二叉树的链式存储与遍历实现

构建二叉树

构建的时候给定一个前序遍历的数组，例如 "ABD##E#H##CF##G##"，其中 # 代表空节点。递归实现很自然：遇到 # 就返回空，否则创建结点，然后递归构建左子树和右子树。

// BTNode.c
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* ch, int* pi) {
    if (ch[*pi] == '#') {
        return NULL;
    }
    BTNode* newnode = (BTNode*)malloc(sizeof(BTNode));
    if (newnode == NULL) {
        perror("malloc fail");
        return NULL;
    }
    newnode->data = ch[(*pi)++];
    newnode->left = BinaryTreeCreate(ch, pi);
    (*pi)++;
    newnode->right = BinaryTreeCreate(ch, pi);
    return newnode;
}

二叉树遍历

递归遍历是基础操作，前序、中序、后序的名字就是按'根'访问的时机来的。

• 前序：根 → 左 → 右
• 中序：左 → 根 → 右
• 后序：左 → 右 → 根

实现几乎一样，区别只在什么时候打印数据。

// 前序遍历
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    printf("%c ", root->data);
    BinaryTreePrevOrder(root->left);
    BinaryTreePrevOrder(root->right);
}

// 中序遍历
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    BinaryTreeInOrder(root->left);
    printf("%c ", root->data);
    BinaryTreeInOrder(root->right);
}

// 后序遍历
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    BinaryTreePostOrder(root->left);
    BinaryTreePostOrder(root->right);
    printf("%c ", root->data);
}

层序遍历就不靠递归了，要用队列。思路很简单：先把根入队，然后每次取出队头结点，打印它，再把它的左右孩子（如果存在）入队，直到队列为空。

// 层序遍历
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root) {
    Queue Q;
    QueueInit(&Q);
    if (root) {
        QueuePush(&Q, root);
    }
    while (!QueueEmpty(&Q)) {
        BTNode* front = QueueFront(&Q);
        printf("%c ", front->data);
        QueuePop(&Q);
        if (front->left) {
            QueuePush(&Q, front->left);
        }
        if (front->right) {
            QueuePush(&Q, front->right);
        }
    }
    QueueDestroy(&Q);
}

常用操作

有了递归的思维，结点个数、高度这些统计函数写起来都很短。

// 结点个数
int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
    return root == NULL ? 0 : BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}

// 二叉树高度
int BinaryTreeHight(BTNode* root) {
    if (root == NULL) {
        return 0;
    }
    int leftH = BinaryTreeHight(root->left);
    int rightH = BinaryTreeHight(root->right);
    return (leftH > rightH ? leftH : rightH) + 1;
}

// 第 k 层结点个数
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k) {
    if (root == NULL) {
        return 0;
    }
    if (k == 1) {
        return 1;
    }
    return BinaryTreeLevelKSize(root->left, k - 1) + BinaryTreeLevelKSize(root->right, k - 1);
}

// 查找值为 x 的结点
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x) {
    if (root == NULL) {
        return NULL;
    }
    if (root->data == x) {
        return root;
    }
    BTNode* ret1 = BinaryTreeFind(root->left, x);
    if (ret1) {
        return ret1;
    }
    BTNode* ret2 = BinaryTreeFind(root->right, x);
    if (ret2) {
        return ret2;
    }
    return NULL;
}

// 判断是否是完全二叉树
int BinaryTreeComplete(BTNode* root) {
    Queue Q;
    QueueInit(&Q);
    if (root) {
        QueuePush(&Q, root);
    }
    while (!QueueEmpty(&Q)) {
        BTNode* front = QueueFront(&Q);
        QueuePop(&Q);
        if (front == NULL) {
            break;
        }
        QueuePush(&Q, front->left);
        QueuePush(&Q, front->right);
    }
    while (!QueueEmpty(&Q)) {
        BTNode* front = QueueFront(&Q);
        QueuePop(&Q);
        if (front != NULL) {
            QueueDestroy(&Q);
            return 0;
        }
    }
    QueueDestroy(&Q);
    return 1;
}

完整代码结构

层序遍历和完全二叉树判定都需要一个队列，下面给出队列的实现。

// Queue.h
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>

typedef int QDataType;

typedef struct QListNode {
    QDataType data;
    struct QListNode* next;
}QNode;

typedef struct Queue {
    QNode* front;
    QNode* tail;
    int size;
}Queue;

void QueueInit(Queue* q);
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
void QueuePop(Queue* q);
QDataType QueueFront(Queue* q);
QDataType QueueBack(Queue* q);
int QueueSize(Queue* q);
int QueueEmpty(Queue* q);
void QueueDestroy(Queue* q);

// Queue.c
#include "Queue.h"

void QueueInit(Queue* q) {
    assert(q);
    q->front = NULL;
    q->tail = NULL;
    q->size = 0;
}

void QueuePush(Queue* q, QDataType data) {
    assert(q);
    QNode* tmp = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    if (tmp == NULL) {
        perror("malloc");
        return;
    }
    tmp->data = data;
    tmp->next = NULL;
    if (q->size == 0) {
        q->front = tmp;
        q->tail = tmp;
    } else {
        q->tail->next = tmp;
        q->tail = tmp;
    }
    q->size++;
}

void QueuePop(Queue* q) {
    assert(q);
    assert(q->size > 0);
    if (q->size == 1) {
        free(q->front);
        q->front = NULL;
        q->tail = NULL;
    } else {
        QNode* del = q->front;
        q->front = q->front->next;
        free(del);
    }
    q->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* q) {
    assert(q);
    assert(q->size > 0);
    return q->front->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* q) {
    assert(q);
    assert(q->size > 0);
    return q->tail->data;
}

int QueueSize(Queue* q) {
    assert(q);
    return q->size;
}

int QueueEmpty(Queue* q) {
    assert(q);
    return q->size == 0;
}

void QueueDestroy(Queue* q) {
    assert(q);
    QNode* cur = q->front;
    while (cur) {
        QNode* next = cur->next;
        free(cur);
        cur = next;
    }
    q->front = q->tail = NULL;
    q->size = 0;
}

最后用一个测试文件把上面这些函数串起来。

#include "BTNode.h"

int main() {
    char ch[100] = "ABD##E#H##CF##G##";
    int i = 0;
    BTNode* T = BinaryTreeCreate(ch, &i);

    printf("节点个数：%d\n", BinaryTreeSize(T));
    printf("叶子节点个数：%d\n", BinaryTreeLeafSize(T));
    printf("高度：%d\n", BinaryTreeHight(T));
    printf("第 3 层节点个数：%d\n", BinaryTreeLevelKSize(T, 3));

    BTNode* ret = BinaryTreeFind(T, 'G');
    if (ret) {
        printf("找到 G: %c\n", ret->data);
    }

    printf("是否完全二叉树：%s\n", BinaryTreeComplete(T) ? "是" : "否");

    printf("前序：");
    BinaryTreePrevOrder(T);
    printf("\n");
    printf("中序：");
    BinaryTreeInOrder(T);
    printf("\n");
    printf("后序：");
    BinaryTreePostOrder(T);
    printf("\n");
    printf("层序：");
    BinaryTreeLevelOrder(T);
    printf("\n");

    BinaryTreeDestory(&T);
    return 0;
}

整套代码可以直接编译运行，各种遍历和统计函数的输出很直观。理解这些底层逻辑，对后续设计算法和处理复杂的数据关系会有帮助。