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数据结构:二叉树初阶与实现
系统讲解了二叉树的数据结构基础,涵盖定义、术语、特殊类型及性质。重点阐述了二叉树的链式存储方式,并通过 C 语言代码实现了二叉树的构建、前中后序遍历、层序遍历、节点统计、高度计算、查找及完全二叉树判断功能,提供了完整的头文件与源文件代码示例。
魔法巫师48 浏览 前言
本文主要讲解二叉树的基础概念及其在 C 语言中的实现。
一、树是什么?
1. 树的定义
树是一种非线性数据结构,它是由 n(n>=0)个有限结点组成一个具有层次关系的集合。
有一个特殊的结点,称为根结点,根结点没有前驱结点。
除根结点外,其余结点被分成 M(M>0) 个互不相交的集合 T1、T2、……、Tm,其中每一个集合 Ti(1<= i <= m) 又是一棵结构与树类似的子树。每棵子树的根结点有且只有一个前驱,可以有 0 个或多个后继。
2. 一些常见术语
这是一个常见的树结构:

以下还有一些常见的术语:
- 结点的度:一个结点含有的子树的个数称为该结点的度。(A 的度为 6)
- 叶结点或终端结点:度为 0 的结点称为叶结点。(B、H、P......为叶结点)
- 双亲结点或父结点:若一个结点含有子结点,则这个结点称为其子结点的父结点。(A 为 B 的父结点)
- 子结点:一个结点含有的子树的根结点称为该结点的子结点。(B 为 A 的子结点)
- 树的高度或深度:树中结点的最大层次。(该树高度为 4)
二、二叉树
1. 二叉树是什么?
二叉树就是一种特殊的树,其树的度最大为 2。也就是说,一个结点最多有两个分叉。而在日常生活中,由于树的结构复杂很少用,所以最实用的是二叉树,其只有最多两个分叉。
2. 二叉树的组成
二叉树由一个根结点加上两棵别称为左子树和右子树的二叉树组成。且注意二叉树的子树有左右之分,次序不能颠倒,因此二叉树是有序树。

其组成就是:

3. 特殊的二叉树
二叉树有两种特殊情况:
- 满二叉树:一个二叉树,如果每一个层的结点数都达到最大值,则这个二叉树就是满二叉树。也就是说,如果一个二叉树的层数为 K,且结点总数是 2^K - 1,则它就是满二叉树。
- 完全二叉树:对于深度为 K 的,有 n 个结点的二叉树,当且仅当其每一个结点都与深度为 K 的满二叉树中编号从 1 至 n 的结点一一对应时称之为完全二叉树。要注意的是满二叉树是一种特殊的完全二叉树。完全二叉树是效率很高的数据结构,完全二叉树是由满二叉树而引出来的。
如下图,分别是满二叉树和完全二叉树:

要注意,完全二叉树的编号是连续的,中间断开则不是完全二叉树。如下图的树就不是完全二叉树:
4. 二叉树的顺序存储(完全二叉树)
对于一个完全二叉树的存储,前面也提到完全二叉树的编号是连续的。所以,对于完全二叉树来说,我们可以用数组来进行存储,用下标来进行编号。二叉树顺序存储在物理上是一个数组,而在逻辑上是一颗二叉树。
如图,一个逻辑结构(我们人为想象的),一个物理结构(真实存储的):
5. 二叉树的一些性质
- 若规定根结点的层数为 1,则一棵非空二叉树的第 i 层上最多有 2^(i-1) 个结点。
- 若规定根结点的层数为 1,则深度为 h 的二叉树的最大结点数是 2^h - 1。
- 对任何一棵二叉树,如果度为 0 其叶结点个数为 n₀,度为 2 的分支结点个数为 n₂,则有 n₀ = n₂ + 1。
- 若规定根结点的层数为 1,具有 n 个结点的满二叉树的深度,h = log₂(n + 1)。
对于具有 n 个结点的完全二叉树,如果按照从上至下从左至右的数组顺序对所有结点从 0 开始编号。存在:若父亲在数组中下标为 i,则该父亲的左孩子下标为 2 * i + 1;右孩子下标为 2 * i + 2。若孩子在数组中下标为 i,则该孩子的父亲下标为 (i - 1) / 2。注意:前提是这些下标所对应的值存在!!!**
三、二叉树的实现(重点)
1. 二叉树的链式存储(非完全二叉树)
前面我们说到存储完全二叉树可以用数组来进行,是因为完全二叉树的编号是连续的。而非完全二叉树却不是如此,若强行用数组来存储会浪费大量的空间。
那么除了数组,我们还可以用什么来储存二叉树呢?我们会想到链式存储。
链式存储:顾名思义,就是用链表来表示一颗二叉树,用链来指示元素的逻辑关系。通常的方法:创建一链表,使每个结点由三个域组成,数据域和左右指针域。左右指针分别用来给出该结点左孩子和右孩子所在结点的地址。
