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算法与数据结构-二叉树的基本操作C语言实现

2017-08-24

算法与数据结构-二叉树的基本操作C语言实现。二叉树这部分当时学习C语言的时候就没有特别重视,现在遇到这类题就比较头疼,所以需要重新复习一下。

序言

二叉树这部分当时学习C语言的时候就没有特别重视,现在遇到这类题就比较头疼,所以需要重新复习一下。

二叉树的基本操作包括哪些

二叉树的建立

逐个结点输入 广义表方式输入

广义表方式输出二叉树

二叉树的销毁

求二叉树的深度

二叉树的遍历

统计二叉树的结点数

统计二叉树的叶子结点数

交换左右子树

复制二叉树

查找某一结点

删除二叉树的某一结点

1. 二叉树的定义

typedef ElemType char;     //自定义数据域类型

struct BinaryTree
{
    ElemType data;                //数据域
    struct BinaryTree *lchild;    //左子树
    struct BinaryTree *rchild;    //右子树
};

typedef struct BinaryTree TreeNode;      //给结构体struct BinaryTree取个别名叫TreeNode
typedef struct BinaryTree * BiTree;      //给结构体指针struct BinaryTree *取个别名叫BiTree


//初始化
void IniBTree(BiTree BT)
{
    BT = NULL;
    return;
}

2. 二叉树的建立

方法1:逐个结点输入
/* 先序创建二叉树:根结点 -> 左子树 -> 右子树 */
void CreateBTree(BiTree BT)
{
    char ch;
    ch = getchar();        //头文件,相当于scanf("%c", &ch)
    if (ch == ' ')
        BT = NULL;
    else
    {
        if(! (BT = (BiTree)malloc(sizeof(TreeNode))))
            exit(1);
        BT -> data = ch;         //生成根节点
        BT -> lchild = NULL;   //构造左子树
        BT -> rchild = NULL;   //构造右子树
        CreateBiTree(BT -> lchild);
        CreateBiTree(BT -> rchild);
    }
}
方法2:利用广义表建立二叉树
即根据广义表 A(B(C,D),E(,F(G)))的输入,建立二叉树
int StackMaxSize = 3;

void CreateBTreeWithGenList(BiTree BT, char *string)
{
    BiTree TempNode;
    Bitree s[StackMaxSize];    //定义数组为存储各结点的指针的栈
    int top = -1;     //栈顶指针,初始值为-1
    int branchValue;  //分支值,作为处理结点的标志,1表示处理左子树,2表示处理右子树
    int i = 0;        //数组计数元素

    //原二叉树初始化
    BT = NULL;

    //开始读入广义表字符串
    while (string[i])
    {
        switch(string[i])
        {
            case ' ': break;

            case '(':
            {
                if (top == StackMaxSize - 1)
                {
                    printf("栈空间太小,需要增大栈空间!\n");
                    exit(1);
                }
                top++;
                s[top] = TempNode;
                k = 1;                //切换到左子树
                break;              
            }

            case ')':
            {
                if (top == -1)
                {
                    printf("二叉树广义表字符串错误\n");
                    exit(1);
                }
                top--;
            }

            case ',': k = 2; break;   //切换到右子树 

            default:                  //默认情况下,即读取到字母字符,对应赋值。
            {
                TempNode = (BiTree)malloc(sizeof(TreeNode));
                TempNode -> data = string[i];                    //临时结点赋值
                TempNode -> lchild = TempNode -> rchild = NULL;
                if (BT == NULL)
                    BT = TempNode;           //根节点赋值
                else
                {
                    if (k == 1)
                        s[top] -> lchild = TempNode;
                    else
                        s[top] -> rchild = TempNode;
                }
            }
        } //switch结束
    i++;
    }  //while结束
}

3. 广义表方式输出二叉树

void PrintBTreeWithGenList(BiTree BT)
{
    if (BT)
    {
        printf("%c", BT -> data);

        if (BT -> lchild || BT -> rchild)
        {
            printf("(");
            PrintBTreeWithGenList(BT -> lchild);
            if (BT -> rchild)
            {
                printf(",");
                PrintBTreeWithGenList(BT -> rchild);
            }
            printf(")");
        }
    }
}

4. 二叉树的销毁

void DestroyBTree(BiTree BT)
{
    if (BT)
    {
        DestroyBTree(BT -> lchild);
        DestroyBTree(BT -> rchild);
        free(BT);
        BT == NULL;
    }
}

5. 检查二叉树是否为空

int BTreeEmpty(BiTree BT)
{
    if (BT == NULL)
        return 1;
    else
        return 0;
}

