• 启迪思维:二叉树


    启迪思维:二叉树

    很多初级点的程序员会认为树结构无用论,也有初级程序员仅仅以为只有面试才会用到,还有自认为实际工作用不到(我身边工作好几年程序员懂树结构也没有几个),其实归根到底还是不清楚树的实际用途,下面分享我参加培训时候一个小尴尬。

     

    因为项目数据量很大(有很多表数据量都上亿的),对写sql能力要求很高,项目组会经常组织些数据库方面的培训,前段时间又参加公司一个SQL原理分析的一个培训,在培训中讲师问“为什么SQL走索引查询速度很快呢?”,我直接大声说“索引底层数据结构是B树,查询的时候用二分查找”,结果整个大房间就我一个人声音,所有同事都看过来,场面有点尴尬。

     

    上一篇文章分析树基本概念、名词解释、树三种遍历方式,今天继续来看二叉树各种名词概率,看这些名词概念,肯定是各种不爽,大概浏览下知道怎么回事就ok

     

    一:概念,下面这些内容摘自维基百科

    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。

    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层至多有个结点;深度为k的二叉树至多有个结点;对任何一棵二叉树T,如果其终端结点数为,度为2的结点数为,则。

    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,且有个节点成为满二叉树

    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1n的节点对应时,称之为完全二叉树

     

    二:示例图

     

    三:动画图

     

    四:代码分析

     1、是否为空

    复制代码
    1 /**
    2  * 若树为空,则返回true;否则返回false
    3  */
    4 bool IsEmpty() {
    5     return root == 0;
    6 }
    复制代码

    2、计算树的深度

    复制代码
     1 /**
     2  * 以传入节点为基础计算树的深度
     3  */
     4 int GetTreeDept(const TNode<T> *t) {
     5     int i, j;
     6     if (t == 0) {
     7         return 0;
     8     } else {
     9         //递归计算左子树的深度
    10         i = this->GetTreeDept(t->lchild);
    11         //递归计算右子树的深度
    12         j = this->GetTreeDept(t->rchild);
    13     }
    14 
    15     //t的深度为其左右子树中深度中的大者加1
    16     return i > j ? i + 1 : j + 1;
    17 }
    复制代码

    3、清空树的节点

    复制代码
     1 /**
     2  *清空树的所有节点
     3  */
     4 void Clear() {
     5     Clear(root);
     6 }
     7 
     8 /**
     9  *根据节点递归清空树
    10  */
    11 void Clear(TNode<T>* t) {
    12     //判断指针是否为空
    13     if (t) {
    14         //获取资源立即放入管理对象(参考Effective C++里边条款13)
    15         //tr1::shared_ptr(引用计数智慧指针)管理对象比auto_ptr更强大
    16         std::auto_ptr<TNode<T> > new_ptr(t);
    17 
    18         //递归清空右子树
    19         Clear(new_ptr->rchild);
    20 
    21         //递归清空左子树
    22         Clear(new_ptr->lchild);
    23     }
    24 
    25     //清空树的根节点
    26     t = 0;
    27 }
    复制代码

    4、获取树最大节点和最小节点

    复制代码
     1 /**
     2  *获取树的最大节点
     3  */
     4 TNode<T>* GetMax(TNode<T>* t) const {
     5     //判断数节点是否为空
     6     if (t) {
     7         //根据二叉树特性,最大值一定在右子树;
     8         //循环右子树,直到叶子节点
     9         while (t->rchild) {
    10             //指向下一个节点
    11             t = t->rchild;
    12         }
    13     }
    14     //返回找到最大节点
    15     return t;
    16 }
    17 /**
    18  *获取树的最小节点
    19  */
    20 TNode<T>* GetMin(TNode<T>* t) const {
    21     //判断数节点是否为空
    22     if (t) {
    23         //根据二叉树特性,最大值一定在左子树;
    24         //循环左子树,直到叶子节点
    25         while (t->lchild) {
    26             //指向下一个节点
    27             t = t->lchild;
    28         }
    29     }
    30     //返回找到最小节点
    31     return t;
    32 }
    33 /**
    34  *根据模式类型查找树的最大值或者最小值
    35  */
    36 TNode<T>* GetNode(Mode mode) const {
    37     //t指向根节点
    38     TNode<T>* t = root;
    39     //判断数节点是否为空
    40     if (t) {
    41         if (mode == Min) {
    42             //根据二叉树特性,最大值一定在左子树;
    43             //循环左子树,直到叶子节点
    44             while (t->lchild) {
    45                 //指向左子树下一个节点
    46                 t = t->lchild;
    47             }
    48         } else if (mode == Max) {
    49             //根据二叉树特性,最大值一定在右子树;
    50             //循环右子树,直到叶子节点
    51             while (t->rchild) {
    52                 //指向右子树下一个节点
    53                 t = t->rchild;
    54             }
    55         }
    56     }
    57     //返回找到节点
    58     return t;
    59 }
    复制代码

