叉树的深度为log2n+1。深度为k的完全二叉树，至少有2k-1个节点，至多有2k-1个节点。

二叉树的表示和实现

  完全二叉树 满二叉树
总节点k  2h-1<= k < 2h-1 k = 2h-1
树高h h = log2k+1 h =  log2(k+1)

 

 

 

 

存储二叉树的方法

在编程语言中能用多种方法来构造二叉树。

二叉树的表示和实现

　　二叉树可以用数组或线性表来存储，而且如果这是完全二叉树，这种方法不会浪费空间。用这种紧凑排列，如果一个结点的索引为i，它的子结点能在索引2i+1和2i+2找到，并且它的父节点（如果有）能在索引floor((i-1)/2)找到（假设根节点的索引为0）。这种方法更有利于紧凑存储和更好的访问的局部性，特别是在前序遍历中。然而，它需要连续的存储空间，这样在存储高度为h的n个结点组成的一般普通树时将会浪费很多空间。一种最极坏的情况下如果深度为h的二叉树每个节点只有右孩子需要占用2的h次幂减1，而实际却只有h个结点，空间的浪费太大，这是顺序存储结构的一大缺点。

存储结构

/* c6-1.h 二叉树的顺序存储表示 */
#define MAX_TREE_SIZE 100 /* 二叉树的最大结点数 */
typedef TElemType SqBiTree[MAX_TREE_SIZE]; /* 0号单元存储根结点 */
typedef struct {
    int level,order; /* 结点的层,本层序号(按满二叉树计算) */
}position;

基本操作

/* bo6-1.c 二叉树的顺序存储(存储结构由c6-1.h定义)的基本操作(23个) */
 Status InitBiTree(SqBiTree T)
 { /* 构造空二叉树T。因为T是固定数组，不会改变，故不需要& */
   int i;
   for(i=0;i<MAX_TREE_SIZE;i++)
     T[i]=Nil; /* 初值为空 */
   return OK;
 }

 void DestroyBiTree()
 { /* 由于SqBiTree是定长类型,无法销毁 */
 }

 Status CreateBiTree(SqBiTree T)
 { /* 按层序次序输入二叉树中结点的值(字符型或整型), 构造顺序存储的二叉树T */
   int i=0;
 #if CHAR
   int l;
   char s[MAX_TREE_SIZE];
   printf("请按层序输入结点的值(字符)，空格表示空结点，结点数≤%d:\n",MAX_TREE_SIZE);
   gets(s); /* 输入字符串 */
   l=strlen(s); /* 求字符串的长度 */
   for(;i<l;i++) /* 将字符串赋值给T */
   {
     T[i]=s[i];
     if(i!=0&&T[(i+1)/2-1]==Nil&&T[i]!=Nil) /* 此结点(不空)无双亲且不是根 */
     {
       printf("出现无双亲的非根结点%c\n",T[i]);
       exit(ERROR);
     }
   }
   for(i=l;i<MAX_TREE_SIZE;i++) /* 将空赋值给T的后面的结点 */
     T[i]=Nil;
 #else
   printf("请按层序输入结点的值(整型)，0表示空结点，输999结束。结点数≤%d:\n",MAX_TREE_SIZE);
   while(1)
   {
     scanf("%d",&T[i]);
     if(T[i]==999)
       break;
     if(i!=0&&T[(i+1)/2-1]==Nil&&T[i]!=Nil) /* 此结点(不空)无双亲且不是根 */
     {
       printf("出现无双亲的非根结点%d\n",T[i]);
       exit(ERROR);
     }
     i++;
   }
   while(i<MAX_TREE_SIZE)
   {
     T[i]=Nil; /* 将空赋值给T的后面的结点 */
     i++;
   }
 #endif
   return OK;
 }

 #define ClearBiTree InitBiTree /* 在顺序存储结构中，两函数完全一样 */

 Status BiTreeEmpty(SqBiTree T)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在 */
   /* 操作结果: 若T为空二叉树,则返回TRUE,否则FALSE */
   if(T[0]==Nil) /* 根结点为空,则树空 */
     return TRUE;
   else
     return FALSE;
 }

 int BiTreeDepth(SqBiTree T)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在。操作结果: 返回T的深度 */
   int i,j=-1;
   for(i=MAX_TREE_SIZE-1;i>=0;i--) /* 找到最后一个结点 */
     if(T[i]!=Nil)
       break;
   i++; /* 为了便于计算 */
   do
     j++;
   while(i>=pow(2,j));
   return j;
 }

 Status Root(SqBiTree T,TElemType *e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在 */
   /* 操作结果:  当T不空,用e返回T的根,返回OK;否则返回ERROR,e无定义 */
   if(BiTreeEmpty(T)) /* T空 */
     return ERROR;
   else
   {
     *e=T[0];
     return OK;
   }
 }

