【数据结构】普通二叉树的实现

一、问题概述

树是n个有限个数据的集合，形如：

它像不像倒着的树呢？我们把它看成是一种数据结构----树。它的第一个节点称作树的根，最底下的那些节点称作树的叶子。

我们今天所要研究的是二叉树，即父节点最多只有两个孩子（左孩子和右孩子）。

二叉树还有两种特殊的结构，分为完全二叉树和满二叉树。

如：

满二叉树：高度为N的满二叉树有2^N-1个节点。

完全二叉树：高度为N，前N-1层为满二叉树，第N层为连续的叶子节点。

二叉树有四种遍历方式：

前序遍历（根左右），中序遍历（左根右），后序遍历（左右根），层序遍历（从上往下，从左往右）。

那么，如何实现一个二叉树的数据结构呢？

二、数据结构的设计

在这里，我们采取链表的方式，即创建节点，将节点与节点链接起来的方式实现二叉树。

节点的结构：

（1）将要创建的节点的数据部分存储到数组里，然后创建节点。读取数组，我们将指针指向空的部分当作是非法字符，在这里非法字符是‘#’；

（2）如果不是非法字符，则创建节点并链接到二叉树的根上，按照先序遍历的方式先创建根，再创建根的左，最后创建根的右。

（3）创建完成后，对二叉树进行相应的操作。如：求叶子节点数，第k层节点数，四种遍历方式，递归和非递归实现等。

三、实现代码

//BinaryTree.h

#pragma once
#include<assert.h>
#include<queue>
#include<stack>
#include<iostream>
using namespace std;template<typename T>
struct BinaryTreeNode  //创建节点
{T _data;BinaryTreeNode<T> *_left;BinaryTreeNode<T> *_right;BinaryTreeNode(const T& data):_data(data), _left(NULL), _right(NULL){}
};template<typename T>
class BinaryTree
{typedef BinaryTreeNode<T> Node;
public:BinaryTree():_root(NULL){}BinaryTree(T* arr,size_t size,const T& invalid = T()){assert(arr);size_t index = 0;_root = CreateTree(arr,size,invalid,index);}BinaryTree(BinaryTree<T> &t){assert(t._root);_root = _Copy(t._root);}//传统写法/*BinaryTree<T>& operator=(BinaryTree<T>& t){if (this != &t){Node* tmp = _Copy(t._root);_root = _Destroy(_root);_root = tmp;}return *this;}*///现代写法BinaryTree<T>& operator=(BinaryTree<T>& t){if (this != &t){BinaryTree<T> tmp(t);std::swap(tmp._root, _root);}return *this;}~BinaryTree(){if (_root){_root = _Destroy(_root);}}
public:size_t Size(){return _Size(_root);}size_t Depth(){return _Depth(_root);}void PreOrder(){_PreOrder(_root);cout << endl;}void InOrder(){_InOrder(_root);cout << endl;}void PostOrder(){_PostOrder(_root);cout << endl;}void LevelOrder(){_LevelOrder(_root);cout << endl;}Node* Find(const T& x){return _Find(_root,x);}public://创建二叉树Node* CreateTree(T* arr, size_t size, const T& invalid,size_t& index){Node* root = NULL;if (index < size){if (arr[index] != invalid){root = new Node(arr[index]);root->_left = CreateTree(arr, size, invalid, ++index);root->_right = CreateTree(arr, size, invalid, ++index);}}return root;}//拷贝二叉树Node* _Copy(Node* root){Node* cur = NULL;if (root){cur = new Node(root->_data);cur->_left = _Copy(root->_left);cur->_right = _Copy(root->_right);}return cur;}//释放二叉树节点Node* _Destroy(Node* root){if (root != NULL){root->_left = _Destroy(root->_left);root->_right = _Destroy(root->_right);delete root;root = NULL;}return root;}//递归求解二叉树节点的个数size_t _Size(Node* root)     {if (root == NULL)return 0;return _Size(root->_left) + _Size(root->_right) + 1;}//二叉树的深度求解size_t _Depth(Node* root){size_t maxDepth = 1;if (root){size_t depth = 1;if (root->_left)             //左不为空则遍历左树的深度{depth += _Depth(root->_left);}if (depth > maxDepth){maxDepth = depth;}if (root->_right)          //右不为空则在左树的深度基础上+1{depth = _Depth(root->_right) + 1;}if (depth > maxDepth){maxDepth = depth;}}return maxDepth;}//二叉树前序遍历的递归实现void _PreOrder(Node* root){if (root){cout << root->_data << " ";_PreOrder(root->_left);_PreOrder(root->_right);}}//二叉树中序遍历的递归实现void _InOrder(Node* root){if (root){_InOrder(root->_left);cout << root->_data << " ";_InOrder(root->_right);}}//二叉树后序遍历的递归实现void _PostOrder(Node* root){if (root){_PostOrder(root->_left);_PostOrder(root->_right);cout << root->_data << " ";}}//二叉树层序遍历的实现void _LevelOrder(Node* root){queue<Node*> q;if (root)q.push(root);while (!q.empty()){Node* front = q.front();cout << front->_data << " ";q.pop();if (front->_left){q.push(front->_left);}if (front->_right){q.push(front->_right);}}}//二叉树中查找某个值的节点Node* _Find(Node* root,const T& data){Node* cur = root;if(root == NULL)return NULL;if(root->_data == data)         //找到则返回节点return root;Node* ret = _Find(cur->_left,data);if(ret == NULL){ret = _Find(cur->_right,data);}return ret;}