    5、获取传入节点父节点

    复制代码
     1 /**
     2  *获取传入的节点从传入树p中找到它的父节点
     3  */
     4 TNode<T>* GetParentNode(TNode<T> *p, const T &value,TNode<T> *returnValue) {
     5     //p节点存在并且传入的值不是根节点值
     6     if (p && p->data == value) {
     7         return 0;
     8     }
     9 
    10     //用二分查找定位值value所在节点
    11     TNode<T> *t = this->SearchTree(p, value);
    12 
    13     //判断t和p都不为空
    14     if (t && p) {
    15         //如果value的节点等于p节点左孩子或者右孩子,p就是value的节点父亲
    16         if (p->lchild == t || p->rchild == t) {
    17             //赋值p节点给返回值变量
    18             returnValue = p;
    19         } else if (value > p->data) {//如果value只大于p节点值,则递归右孩子
    20             //直到找到value的父节点复制给返回值变量
    21             returnValue = GetParentNode(p->rchild, value,returnValue);
    22         } else {////如果value只小于p节点值,则递归左孩子
    23             //直到找到value的父节点复制给返回值变量
    24             returnValue = GetParentNode(p->lchild, value,returnValue);
    25         }
    26     }
    27 
    28     return returnValue;
    29 
    30 }
    31 
    32 /**
    33  *获取传入的节点的父节点
    34  */
    35 TNode<T>* GetParentNode(const T &value,TNode<T> *returnValue) {
    36     return this->GetParentNode(root, value,returnValue);
    37 }
    复制代码

    6、二分查找

    代码分析:

    复制代码
     1 /**
     2  * 在以T为根节点的树中搜索值为value的节点
     3  */
     4 TNode<T>* SearchTree(TNode<T>* &t, const T &value) {
     5     //判断t节点是否为空
     6     while (t) {
     7         //如果节点值等于value,则表明已经找到目标节点
     8         if (t->data == value) {
     9             return t;
    10         } else if (value > t->data) {//如果value大于t节点值,则递归查询右子树
    11             return SearchTree(t->rchild, value);
    12         } else {//如果value小于t节点值,则递归查询左子树
    13             return SearchTree(t->lchild, value);
    14         }
    15     }
    16     return t;
    17 }
    复制代码

     动画演示:

    7、插入节点

    代码分析:

    复制代码
     1 /**
     2  *插入一个节点到目标树中
     3  */
     4 void Insert(const T &value, TNode<T>* &t) {
     5     //如果目标树为空,则新new一个根节点
     6     if (t == 0) {
     7         //新创建一个节点,并把value设置为节点值
     8         t = new TNode<T>(value);
     9     } else if (value < t->data) {//如果value值小于t节点值
    10         //递归左子树插入函数,直到找到节点插入
    11         this->Insert(value, t->lchild);
    12     } else if (value > t->data) {//如果value值大于t节点值
    13         //递归右子树插入函数,直到找到节点插入
    14         this->Insert(value, t->rchild);
    15     }
    16 }
    17 /**
    18  *插入一个节点到根节点为root的树中
    19  */
    20 void Insert(const T &value) {
    21     this->Insert(value, root);
    22 }
    复制代码

    动画演示

    8、删除节点

    代码分析:

    复制代码
      1 /**
      2  *根据节点值删除节点信息
      3  */
      4 void Delete(const T &value) {
      5     Delete(value, root);
      6 }
      7 /**
      8  *根据节点值删除以传入t为根节点树节点信息
      9  */
     10 void Delete(const T &value, TNode<T>* &t) {
     11     //判断是否t为空null
     12     if (t) {
     13         //通过二分查找定位value所在的节点
     14         TNode<T> *p = this->SearchTree(t, value);
     15         //中间变量,用于待删除节点左右子树都不为空的情况下
     16         TNode<T> *q = p;
     17         if (p) {
     18             //如果p节点的左右孩子都不为空,则根据二叉树定义
     19             //必须在子右子树中找到最新节点作为新节点
     20             //当左右子树都为空情况下,右子树最小节点就是树(中序遍历)节点的后继节点
     21             if (p->lchild != 0 && p->rchild != 0) {
     22                 //获取右子树中最小的节点
     23                 q = this->GetMin(p->rchild);
     24             }
     25             //获取资源立即放入管理对象(参考Effective C++里边条款13)
     26             //tr1::shared_ptr(引用计数智慧指针)管理对象比auto_ptr更强大
     27             //如果p节点的左右子树都不为空,则释放p节点子右子树的最小节点
     28             //改变p节点的值即可
     29             auto_ptr<TNode<T> > new_ptr(q);
     30 
     31             TNode<T> *parent = 0;
     32             TNode<T> *returnValue;
     33             //删除叶子节点(节点左右孩子都为空)
     34             if (p->lchild == 0 && p->rchild == 0) {
     35                 //如果p节点和传入的根节点相等
     36                 if (t == p) {
     37                     //直接设置t为空
     38                     t = 0;
     39                 } else {
     40                     //获取p节点的父节点
     41                     parent = this->GetParentNode(t, p->data,returnValue);
     42 
     43                     //如果父节点的左孩子等于p节点
     44                     if (parent->lchild == p) {
     45                         //设置父节点的左孩子等于空
     46                         parent->lchild = 0;
     47                     } else {//如果父节点的右孩子等于p节点
     48                         //设置父节点的右孩子等于空
     49                         parent->rchild = 0;
     50                     }
     51                 }
     52 
     53             } else if (p->rchild == 0) {//删除节点p右孩子为空,左孩子有节点
     54                 //如果p节点和传入的根节点相等
     55                 if (t == p) {
     56                     //直接设置t节点等于左孩子
     57                     t = t->lchild;
     58                 } else {
     59                     //获取p节点的父节点
     60                     parent = this->GetParentNode(t, p->data,returnValue);
     61                     //如果父节点的左孩子等于p节点
     62                     if (parent->lchild == p) {
     63                         //设置父节点左孩子等于p节点左孩子
     64                         parent->lchild = p->lchild;
     65                     } else {//如果父节点的右孩子等于p节点
     66                         //设置父节点右孩子等于p节点左孩子
     67                         parent->rchild = p->lchild;
     68                     }
     69                 }
     70 
     71             } else if (p->lchild == 0) {//删除节点p左孩子为空,右孩子有节点
     72                 //如果p节点和传入的根节点相等
     73                 if (t == p) {
     74                     //直接设置t节点等于右孩子
     75                     t = t->rchild;
     76                 } else {
     77                     //获取p节点的父节点
     78                     parent = this->GetParentNode(t, p->data,returnValue);
     79                     //如果父节点的右孩子等于p节点
     80                     if (parent->rchild == p) {
     81                         //设置父节点右孩子等于p节点右孩子
     82                         parent->rchild = p->rchild;
     83                     } else {//如果父节点的左孩子等于p节点
     84                         //设置父节点右孩子等于p节点右孩子
     85                         parent->lchild = p->rchild;
     86                     }
     87                 }
     88             } else {//删除节点p左右都有孩子
     89                 //获取q节点的父节点
     90                 parent = this->GetParentNode(t,q->data,returnValue);
     91                 //设置p节点值等于q节点值
     92                 p->data = q->data;
     93                 //如果q的父节点等于p
     94                 if (parent == p) {
     95                     //设置q节点的父节点右孩子为q节点右孩子
     96                     parent->rchild = q->rchild;
     97                 } else {//
     98                     //设置q节点的父节点左孩子为q节点右孩子
     99                     parent->lchild = q->rchild;
    100                 }
    101 
    102             }
    103         }
    104     }
    105 }
    复制代码

    动画演示

    9、获取目标节点后继节点(中序遍历) 