2. 实现思路
与单链表的实现类似,二叉树中的每一个节点有以下三个成员:
- 节点中存储的数据
- 指向节点左孩子的指针
- 指向节点右孩子的指针
3. 代码实现
(1)创建头文件&源文件
在写复杂程序时要养成写多个头文件&源文件的好习惯,这样条理就很清晰也不会乱。
- 创建了一个
BTNode.h 头文件,用于存放函数的声明和一些库函数的头文件。
- 创建了一个
BTNode.c 源文件,用于放函数的定义 (二叉树的主体)。
- 还有一个
Test.c 源文件,用于测试实现的二叉树的运行效果。
(2)定义二叉树
首先我们要定义一个二叉树。这里之前讲过,创建一个类似链表的结构,每个结点里面包含三个成员:节点中存储的数据、指向左孩子的指针、指向右孩子的指针。
代码演示:(内有注释,在头文件 BTNode.h 中写)
typedef char BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode {
BTDataType data;
struct BinaryTreeNode* left;
struct BinaryTreeNode* right;
} BTNode;
- 本文是以 char 类型为例,但如果以后要将二叉树中的元素类型修改成 int 类型或是其他一个一个修改就很麻烦。所以我们重定义 char 类型为 BTDataType,并将接下来代码中的 char 类型全部写成 BTDataType。这是为了方便我们以后对类型进行修改,仅需将 char 改为其他类型即可。
- 在定义二叉树的同时重定义二叉树的变量名为 BTNode 方便以后使用。
(3)构建二叉树
小编这里通过一个前序遍历的数组 "ABD##E#H##CF##G##" 来构建了二叉树。要先有一个二叉树,才能对二叉树进行操作。(关于怎么构建的不重要,大家也可以将一个一个结点进行插入,但这不是重点!!!重点是之后二叉树的实现!!!)
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;
}
(4)二叉树遍历(前中后序)
要想对二叉树进行操作,肯定少不了遍历二叉树。但是要怎么遍历是个问题,这里一共有 4 种:前序遍历、中序遍历、后序遍历、层序遍历。这四种遍历主要在于遍历顺序的不一样,我们一一来拆解。
-
前序
前序遍历是指遍历时先遍历根、接着左子树、最后右子树。还要注意,这个遍历是递归进行的!!!
当遍历完根后,开始遍历左子树,就以左子树为起始位置,继续从根遍历、接着左子树、最后右子树,以此循环,直到全部遍历结束。
代码演示:
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
printf("%c ", root->data);
BinaryTreePrevOrder(root->left);
BinaryTreePrevOrder(root->right);
}
-
中序
中序遍历原理与前序遍历一样,只是遍历的顺序不一样。中序遍历是指遍历时先遍历左子树、接着根、最后右子树。
代码演示:
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
BinaryTreeInOrder(root->left);
printf("%c ", root->data);
BinaryTreeInOrder(root->right);
}
-
后序
后序遍历原理与前序遍历也一样,只是遍历的顺序不一样。后序遍历是指遍历时先遍历右子树、接着左子树、最后根。
代码演示:
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
BinaryTreePostOrder(root->left);
BinaryTreePostOrder(root->right);
printf("%c ", root->data);
}
(5)二叉树的层序遍历
这里看到小编特意把层序遍历与前三个遍历分开写,也可以看出层序的不一样了。也确实,层序遍历与前三种遍历差了很多。
首先,层序遍历是什么?层序层序,就是一层一层的遍历。比如下图的二叉树:该二叉树层序遍历的结果就是【1,2,3,4,5,6,7】。也就是一层一层遍历,这就是层序遍历。那又要该怎么写代码呢?