6. 求二叉树的深度

//递归方式计算二叉树的深度,每一层的深度都能够得到比较

int BTreeDepth(BiTree BT)
{
    if (BT == NULL)
        return 0;
    else
    {
        int depth1 = BTreeDepth(BT -> lchild);     //计算左子树的深度
        int depth2 = BTreeDepth(BT -> rchild);     //计算右子树的深度
        if (depth1 > depth2)
            return depth1 + 1;
        else
            return depth2 + 1;
    }
}


//或递归方式求二叉树的深度
int BTreeDepth(BiTree BT)
{
    if (BT == NULL)
        return 0;
    else
    {
        int ldepth = BTreeDepth(BT -> lchild);
        int rdepth = BTreeDepth(BT -> rchild);
    }
    return (ldepth > rdepth) ? (ldepth + 1) : (rdepth + 1);
}

7. 二叉树的遍历

/* 前序遍历:根节点 -> 左子树 -> 右子树 */
void PreOrderTraverse(const BiTree BT)
{
    if (!BT)
        return;
    //遍历
    printf("%c ", BT -> data);        //根节点
    PreOrderTraverse(BT -> lchild);
    PreOrderTraverse(BT -> rchild);
}


/* 中序遍历:左子树 -> 根节点 -> 右子树 */
void InOrderTraverse(const BiTree BT)
{
    if (!BT)
        return;
    //遍历
    InOrderTraverse(BT -> lchild);
    printf("%c ", BT -> data);        //根节点
    InOrderTraverse(BT -> rchild);
}


/* 后序遍历:左子树 -> 右子树 -> 根节点 */
void PostOrderTraverse(const BiTree BT)
{
    if (!BT)
        return;
    //遍历
    PostOrderTraverse(BT -> lchild);
    PostOrderTraverse(BT -> rchild);
    printf("%c ", BT -> data);        //根节点
}


/* 层序遍历:逐层从左到右 */
void LevelOrderTraverse(BiTree BT)
{
    BiTree temp;
    BiTree queue[QueueMaxSize];      //定义队列所使用的数组,元素类型为指向结点的指针类型
    int front = 0;
    int rear = 0;
    if (BT != NULL)                  //根结点入队
    {
        queue[rear] = BT;
        rear = (rear + 1) % QueueMaxSize;
    }
    while (front != rear)
    {
        temp = queue[front];
        front = (front + 1) % QueueMaxSize;
        printf("%c ", temp -> data);
        if (temp -> lchild != NULL)     //输出结点存在左子树
        {
            queue[rear] = temp -> lchild;
            rear = (rear + 1) % QueueMaxSize;
        }
        if (temp -> rchild != NULL)
        {
            queue[rear] = temp -> rchild;
            rear = (rear + 1) % QueueMaxSize;
        }
    }
}
//1. 层序遍历需要使用一个队列,开始把整个树的根结点入队,然后每从队列中删除一个结点并输出该结点时,都把它的非空的左右孩子入队,当队列为空时算法结束。
//2. 算法中,队列的最大长度不会超过二叉树中相邻的两层的最大结点数,所以提前在程序开始处定义最大队列长度QueueMaxSize大于队列的最大长度,就无需考虑队列溢出的问题了

8. 统计二叉树的结点数

/* 二叉树的结点数 = 左子树 + 右子树 + 1 */
int BTreeNodeCount(BiTree BT)
{
    if (BT == NULL)
        return 0;
    else
        return BTreeNodeCount(BT -> lchild) + BTreeNodeCount(BT -> rchild) + 1;
}

9. 统计二叉树的叶子结点数

/* 叶子结点:没有左右子树的结点 */
int BTreeLeafCount(BiTree BT)
{
    if (BT == NULL)
        return 0;
    if (BT -> lchild == NULL && BT -> rchild == NULL)
        return 1;
    //递归实现
    return BTreeLeafCount(BT -> lchild) + BTreeLeafCount(BT -> rchlid);
}

10. 统计二叉树度为1的结点

/* 统计二叉树的度为1的结点个数 */
//度:一个结点的子结点的个数
int Degree1Count(BiTree BT)
{
    if(!BT) 
        return 0;
    if ((!BT -> lchild && BT -> rchild) || (BT -> lchild && !BT -> rchild))
        return 1;
    else
        return Degree1Count(BT -> lchild) + Degree1Count(BT -> rchild);
}

11. 交换左右子树

/* 相当于对称翻转,递归实现 */
void ExchangeChildTree(BiTree BT)
{
    if (BT)
    {
        BiTree Temp = NULL;
        if (BT -> lchild || BT -> rchild)
        {
            ExchangeChildTree(BT -> lchild);
            ExchangeChildTree(BT -> rchild);
            Temp = BT -> lchild;
            BT -> lchild = BT -> rchild;
            BT -> rchild = Temp;
        }
    }
}