    复制代码
     1 /**
     2  *在传入p的树中找出节点值为value的后继节点方法
     3  */
     4 TNode<T>* TreeSuccessor(TNode<T> *p,const T &value,TNode<T> *returnValue){
     5     //如果t节点非空
     6     if(p){
     7         //传入p树和节点值value找到对应的节点
     8         TNode<T> *t = this->SearchTree(p, value);
     9         //如果节点右子树不为空
    10         if(t->rchild != 0){
    11             //直接获取右子树中最小节点,即是节点的后继节点
    12             returnValue = this->GetMin(t->rchild);
    13         }else{
    14             //获取目标节点父节点
    15             TNode<T> *parent = this->GetParentNode(t->data,returnValue);
    16 
    17             //如果父节点不为空并且t节点等于父节点的右节点,这一个文字不太好描述,请参照图
    18             while(parent && t == parent->rchild){
    19                 //父节点赋值给t节点
    20                 t = parent;
    21                 //获取父节点的父节点(目标节点爷爷)
    22                 parent = this->GetParentNode(parent->data,returnValue);
    23             }
    24             //找到后继节点赋值给返回变量
    25             returnValue = parent;
    26         }
    27     }
    28 
    29     return returnValue;
    30 }
    31 /**
    32  *在以root为根节点中找出节点值为value的后继节点方法
    33  */
    34 TNode<T>* TreeSuccessor(const T &value,TNode<T> *returnValue){
    35     return TreeSuccessor(root,value,returnValue);
    36 }
    复制代码

     如下图:

      

    10、先序、中序、后序递归和非的递归遍历,更详细的请参考上一篇文章,为什么在这里有展示一遍,我坚信在复杂的东西,多动手写几次都能很好的理解

    复制代码
      1 /**
      2  *前序非递归(利用栈)遍历二叉树
      3  *前序遍历的规则:根左右
      4  *非递归遍历树会经常当做面试题,考察面试者的编程能力
      5  *防止下次被鄙视,应该深入理解并且动手在纸写出来
      6  */
      7 void PreOrderTraverse() {
      8     //申明一个栈对象
      9     stack<TNode<T>*> s;
     10     //t首先指向根节点
     11     TNode<T> *t = root;
     12     //压入一个空指针,作为判断条件
     13     s.push(0);
     14 
     15     //如果t所值节点非空
     16     while (t != 0) {
     17         //直接访问根节点
     18         std::cout << (&t->data) << " ";
     19 
     20         //右孩子指针为非空
     21         if (t->rchild != 0) {
     22             //入栈右孩子指针
     23             s.push(t->rchild);
     24         }
     25 
     26         //左孩子指针为非空
     27         if (t->lchild != 0) {
     28             //直接指向其左孩子
     29             t = t->lchild;
     30         } else {//左孩子指针为空
     31             //获取栈顶元素(右孩子指针)
     32             t = s.top();
     33             //清楚栈顶元素
     34             s.pop();
     35         }
     36 
     37     }
     38 }
     39 
     40 /**
     41  *中序非递归(利用栈)遍历二叉树
     42  *前序遍历的规则:左根右
     43  */
     44 void InOrderTraverse() {
     45     //申明一个栈对象
     46     stack<TNode<T>*> s;
     47     //t首先指向根节点
     48     TNode<T>* t = root;
     49 
     50     //节点不为空或者栈对象不为空,都进入循环
     51     while (t != 0 || !s.empty()) {
     52         //如果t节点非空
     53         if (t) {
     54             //入栈t节点
     55             s.push(t);
     56             //t节点指向其左孩子
     57             t = t->lchild;
     58         } else {
     59             //获取栈顶元素(左孩子指针)
     60             t = s.top();
     61             //清楚栈顶元素
     62             s.pop();
     63             //直接访问t节点
     64             std::cout << (&t->data) << " ";
     65             //t节点指向其右孩子
     66             t = t->rchild;
     67         }
     68     }
     69 }
     70 /**
     71  *后序非递归(利用栈)遍历二叉树
     72  *前序遍历的规则:左右根
     73  */
     74 void PostOrderTraverse() {
     75     //申明一个栈对象
     76     stack<TNode<T>*> s;
     77     //t首先指向根节点
     78     TNode<T>* t = root;
     79     //申请中间变量,用做判断标识
     80     TNode<T>* r;
     81     //节点不为空或者栈对象不为空,都进入循环
     82     while (t != 0 || !s.empty()) {
     83         //如果t节点非空
     84         if (t) {
     85             //入栈t节点
     86             s.push(t);
     87             //t节点指向其左孩子
     88             t = t->lchild;
     89         } else {
     90             //获取栈顶元素(左孩子指针)
     91             t = s.top();
     92             //判断t的右子树是否存在并且没有访问过
     93             if (t->rchild && t->rchild != r) {
     94                 //t节点指向其右孩子
     95                 t = t->rchild;
     96                 //入栈t节点
     97                 s.push(t);
     98                 //t节点指向其左孩子
     99                 t = t->lchild;
    100             } else {
    101                 //获取栈顶元素(左孩子指针)
    102                 t = s.top();
    103                 //清楚栈顶元素
    104                 s.pop();
    105                 //直接访问t节点
    106                 std::cout << (&t->data) << " ";
    107                 //设置已经访问过的节点,防止多次访问(右孩子指针)
    108                 r = t;
    109                 t = 0;
    110             }
    111         }
    112     }
    113 }
    114 /**
    115  * 根据模式递归遍历二叉树
    116  * 下面代码相对比较简单,只要记住遍历树的规则并且弄一点递归,都可以写出来
    117  * 如果在面试中实在写不出来非递归方式,可以写一个递归版本,也许可以争取一个好的工作
    118  */
    119 void OrderTraverse(const TNode<T>* t, Style mode) {
    120     if (t) {
    121         //先序遍历二叉树:根左右
    122         if (mode == Pre) {
    123             //直接访问t节点
    124             std::cout << (&t->data) << " ";
    125             //递归遍历左子树
    126             this->OrderTraverse(t->lchild, mode);
    127             //递归遍历右子树
    128             this->OrderTraverse(t->rchild, mode);
    129         }
    130         //中序遍历二叉树:左根右
    131         if (mode == In) {
    132             //递归遍历左子树
    133             this->OrderTraverse(t->lchild, mode);
    134             //直接访问t节点
    135             std::cout << (&t->data) << " ";
    136             //递归遍历右子树
    137             this->OrderTraverse(t->rchild, mode);
    138         }
    139         //后序遍历二叉树:左右根
    140         if (mode == Post) {
    141             //递归遍历左子树
    142             this->OrderTraverse(t->lchild, mode);
    143             //递归遍历右子树
    144             this->OrderTraverse(t->rchild, mode);
    145             //直接访问t节点
    146             std::cout << (&t->data) << " ";
    147         }
    148     }
    149 }
    复制代码