public:void PreOrderNonR(){_PreOrderNonR(_root);cout<<endl;}void InOrderNonR(){_InOrderNonR(_root);cout<<endl;}void PostOrderNonR(){_PostOrderNonR(_root);cout<<endl;}
public://二叉树前序遍历的非递归实现void _PreOrderNonR(Node* root){Node* cur = root;stack<Node*> s;while(!s.empty() || cur){while(cur){cout<<cur->_data<<" ";s.push(cur);cur = cur->_left;}Node* top = s.top();s.pop();cur = top->_right;}}//二叉树中序遍历的非递归实现void _InOrderNonR(Node* root){Node* cur = root;stack<Node*> s;while(!s.empty() || cur){while(cur){s.push(cur);cur = cur->_left;}Node* top = s.top();cout<<top->_data<<" ";s.pop();cur = top->_right;}}//二叉树后序遍历的非递归实现void _PostOrderNonR(Node* root){Node* cur = root;stack<Node*> s;Node* prev = NULL;while(!s.empty() || cur){while(cur){s.push(cur);cur = cur->_left;}Node* top = s.top();if(top->_right == NULL || top->_right == prev){cout<<top->_data<<" ";prev = top;s.pop();}else{cur = top->_right;}}}
public:size_t GetKLevelSize(size_t k){assert(_root);size_t level = 1;size_t count = 0;_GetKLevelSize(_root,k,level,count);return count;}//获取第k层节点的个数（当k等于层数level时，count++，否则分别遍历左树和右树）void _GetKLevelSize(Node* root,size_t k,size_t level,size_t& count){if(root == NULL)return;if(k == level){count++;return;}_GetKLevelSize(root->_left,k,level+1,count);_GetKLevelSize(root->_right,k,level+1,count);}size_t GetLeafSize(){size_t count = 0;_GetLeafSize(_root,count);return count;}//获取叶子节点（当节点的左树为空且右树为空时，即叶子数加1）void _GetLeafSize(Node* root,size_t& count){if(root == NULL)return;if(root->_left == NULL && root->_right == NULL){count++;return;}_GetLeafSize(root->_left,count);_GetLeafSize(root->_right,count);}size_t SizePrev(){size_t count = 0;_SizePrev(_root,count);return count;}//用引用的方法获取二叉数节点的个数(需要入栈)void _SizePrev(Node* root,size_t& count){if(root == NULL)return;Node* cur = root;stack<Node*> s;while(!s.empty() || cur){while(cur){s.push(cur);count++;cur = cur->_left;}Node* top = s.top();s.pop();cur = top->_right;}}
private:Node* _root;
};void FunTest()
{int arr[] = {1,2,3,'#','#',4,'#','#',5,6};int arr1[] = { 1, 2,'#', 3, '#', '#', 4, 5,'#',6 ,'#', 7,'#','#',8};BinaryTree<int> b1(arr,sizeof(arr)/sizeof(arr[0]),'#');BinaryTree<int> b6(arr1, sizeof(arr1) / sizeof(arr1[0]), '#');BinaryTree<int> b2(b1);BinaryTree<int> b3;b3 = b2;cout << b1.Size() << endl;cout << b2.Size() << endl;cout << b3.Size() << endl;cout << b1.Depth() << endl;cout << b6.Depth() << endl;cout<<"b1：递归先序遍历->";b1.PreOrder();cout<<"b1：递归中序遍历->";b1.InOrder();cout<<"b1：递归后序遍历->";b1.PostOrder();cout<<"b1：层序遍历->";b1.LevelOrder();cout<<"b1：非递归先序遍历->";b1.PreOrderNonR();cout<<"b1：非递归中序遍历->";b1.InOrderNonR();cout<<"b1：非递归后序遍历->";b1.PostOrderNonR();cout<<"Find(4)?"<<endl;cout<<b1.Find(4)->_data<<endl;cout<<"GetLeafSize:"<<b1.GetLeafSize()<<endl;cout<<"_SizePrev:"<<b1.SizePrev()<<endl;cout<<"b6：递归先序遍历->";b6.PreOrder();cout<<"b6：递归中序遍历->";b6.InOrder();cout<<"b6：递归后序遍历->";b6.PostOrder();cout<<"b6：递归层序遍历->";b6.LevelOrder();cout<<"第三层节点数:"<<b6.GetKLevelSize(3)<<endl;cout<<"第四层节点数:"<<b6.GetKLevelSize(4)<<endl;cout<<"第五层节点数:"<<b6.GetKLevelSize(5)<<endl;cout<<"GetLeafSize:"<<b6.GetLeafSize()<<endl;cout<<"_SizePrev:"<<b6.SizePrev()<<endl;
}

//BinaryTree.cpp

#include<iostream>
using namespace std;
#include"BinaryTree.h"
int main()
{FunTest();return 0;
}

四、运行结果

前一篇广义表的数据结构和二叉树的数据结构也有一些类似哦。大家可以看看哒^-^

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