数据结构开发(24)：二叉树中属性操作、层次遍历与典型遍历

0.目录

1.二叉树中属性操作的实现

2.二叉树结构的层次遍历

3.二叉树的典型遍历方式

4.小结

1.二叉树中属性操作的实现

二叉树的属性操作：

二叉树中结点的数目：

• 定义功能：count(node)
  1. 在 node 为根结点的二叉树中统计结点数目

在BTree.h中实现统计结点数目：

protected:
    int count(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            ret = count(node->left) + count(node->right) + 1;
        }

        return ret;
    }
public:
    int count() const
    {
        return count(root());
    }

优化代码：

protected:
    int count(BTreeNode<T>* node) const
    {
        return (node != NULL) ? (count(node->left) + count(node->right) + 1) : 0;
    }
public:
    int count() const
    {
        return count(root());
    }

二叉树的高度：

• 定义功能：height(node)
  1. 获取 node 为根结点的二叉树的高度

在BTree.h中实现获取二叉树的高度：

protected:
    int height(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            int lh = height(node->left);
            int rh = height(node->right);

            ret = ((lh > rh) ? lh : rh) + 1;
        }

        return ret;
    }
public:
    int height() const
    {
        return height(root());
    }

树的度数：

• 定义功能：degree(node)
  1. 获取 node 为根结点的二叉树的度数

在BTree.h中实现获取二叉树的度数：

protected:
    int degree(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            int dl = degree(node->left);
            int dr = degree(node->right);

            ret = (!!node->left + !!node->right);

            if( ret < dl )
            {
                ret = dl;
            }

            if( ret < dr )
            {
                ret = dr;
            }
        }

        return ret;
    }
public:
    int degree() const
    {
        return degree(root());
    }

优化代码：

protected:
    int degree(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            BTreeNode<T>* child[] = { node->left, node->right };

            ret = (!!node->left + !!node->right);

            for(int i=0; (i<2) && (ret<2); i++)
            {
                int d = degree(child[i]);

                if( ret < d )
                {
                    ret = d;
                }
            }
        }

        return ret;
    }
public:
    int degree() const
    {
        return degree(root());
    }

统一mian.cpp测试：

#include <iostream>
#include "BTree.h"

using namespace std;
using namespace StLib;

int main()
{
    BTree<int> bt;
    BTreeNode<int>* n = NULL;

    bt.insert(1, NULL);

    n = bt.find(1);
    bt.insert(2, n);
    bt.insert(3, n);

    n = bt.find(2);
    bt.insert(4, n);
    bt.insert(5, n);

    n = bt.find(4);
    bt.insert(8, n);
    bt.insert(9, n);

    n = bt.find(5);
    bt.insert(10, n);

    n = bt.find(3);
    bt.insert(6, n);
    bt.insert(7, n);

    cout << bt.count() << endl;
    cout << bt.height() << endl;
    cout << bt.degree() << endl;

    return 0;
}

运行结果为：

10
4
2

2.二叉树结构的层次遍历

二叉树的遍历：

• 二叉树的遍历 ( Traversing Binay Tree ) 是指从根结点出发，按照某种次序依次访问二叉树中的所有结点，使得每个结点被访问一次，且仅被访问一次。

需要考虑的问题：

• 通用树结构的层次遍历算法是否可以用在二叉树结构上？
• 如果可以，代码需要做怎样的改动？

设计思路 ( 游标 )：

• 提供一组遍历相关的函数，按层次访问二叉树中的数据元素。

层次遍历算法：

• 原料：class LinkQueue;
• 游标：LinkQueue: :front();
• 思想：
  1. begin() → 将根结点压入队列中
  2. current() → 访问队头元素指向的数据元素
  3. next() → 队头元素弹出，将队头元素的孩子压入队列中 ( 核心 )
  4. end() → 判断队列是否为空

层次遍历算法示例：

在BTree.h中实现二叉树结构的层次遍历：
（并且在clear()函数和remove()函数中要加上清空队列的操作。另外，将遍历操作的四个函数在父类中声明为虚函数。）

public:
    bool begin()
    {
        bool ret = (root() != NULL);

        if( ret )
        {
            m_queue.clear();
            m_queue.add(root());
        }

        return ret;
    }

    bool end()
    {
        return (m_queue.length() == 0);
    }

    bool next()
    {
        bool ret = (m_queue.length() > 0);

        if( ret )
        {
            BTreeNode<T>* node = m_queue.front();

            m_queue.remove();

            if( node->left != NULL )
            {
                m_queue.add(node->left);
            }

            if( node->right != NULL )
            {
                m_queue.add(node->right);
            }