 TElemType Value(SqBiTree T,position e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点(的位置) */
   /* 操作结果: 返回处于位置e(层,本层序号)的结点的值 */
   return T[(int)pow(2,e.level-1)+e.order-2];
 }

 Status Assign(SqBiTree T,position e,TElemType value)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点(的位置) */
   /* 操作结果: 给处于位置e(层,本层序号)的结点赋新值value */
   int i=(int)pow(2,e.level-1)+e.order-2; /* 将层、本层序号转为矩阵的序号 */
   if(value!=Nil&&T[(i+1)/2-1]==Nil) /* 给叶子赋非空值但双亲为空 */
     return ERROR;
   else if(value==Nil&&(T[i*2+1]!=Nil||T[i*2+2]!=Nil)) /*  给双亲赋空值但有叶子（不空） */
     return ERROR;
   T[i]=value;
   return OK;
 }

 TElemType Parent(SqBiTree T,TElemType e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点 */
   /* 操作结果: 若e是T的非根结点,则返回它的双亲,否则返回＂空＂ */
   int i;
   if(T[0]==Nil) /* 空树 */
     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; /* 没找到e */
 }

 TElemType LeftChild(SqBiTree T,TElemType e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点 */
   /* 操作结果: 返回e的左孩子。若e无左孩子,则返回＂空＂ */
   int i;
   if(T[0]==Nil) /* 空树 */
     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; /* 没找到e */
 }

 TElemType RightChild(SqBiTree T,TElemType e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点 */
   /* 操作结果: 返回e的右孩子。若e无右孩子,则返回＂空＂ */
   int i;
   if(T[0]==Nil) /* 空树 */
     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; /* 没找到e */
 }

 TElemType LeftSibling(SqBiTree T,TElemType e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点 */
   /* 操作结果: 返回e的左兄弟。若e是T的左孩子或无左兄弟,则返回＂空＂ */
   int i;
   if(T[0]==Nil) /* 空树 */
     return Nil;
   for(i=1;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
     if(T[i]==e&&i%2==0) /* 找到e且其序号为偶数(是右孩子) */
       return T[i-1];
   return Nil; /* 没找到e */
 }

 TElemType RightSibling(SqBiTree T,TElemType e)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,e是T中某个结点 */
   /* 操作结果: 返回e的右兄弟。若e是T的右孩子或无右兄弟,则返回＂空＂ */
   int i;
   if(T[0]==Nil) /* 空树 */
     return Nil;
   for(i=1;i<=MAX_TREE_SIZE-1;i++)
     if(T[i]==e&&i%2) /* 找到e且其序号为奇数(是左孩子) */
       return T[i+1];
   return Nil; /* 没找到e */
 }

 void Move(SqBiTree q,int j,SqBiTree T,int i) /* InsertChild()用到。加 */
 { /* 把从q的j结点开始的子树移为从T的i结点开始的子树 */
   if(q[2*j+1]!=Nil) /* q的左子树不空 */
     Move(q,(2*j+1),T,(2*i+1)); /* 把q的j结点的左子树移为T的i结点的左子树 */
   if(q[2*j+2]!=Nil) /* q的右子树不空 */
     Move(q,(2*j+2),T,(2*i+2)); /* 把q的j结点的右子树移为T的i结点的右子树 */
   T[i]=q[j]; /* 把q的j结点移为T的i结点 */
   q[j]=Nil; /* 把q的j结点置空 */
 }

 Status InsertChild(SqBiTree T,TElemType p,Status LR,SqBiTree c)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,p是T中某个结点的值,LR为0或1,非空二叉树c与T */
   /*           不相交且右子树为空 */
   /* 操作结果: 根据LR为0或1,插入c为T中p结点的左或右子树。p结点的原有左或 */
   /*           右子树则成为c的右子树 */
   int j,k,i=0;
   for(j=0;j<(int)pow(2,BiTreeDepth(T))-1;j++) /* 查找p的序号 */
     if(T[j]==p) /* j为p的序号 */
       break;
   k=2*j+1+LR; /* k为p的左或右孩子的序号 */
   if(T[k]!=Nil) /* p原来的左或右孩子不空 */
     Move(T,k,T,2*k+2); /* 把从T的k结点开始的子树移为从k结点的右子树开始的子树 */
   Move(c,i,T,k); /* 把从c的i结点开始的子树移为从T的k结点开始的子树 */
   return OK;
 }