12. 复制二叉树

/* 递归实现 */
BiTree CopyBTree(BiTree BT)
{
    BiTree P, lchild, rchild;
    if (BT == NULL)
        return;
    lchild = CopyBTree(BT -> lchild);
    rchild = CopyBTree(BT -> rchild);
    P = (BiTree)malloc(sizeof(struct BinaryTree));
    P -> data = BT -> data;
    P -> lchild = lchild;
    P -> rchild = rchild;
    return P;
}

13. 查找某一结点

/* 查找某一结点:查找成功返回结点位置,失败返回NULL */

BiTree* FindBTree(BiTree BT, ElemType x)
{
    if (BT == NULL)
        return NULL;
    else                       //递归查找
    {
        if (x == BT -> data)
            return BT;
        else
        {
            ElemType* p;
            if (p = FindBTree(BT -> lchild, x))
                return p;
            if (p = FindBTree(BT -> rchild, x))
                return p;
            return NULL;
        }
    }
}

14. 删除二叉树的某一结点

说明:二叉树删除结点有三种情况
[1] 该结点没有子结点:直接删除,并修改其父结点 [2] 该结点只有一个子结点:将该结点的子结点直接提升至该结点处,并修改相应的指针 [3] 若该z结点有两个子结点:找到z结点的中序后继结点y,并用y的右子树替换y结点,y结点替换z结点,z的左子树置为y的左子树。如下图所示

//此时的二叉树结构体定义修改为

typedef ElemType char;     //自定义数据域类型

struct BinaryTree
{
    ElemType data;                //数据域
    struct BinaryTree *prev;      //前驱结点,该指针的目的是为了方便找到父结点
    struct BinaryTree *lchild;    //左子树
    struct BinaryTree *rchild;    //右子树
};

typedef struct BinaryTree *BiTree;


//删除某一结点方式:先找到后删除
int DeleteBTreeNode(BiTree BT, ElemType x)
{
    //查找到该元素所在的结点位置,返回结点指针!
    BiTree temp = FindBTree(BT, x);
    if (temp == NULL)
        return 0;
    //1. 没有子结点
    if (temp -> lchild == NULL && temp -> rchild == NULL)
    {
        if (temp -> prev -> lchild == temp)      //如果是父结点的左子树
            temp -> prev -> lchild = NULL;
        else
            temp -> prev -> rchild = NULL;
        free(temp);
    }
    //2. 只有左子树
    if (temp -> rchild == NULL)
    {
        if (temp -> prev -> lchild == temp)     //如果是父结点的左子树
            temp -> prev -> lchild = temp -> lchild;
        else
            temp -> prev -> rchild = temp -> lchild;
        free (temp);
    }
    //3. 只有右子树
    if (temp -> lchild == NULL)
    {
        if (temp -> prev -> lchild == temp)      //如果是父结点的左子树
            temp -> prev -> lchild = temp -> rchild;
        else
            temp -> prev -> rchild = temp -> rchild;
        free (temp);
    }
    //4. 既有左子树又有右子树
    else
    {
        BiTree y = temp -> rchild;    //寻找中序后继结点y,即temp结点右子树的最左子树
        while (y -> lchild != NULL)
            y = y -> lchild;
        if (y == temp -> rchild)      //y是要删结点的右子树
        {
            //判断要删结点是其父结点的左子树还是右子树
            if (temp -> prev -> lchild == temp)     //左子树
            {
                temp -> prev -> lchild = y;
                y -> lchild = temp -> lchild;
                temp -> lchild -> prev = y;
            }
            else
            {
                temp -> prev -> rchild = y;
                y -> lchild = temp -> lchild;
                temp -> lchild -> prev = y;
            }
        }
        else
        {
            y -> prev -> lchild = y -> rchild;      //注意y的右子树可能不存在
            //同上。判断要删除结点是其父结点的左子树还是右子树
            if (temp -> prev -> lchild == temp)     //左子树
            {
                temp -> prev -> lchild = y;
                y -> lchild = temp -> lchild;
                y -> rchild = temp -> rchild;
                temp -> lchild -> prev = y;
                temp -> rchild -> prev = y;
            }
            else
            {
                temp -> prev -> rchild = y;
                y -> lchild = temp -> lchild;
                y -> rchild = temp -> rchild;
                temp -> lchild -> prev = y;
                temp -> rchild -> prev = y;
            }
        }
        free (temp);
    }
    return 1;
}

//注:为避免冗长,可将上述判断左右子树及结点替换的部分单独写一个函数实现。
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