        }

        return ret;
    }

    T current()
    {
        if( !end() )
        {
            return m_queue.front()->value;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOperationException, "No value at current position ...");
        }
    }

mian.cpp测试：

#include <iostream>
#include "BTree.h"

using namespace std;
using namespace StLib;

int main()
{
    BTree<int> bt;
    BTreeNode<int>* n = NULL;

    bt.insert(1, NULL);

    n = bt.find(1);
    bt.insert(2, n);
    bt.insert(3, n);

    n = bt.find(2);
    bt.insert(4, n);
    bt.insert(5, n);

    n = bt.find(4);
    bt.insert(8, n);
    bt.insert(9, n);

    n = bt.find(5);
    bt.insert(10, n);

    n = bt.find(3);
    bt.insert(6, n);
    bt.insert(7, n);

    for(bt.begin(); !bt.end(); bt.next())
    {
        cout << bt.current() << " ";
    }

    cout << endl;

    return 0;
}

运行结果为：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

3.二叉树的典型遍历方式

问题：

• 二叉树是否只有一种遍历方式 ( 层次遍历 ) ？

典型的二叉树遍历方式：

• 先序遍历 ( Pre-Order Traversal )
• 中序遍历 ( In-Order Traversal )
• 后序遍历 ( Post-Order Traversal )

先序遍历 ( Pre-Order Traversal )：

• 二叉树为空：
  1. 无操作，直接返回
• 二叉树不为空：
  1. 访问根结点中的数据元素
  2. 先序遍历左子树
  3. 先序遍历右子树

先序遍历功能定义：

中序遍历 ( In-Order Traversal )：

• 二叉树为空：
  1. 无操作，直接返回
• 二叉树不为空：
  1. 中序遍历左子树
  2. 访问根结点中的数据元素
  3. 中序遍历右子树

中序遍历功能定义：

后序遍历 ( Post-Order Traversal )：

• 二叉树为空：
  1. 无操作，直接返回
• 二叉树不为空：
  1. 后序遍历左子树
  2. 后序遍历右子树
  3. 访问根结点中的数据元素

后序遍历功能定义：

需要考虑的问题：

• 是否可以将二叉树的典型遍历算法集成到 BTree 中？
• 如果可以，代码需要做怎样的改动？

设计要点：

• 不能与层次遍历函数冲突，必须设计新的函数接口
• 算法执行完成后，能够方便的获得遍历结果
• 遍历结果能够反映结点访问的先后次序

函数接口设计

• SharedPointer< Array<T> > traversal(BTTraversal order)
  1. 根据参数 order 选择执行遍历算法 ( 先序，中序，后序 )
  2. 返回值为堆中的数组对象 ( 生命期由智能指针管理 )
  3. 数组元素的次序反映遍历的先后次序

典型遍历示例：

二叉树的典型遍历方式：

#include "LinkQueue.h"
#include "DynamicArray.h"
namespace StLib
{

enum BTTraversal
{
    PreOrder,
    InOrder,
    PostOrder
};

template <typename T>
class BTree : public Tree<T>
{
protected:
    void preOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            queue.add(node);
            preOrderTraversal(node->left, queue);
            preOrderTraversal(node->right, queue);
        }
    }

    void inOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            inOrderTraversal(node->left, queue);
            queue.add(node);
            inOrderTraversal(node->right, queue);
        }
    }

    void postOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            postOrderTraversal(node->left, queue);
            postOrderTraversal(node->right, queue);
            queue.add(node);
        }
    }
public:
    SharedPointer< Array<T> > traversal(BTTraversal order)
    {
        DynamicArray<T>* ret = NULL;
        LinkQueue<BTreeNode<T>*> queue;

        switch (order) {
        case PreOrder:
            preOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        case InOrder:
            inOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        case PostOrder:
            postOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        default:
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Parameter order is invalid ...");
            break;
        }

        ret = new DynamicArray<T>(queue.length());

        if( ret != NULL )
        {
            for(int i=0; i<ret->length(); i++, queue.remove())
            {
                ret->set(i, queue.front()->value);
            }
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to create return array ...");
        }

        return ret;
    }
};

}

main.cpp测试：

#include <iostream>
#include "BTree.h"

using namespace std;
using namespace StLib;

int main()
{
    BTree<int> bt;
    BTreeNode<int>* n = NULL;

    bt.insert(1, NULL);

    n = bt.find(1);
    bt.insert(2, n);
    bt.insert(3, n);

    n = bt.find(2);
    bt.insert(4, n);
    bt.insert(5, n);

    n = bt.find(4);
    bt.insert(8, n);
    bt.insert(9, n);

    n = bt.find(5);
    bt.insert(10, n);

    n = bt.find(3);
    bt.insert(6, n);
    bt.insert(7, n);

    cout << bt.count() << endl;
    cout << bt.height() << endl;
    cout << bt.degree() << endl;

    cout << "层次遍历：" << endl;
    for(bt.begin(); !bt.end(); bt.next())
    {
        cout << bt.current() << " ";
    }
    cout << endl;