接着,代码思路是什么?我们怎么做到遍历完 1,2,3 后去遍历 4,5 呢?此时也无法直接通过 2 来找到 4,5 了。这时我们可以想到我们之前学过的东西——队列。我们可以在每次取出结点的同时,将该结点的左结点和右结点存储进队列中,直到队列为空。
例如:
开始时放入 1,此时队列【1】
取出 1,并放入 2、3,此时队列【2,3】
取出 2,并放入 4、5,此时队列【3,4,5】
取出 3,并放入 6、7,此时队列【4,5,6,7】
取出 4,此时队列【5,6,7】
取出 5,此时队列【6,7】
取出 6,此时队列【7】
取出 7,此时队列【】
在前面的学习中小编已经讲解过了队列了,这里就不赘述,想知道的可以去看看相关教程。
最后,代码实现。现在,知道了要用队列来实现,就可以开始来写代码了。我们创建一个队列,先把第一个根节点存入。接着在每次取出结点的同时,将该结点的左结点和右结点存储进队列中。以此循环直到队列为空。
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root) {
Queue Q;
QueueInit(&Q);
if (root) {
QueuePush(&Q, root);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
printf("%c ", root->data);
QueuePop(&Q);
if (root->left) {
QueuePush(&Q, root->left);
}
if (root->right) {
QueuePush(&Q, root->right);
}
}
QueueDestroy(&Q);
}
(6)二叉树节点个数的计算
当我们想要用代码来计数二叉树中的所有节点个数,该怎么办呢?其实这很简单,只需要熟悉递归就行了。当根节点为空时,就计 0。而当根节点为非空时,就 + 1 并递归计算其左右子树再。
int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
return root == NULL ? 0 : BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}
(7)二叉树高度的计算
当我们想要用代码来计数二叉树的高度,该怎么办呢?首先我们要知道二叉树高度是什么,是树中结点的最大层次。而二叉树有左子树以及右子树,故左右子树高度更高的一边 + 1 就是树的高度。
所以,我们可以用递归来实现。当根节点为空时,返回 0。而当根节点为非空时,就返回左右子树高度更高的一边并 + 1(根节点本身)。
int BinaryTreeHight(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return 0;
}
return fmax(BinaryTreeHight(root->left), BinaryTreeHight(root->right)) + 1;
}
(8)二叉树第 k 层节点个数的计算
当我们想要用代码来计数二叉树第 k 层的节点个数,该怎么办呢?对于一个满二叉树很简单,套公式就行,但非完全二叉树咋办呢?这里依旧是递归:初始 k,若该层不是目标层次,就 k - 1 并递归左右子树。当根节点为空时,返回 0。当根节点为非空且此时 k == 1 时,返回 1(已经到达第 k 层)。
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);
}
(9)二叉树查找值为 x 的节点
当我们想要用代码来查找值为 x 的节点,该怎么办呢?这里依旧是递归:当根节点为空时,返回空。当根节点的值为 X 时,返回根节点的地址。最后找左右子树。但要注意!!!:该函数返回的是地址,故在递归的过程中地址信息不能丢失,要不断返回。可以先判断返回值是否为真,再决定继续递归还是返回数据。
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;
}
(10)判断二叉树是否是完全二叉树
现在,给你一个树,怎么用代码来判断该树是完全二叉树呢?我们可以用到之前的层序遍历来完成。当层序遍历到空结点时,若之后还有数据则不是完全二叉树。当层序遍历到空结点时,若没有数据则是完全二叉树。
int BinaryTreeComplete(BTNode* root) {
Queue Q;
QueueInit(&Q);
if (root) {
QueuePush(&Q, root);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
QueuePop(&Q);
if (root == NULL) {
break;
}
QueuePush(&Q, root->left);
QueuePush(&Q, root->right);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
QueuePop(&Q);
if (root != NULL) {
QueueDestroy(&Q);
return 0;
}
}
QueueDestroy(&Q);
return 1;
}
四、二叉树实现完整代码
1. 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);
2. 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;
}
3. BTNode.h
#pragma once
#include "Queue.h"
typedef char BTDataType;
typedef struct BinaryTreeNode {
BTDataType data;
struct BinaryTreeNode* left;
struct BinaryTreeNode* right;
} BTNode;
BTNode* BinaryTreeCreate(BTDataType* ch, int* pi);
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root);
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root);
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root);
int BinaryTreeSize(BTNode* root);
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root);
int BinaryTreeHight(BTNode* root);
void BinaryTreeDestory(BTNode** root);
int BinaryTreeLevelKSize(BTNode* root, int k);
BTNode* BinaryTreeFind(BTNode* root, BTDataType x);
int BinaryTreeComplete(BTNode* root);