 typedef int QElemType; /* 设队列元素类型为整型(序号) */
 #include "c3-3.h" /* 顺序非循环队列 */
 #include "bo3-4.c" /* 顺序非循环队列的基本操作 */
 Status DeleteChild(SqBiTree T,position p,int LR)
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,p指向T中某个结点,LR为1或0 */
   /* 操作结果: 根据LR为1或0,删除T中p所指结点的左或右子树 */
   int i;
   Status k=OK; /* 队列不空的标志 */
   SqQueue q;
   InitQueue(&q); /* 初始化队列，用于存放待删除的结点 */
   i=(int)pow(2,p.level-1)+p.order-2; /* 将层、本层序号转为矩阵的序号 */
   if(T[i]==Nil) /* 此结点空 */
     return ERROR;
   i=i*2+1+LR; /* 待删除子树的根结点在矩阵中的序号 */
   while(k)
   {
     if(T[2*i+1]!=Nil) /* 左结点不空 */
       EnQueue(&q,2*i+1); /* 入队左结点的序号 */
     if(T[2*i+2]!=Nil) /* 右结点不空 */
       EnQueue(&q,2*i+2); /* 入队右结点的序号 */
     T[i]=Nil; /* 删除此结点 */
     k=DeQueue(&q,&i); /* 队列不空 */
   }
   return OK;
 }

 Status(*VisitFunc)(TElemType); /* 函数变量 */
 void PreTraverse(SqBiTree T,int e)
 { /* PreOrderTraverse()调用 */
   VisitFunc(T[e]);
   if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子树不空 */
     PreTraverse(T,2*e+1);
   if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子树不空 */
     PreTraverse(T,2*e+2);
 }

 Status PreOrderTraverse(SqBiTree T,Status(*Visit)(TElemType))
 { /* 初始条件: 二叉树存在,Visit是对结点操作的应用函数 */
   /* 操作结果: 先序遍历T,对每个结点调用函数Visit一次且仅一次。 */
   /*           一旦Visit()失败,则操作失败 */
   VisitFunc=Visit;
   if(!BiTreeEmpty(T)) /* 树不空 */
     PreTraverse(T,0);
   printf("\n");
   return OK;
 }

 void InTraverse(SqBiTree T,int e)
 { /* InOrderTraverse()调用 */
   if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子树不空 */
     InTraverse(T,2*e+1);
   VisitFunc(T[e]);
   if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子树不空 */
     InTraverse(T,2*e+2);
 }

 Status InOrderTraverse(SqBiTree T,Status(*Visit)(TElemType))
 { /* 初始条件: 二叉树存在,Visit是对结点操作的应用函数 */
   /* 操作结果: 中序遍历T,对每个结点调用函数Visit一次且仅一次。 */
   /*           一旦Visit()失败,则操作失败 */
   VisitFunc=Visit;
   if(!BiTreeEmpty(T)) /* 树不空 */
     InTraverse(T,0);
   printf("\n");
   return OK;
 }

 void PostTraverse(SqBiTree T,int e)
 { /* PostOrderTraverse()调用 */
   if(T[2*e+1]!=Nil) /* 左子树不空 */
     PostTraverse(T,2*e+1);
   if(T[2*e+2]!=Nil) /* 右子树不空 */
     PostTraverse(T,2*e+2);
   VisitFunc(T[e]);
 }

 Status PostOrderTraverse(SqBiTree T,Status(*Visit)(TElemType))
 { /* 初始条件: 二叉树T存在,Visit是对结点操作的应用函数 */
   /* 操作结果: 后序遍历T,对每个结点调用函数Visit一次且仅一次。 */
   /*           一旦Visit()失败,则操作失败 */
   VisitFunc=Visit;
   if(!BiTreeEmpty(T)) /* 树不空 */
     PostTraverse(T,0);
   printf("\n");
   return OK;
 }

 void LevelOrderTraverse(SqBiTree T,Status(*Visit)(TElemType))
 { /* 层序遍历二叉树 */
   int i=MAX_TREE_SIZE-1,j;
   while(T[i]==Nil)
     i--; /* 找到最后一个非空结点的序号 */
   for(j=0;j<=i;j++)  /* 从根结点起,按层序遍历二叉树 */
     if(T[j]!=Nil)
       Visit(T[j]); /* 只遍历非空的结点 */
   printf("\n");
 }

 void Print(SqBiTree T)
 { /* 逐层、按本层序号输出二叉树 */
   int j,k;
   position p;
   TElemType e;
   for(j=1;j<=BiTreeDepth(T);j++)
   {
     printf("第%d层: ",j);
     for(k=1;k<=pow(2,j-1);k++)
     {
       p.level=j;
       p.order=k;
       e=Value(T,p);
       if(e!=Nil)
         printf("%d:%d ",k,e);
     }
     printf("\n");
   }
 }
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