    SharedPointer< Array<int> > sp = NULL;

    sp = bt.traversal(PreOrder);

    cout << "先序遍历：" << endl;
    for(int i=0; i<(*sp).length(); i++)
    {
        cout << (*sp)[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    sp = bt.traversal(InOrder);

    cout << "中序遍历：" << endl;
    for(int i=0; i<(*sp).length(); i++)
    {
        cout << (*sp)[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    sp = bt.traversal(PostOrder);

    cout << "后序遍历：" << endl;
    for(int i=0; i<(*sp).length(); i++)
    {
        cout << (*sp)[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

运行结果为：

10
4
2
层次遍历：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
先序遍历：
1 2 4 8 9 5 10 3 6 7 
中序遍历：
8 4 9 2 10 5 1 6 3 7 
后序遍历：
8 9 4 10 5 2 6 7 3 1 

4.小结

• 二叉树的典型遍历都是以递归方式执行的
• BTree 以不同的函数接口支持典型遍历
• 层次遍历与典型遍历互不冲突
• 遍历结果能够反映树结点访问的先后次序

最终的BTree.h代码：
BTree.h

#ifndef BTREE_H
#define BTREE_H

#include "Tree.h"
#include "BTreeNode.h"
#include "Exception.h"
#include "LinkQueue.h"
#include "DynamicArray.h"

namespace StLib
{

enum BTTraversal
{
    PreOrder,
    InOrder,
    PostOrder
};

template <typename T>
class BTree : public Tree<T>
{
protected:
    LinkQueue<BTreeNode<T>*> m_queue;

    virtual BTreeNode<T>* find(BTreeNode<T>* node, const T& value) const
    {
        BTreeNode<T>* ret = NULL;

        if( node != NULL )
        {
            if( node->value == value )
            {
                return node;
            }
            else
            {
                if( ret == NULL )
                {
                    ret = find(node->left, value);
                }

                if( ret == NULL )
                {
                    ret = find(node->right, value);
                }
            }
        }

        return ret;
    }

    virtual BTreeNode<T>* find(BTreeNode<T>* node, BTreeNode<T>* obj) const
    {
        BTreeNode<T>* ret = NULL;

        if( node == obj )
        {
            return node;
        }
        else
        {
            if( node != NULL )
            {
                if( ret == NULL )
                {
                    ret = find(node->left, obj);
                }

                if( ret == NULL )
                {
                    ret = find(node->right, obj);
                }
            }
        }

        return ret;
    }

    virtual bool insert(BTreeNode<T>* n, BTreeNode<T>* np, BTNodePos pos)
    {
        bool ret = true;

        if( pos == ANY )
        {
            if( np->left == NULL )
            {
                np->left = n;
            }
            else if( np->right == NULL )
            {
                np->right = n;
            }
            else
            {
                ret = false;
            }
        }
        else if( pos == LEFT )
        {
            if( np->left == NULL )
            {
                np->left = n;
            }
            else
            {
                ret = false;
            }
        }
        else if( pos == RIGHT )
        {
            if( np->right == NULL )
            {
                np->right = n;
            }
            else
            {
                ret = false;
            }
        }
        else
        {
            ret = false;
        }

        return ret;
    }

    virtual void remove(BTreeNode<T>* node, BTree<T>*& ret)
    {
        ret = new BTree<T>();

        if( ret == NULL )
        {
            THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to create new tree ...");
        }
        else
        {
            if( root() == node )
            {
                this->m_root = NULL;
            }
            else
            {
                BTreeNode<T>* parent = dynamic_cast<BTreeNode<T>*>(node->parent);

                if( parent->left == node )
                {
                    parent->left = NULL;
                }
                else if( parent->right == node )
                {
                    parent->right = NULL;
                }

                node->parent = NULL;
            }

            ret->m_root = node;
        }
    }

    virtual void free(BTreeNode<T>* node)
    {
        if( node != NULL )
        {
            free(node->left);
            free(node->right);

            if( node->flag() )
            {
                delete node;
            }
        }
    }

    int count(BTreeNode<T>* node) const
    {
        return (node != NULL) ? (count(node->left) + count(node->right) + 1) : 0;
    }

    int height(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            int lh = height(node->left);
            int rh = height(node->right);

            ret = ((lh > rh) ? lh : rh) + 1;
        }

        return ret;
    }

    int degree(BTreeNode<T>* node) const
    {
        int ret = 0;

        if( node != NULL )
        {
            BTreeNode<T>* child[] = { node->left, node->right };

            ret = (!!node->left + !!node->right);