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root);
4. BTNode.c
#include "BTNode.h"
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;
}
void BinaryTreePrevOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
printf("%c ", root->data);
BinaryTreePrevOrder(root->left);
BinaryTreePrevOrder(root->right);
}
void BinaryTreeInOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
BinaryTreeInOrder(root->left);
printf("%c ", root->data);
BinaryTreeInOrder(root->right);
}
void BinaryTreePostOrder(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return;
}
BinaryTreePostOrder(root->left);
BinaryTreePostOrder(root->right);
printf("%c ", root->data);
}
void BinaryTreeLevelOrder(BTNode* root) {
Queue Q;
QueueInit(&Q);
if (root) {
QueuePush(&Q, root);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
printf("%c ", root->data);
QueuePop(&Q);
if (root->left) {
QueuePush(&Q, root->left);
}
if (root->right) {
QueuePush(&Q, root->right);
}
}
QueueDestroy(&Q);
}
void BinaryTreeDestory(BTNode** root) {
if (*root == NULL) {
return;
}
BinaryTreeDestory(&(*root)->left);
BinaryTreeDestory(&(*root)->right);
free(*root);
*root = NULL;
}
int BinaryTreeSize(BTNode* root) {
return root == NULL ? 0 : BinaryTreeSize(root->left) + BinaryTreeSize(root->right) + 1;
}
int BinaryTreeLeafSize(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return 0;
}
if (root->left == NULL && root->right == NULL) {
return 1;
}
return BinaryTreeLeafSize(root->left) + BinaryTreeLeafSize(root->right);
}
int BinaryTreeHight(BTNode* root) {
if (root == NULL) {
return 0;
}
return fmax(BinaryTreeHight(root->left), BinaryTreeHight(root->right)) + 1;
}
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);
}
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;
}
int BinaryTreeComplete(BTNode* root) {
Queue Q;
QueueInit(&Q);
if (root) {
QueuePush(&Q, root);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
QueuePop(&Q);
if (root == NULL) {
break;
}
QueuePush(&Q, root->left);
QueuePush(&Q, root->right);
}
while (!QueueEmpty(&Q)) {
BTNode* root = QueueFront(&Q);
QueuePop(&Q);
if (root != NULL) {
QueueDestroy(&Q);
return 0;
}
}
QueueDestroy(&Q);
return 1;
}
5. Test.c
用于测试实现的二叉树的运行效果(这里是小编在写代码时写的测试用例,大家在写的时候也要多多测试哦)。
#include "BTNode.h"
int main() {
char ch[100] = "ABD##E#H##CF##G##";
int i = 0;
BTNode* T = BinaryTreeCreate(ch, &i);
int ret1 = BinaryTreeSize(T);
printf("二叉树节点个数:%d\n", ret1);
int ret2 = BinaryTreeLeafSize(T);
printf("二叉树叶子节点个数:%d\n", ret2);
int ret3 = BinaryTreeHight(T);
printf("二叉树高度:%d\n", ret3);
int ret4 = BinaryTreeLevelKSize(T, 3);
printf("二叉树第 k 层节点个数:%d\n", ret4);
BTNode* ret5 = BinaryTreeFind(T, 'G');
if (ret5 == NULL) {
printf("没有找到\n");
} else {
printf("存在%c\n", ret5->data);
}
int ret6 = BinaryTreeComplete(T);
if (ret6) {
printf("是完全二叉树\n");
} else {
printf("不是完全二叉树\n");
}
printf("\n");
printf("前序:");
BinaryTreePrevOrder(T);
printf("\n\n");
printf("中序:");
BinaryTreeInOrder(T);
printf("\n\n");
printf("后序:");
BinaryTreePostOrder(T);
printf("\n\n");
printf("层序:");
BinaryTreeLevelOrder(T);
printf("\n\n");
BinaryTreeDestory(&T);
return 0;
}
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