    11、按层级遍历树

    复制代码
     1 /**
     2  *按层级从左到右遍历树
     3  */
     4 void LevelOrderTraverse(){
     5     //声明一个队列队形
     6     queue<TNode<T>* > q;
     7     //声明变量a,t;并把root赋值给t
     8     TNode<T> *a,*t = root;
     9     //若t节点非空
    10     if(t){
    11         //t节点入队列
    12         q.push(t);
    13         //如果队列不为空
    14         while(!q.empty()){
    15             //获取队列头结点
    16             a = q.front();
    17             //数据队形出队列
    18             q.pop();
    19             //直接访问队列头结点值
    20             std::cout<<a->data<<" ";
    21             //若a节点左子树不为空
    22             if(a->lchild){
    23                 //左子树入队列q
    24                 q.push(a->lchild);
    25             }
    26             //若a节点右子树不为空
    27             if(a->rchild){
    28                 //右子树入队列q
    29                 q.push(a->rchild);
    30             }
    31         }
    32     }
    33 }
    复制代码

    12、运行结果,由于在虚拟机中打中文,实在太痛苦,弄一点英文装下B 

    测试代码如下:

    复制代码
     View Code
    复制代码

    结果如下图

    11、完整代码

    TNode.h

    复制代码
     View Code
    复制代码

     BSTree.h

    复制代码
     View Code
    复制代码

    五:环境

    1、运行环境:Ubuntu 10.04 LTS+VMware8.0.4+gcc4.4.3;

    2、开发工具:Eclipse+make

    六:题记

    1、上面的代码难免有bug,如果你发现代码写的有问题,请你帮忙指出,让我们一起进步,让代码变的更漂亮和更健壮;

    2、我自己能手动写上面代码,离不开郝斌、高一凡、侯捷、严蔚敏等老师的书籍和视频指导,在这里感谢他们;

    3、鼓励自己能坚持把更多数据结构方面的知识写出来,让自己掌握更深刻,也顺便冒充下"小牛";

     4、所有动画都在网上找的,感谢制作做动画的朋友,这样好的动画比图片更便于大家理解复杂的内容;

     

    欢迎继续阅读“启迪思维:数据结构和算法”系列

     

     

     

     

     

    一根球杆,几行代码,品世间酸甜苦辣

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    分类: 数据结构
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