            for(int i=0; (i<2) && (ret<2); i++)
            {
                int d = degree(child[i]);

                if( ret < d )
                {
                    ret = d;
                }
            }
        }

        return ret;
    }

    void preOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            queue.add(node);
            preOrderTraversal(node->left, queue);
            preOrderTraversal(node->right, queue);
        }
    }

    void inOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            inOrderTraversal(node->left, queue);
            queue.add(node);
            inOrderTraversal(node->right, queue);
        }
    }

    void postOrderTraversal(BTreeNode<T>* node, LinkQueue<BTreeNode<T>*>& queue)
    {
        if( node != NULL )
        {
            postOrderTraversal(node->left, queue);
            postOrderTraversal(node->right, queue);
            queue.add(node);
        }
    }
public:
    bool insert(TreeNode<T>* node)
    {
        return insert(node, ANY);
    }

    virtual bool insert(TreeNode<T>* node, BTNodePos pos)
    {
        bool ret = true;

        if( node != NULL )
        {
            if( this->m_root == NULL )
            {
                node->parent = NULL;
                this->m_root = node;
            }
            else
            {
                BTreeNode<T>* np = find(node->parent);

                if( np != NULL )
                {
                    ret = insert(dynamic_cast<BTreeNode<T>*>(node), np, pos);
                }
                else
                {
                    THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Invalid parent tree node ...");
                }
            }
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Parameter node can not be NULL ...");
        }

        return ret;
    }

    bool insert(const T& value, TreeNode<T>* parent)
    {
        return insert(value, parent, ANY);
    }

    virtual bool insert(const T& value, TreeNode<T>* parent, BTNodePos pos)
    {
        bool ret = true;
        BTreeNode<T>* node = BTreeNode<T>::NewNode();

        if( node == NULL )
        {
            THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to create new node ...");
        }
        else
        {
            node->value = value;
            node->parent = parent;

            ret = insert(node, pos);

            if( !ret )
            {
                delete node;
            }
        }

        return ret;
    }

    SharedPointer< Tree<T> > remove(const T& value)
    {
        BTree<T>* ret = NULL;
        BTreeNode<T>* node = find(value);

        if( node == NULL )
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Can not find the tree node via value ...");
        }
        else
        {
            remove(node, ret);

            m_queue.clear();
        }

        return ret;
    }

    SharedPointer< Tree<T> > remove(TreeNode<T>* node)
    {
        BTree<T>* ret = NULL;

        node = find(node);

        if( node == NULL )
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Parameter node is invalid ...");
        }
        else
        {
            remove(dynamic_cast<BTreeNode<T>*>(node), ret);

            m_queue.clear();
        }

        return ret;
    }

    BTreeNode<T>* find(const T& value) const
    {
        return find(root(), value);
    }

    BTreeNode<T>* find(TreeNode<T>* node) const
    {
        return find(root(), dynamic_cast<BTreeNode<T>*>(node));
    }

    BTreeNode<T>* root() const
    {
        return dynamic_cast<BTreeNode<T>*>(this->m_root);
    }

    int degree() const
    {
        return degree(root());
    }

    int count() const
    {
        return count(root());
    }

    int height() const
    {
        return height(root());
    }

    void clear()
    {
        free(root());

        m_queue.clear();

        this->m_root = NULL;
    }

    bool begin()
    {
        bool ret = (root() != NULL);

        if( ret )
        {
            m_queue.clear();
            m_queue.add(root());
        }

        return ret;
    }

    bool end()
    {
        return (m_queue.length() == 0);
    }

    bool next()
    {
        bool ret = (m_queue.length() > 0);

        if( ret )
        {
            BTreeNode<T>* node = m_queue.front();

            m_queue.remove();

            if( node->left != NULL )
            {
                m_queue.add(node->left);
            }

            if( node->right != NULL )
            {
                m_queue.add(node->right);
            }

        }

        return ret;
    }

    T current()
    {
        if( !end() )
        {
            return m_queue.front()->value;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOperationException, "No value at current position ...");
        }
    }

    SharedPointer< Array<T> > traversal(BTTraversal order)
    {
        DynamicArray<T>* ret = NULL;
        LinkQueue<BTreeNode<T>*> queue;

        switch (order) {
        case PreOrder:
            preOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        case InOrder:
            inOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        case PostOrder:
            postOrderTraversal(root(), queue);
            break;
        default:
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Parameter order is invalid ...");
            break;
        }

        ret = new DynamicArray<T>(queue.length());

        if( ret != NULL )
        {
            for(int i=0; i<ret->length(); i++, queue.remove())
            {
                ret->set(i, queue.front()->value);
            }
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to create return array ...");
        }

        return ret;
    }

    ~BTree()
    {
        clear();
    }
};

}

#endif // BTREE_H