每日算法二叉树的遍历

Posted 2020-06-16 jiange_zh

二叉树特点

1. 每个节点最多有两棵子树；
2. 二叉树是有序的，即区分左右子树的次序。

完全二叉树

1. 叶子节点只能出现在最下两层，且最下层的叶子节点都集中在二叉树左侧连续的位置。

2. 如果有度为1的节点，只可能有一个，且该节点只有左孩子。

二叉树实现

这里只讲二叉链表实现，使用C++。

template<class DataType>
struct BiNode
{
    DataType data;
    BiNode<DataType> *lchild, *rchild; 
};

template<class DataType>
class BiTree
{
public:
    BiTree() {root = Creat(root);}
    ~BiTree() {Release(root);}
    void PreOrder() {PreOrder(root);}
    void InOrder() {InOrder(root);}
    void PostOrder() {PostOrder(root);}
    void LevelOrder();
private:
    BiNode<DataType> *root;
    BiNode<DataType> *Creat(BiNode<DataType> *bt);
    void Release(BiNode<DataType> *bt);
    void PreOrder(BiNode<DataType> *bt);
    void InOrder(BiNode<DataType> *bt);
    void PostOrder(BiNode<DataType> *bt);
};

建树：可以递归调用Creat函数来实现，注意对于参数

BiNode<DataType> *bt

bt是形参，对它的修改仅在函数体内生效，如果想修改传进来的指针，可使用引用：

BiNode<DataType> * &bt

析构函数：在释放某节点时，需要先释放其左右子树，故可使用后序遍历的方法释放。

前序遍历

前序遍历先访问根节点再访问左右子树，其递归实现：

void BiTree<DataType>::PreOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    if (NULL == bt)
        return ;
    cout << bt->data << ‘ ‘;
    PreOrder(bt->lchild);
    PreOrder(bt->rchild);
}

事实上，我们递归的过程如下：

访问节点->往左->访问节点->往左， 直到左边节点为NULL，之后返回该NULL节点的父节点，并访问该父节点的右儿子，继续重复访问节点->往左……的过程。

于是我们可以利用一个栈写出非递归的版本：

void BiTree<DataType>::PreOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    stack<BiNode<DataType> *> s;
    while (bt || !s.empty())
    {
        while (bt)
        {
            cout << bt->data << ‘ ‘;
            s.push(bt);
            bt = bt->lchild;
        }
        if (!s.empty())
        {
            bt = s.top();
            s.pop();
            bt = bt->rchild;
        }
    }
}

中序遍历

中序遍历先访问左子树，再访问根节点，最后访问右子树，其递归实现：

void BiTree<DataType>::InOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    if (NULL == bt)
        return ;
    InOrder(bt->lchild);
    cout << bt->data << ‘ ‘;
    InOrder(bt->rchild);
}

非递归版本的中序遍历与前序遍历非常类似：

void BiTree<DataType>::InOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    stack<BiNode<DataType> *> s;
    while (bt || !s.empty())
    {
        while (bt)
        {
            s.push(bt);
            bt = bt->lchild;
        }
        if (!s.empty())
        {
            bt = s.top();
            s.pop();
            cout << bt->data << ‘ ‘; //将访问移到这里
            bt = bt->rchild;
        }
    }
}

后序遍历

后序遍历先访问左子树，再访问右子树，最后访问根节点，其递归实现：

void BiTree<DataType>::PostOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    if (NULL == bt)
        return ;
    PostOrder(bt->lchild);
    PostOrder(bt->rchild);
    cout << bt->data << ‘ ‘;
}

后序遍历的非递归版本就有点难度了。

对于某个节点，它需要入栈两次，出栈两次：
第一次出栈：只遍历完左子树，右子树尚未遍历，利用栈顶节点找到它的右子树（相当于出栈又进栈），准备遍历它的右子树。
第二次出栈：遍历完右子树，将该节点出栈并访问它。

为区别同一个节点的两次出栈，我们设置标志flag：

flag=1，表示第一次出栈，只遍历完左子树，该节点不能访问；
flag=2，表示第二次出栈，遍历完右子树，该节点能访问；

对于根节点bt，有以下两种情况：

1. bt不为NULL，则bt及标志（置为1）入栈，遍历其左子树；
2. bt为NULL，若栈为空，说明整个遍历结束；若栈不为空，说明栈顶节点的左子树或右子树遍历完毕，此时若栈顶元素flag=1，表明刚遍历完左子树，所以修改flag=2，遍历右子树，若栈顶元素flag=2，表明刚遍历完右子树，输出栈顶元素。

void BiTree<DataType>::PostOrder(BiNode<DataType> *bt)
{
    stack<BiNode<DataType> *> s;
    stack<int> s_flag;
    while (bt || !s.empty())
    {
        while (bt)
        {
            s.push(bt);
            s_flag.push(1);
            bt = bt->lchild;
        }
        while (!s.empty() && 2 == s_flag.top())
        {
            bt = s.top();
            s.pop();
            s_flag.pop();
            cout << bt->data << ‘ ‘;
        }
        if (!s.empty())
        {
            s_flag.pop();
            s_flag.push(2);
            bt = s.top()->rchild;
        }
    }
}

层序遍历

层序遍历是一层一层访问的，一个节点被访问，则在下一层中，其儿子节点将被访问，对于同一层的两个节点A、B，A在B左边，则A的儿子节点先于B的儿子节点被访问。

简而言之，先访问的节点，其左右孩子也要先访问，因此我们可以使用一个队列来维护这个过程：

根节点入队，之后
1. 从队列头取出一个元素进行以下操作：
2. 访问该元素；
3. 若该节点的左右孩子非空，将其左右孩子入队；
4. 回到1，直到队列为空时结束。

void BiTree<DataType>::LevelOrder()
{
    queue<BiNode<DataType> *> q;
    if (root)
        q.push(root);
    while (!q.empty())
    {
        BiNode<DataType> *cur = q.top();
        q.pop();
        cout << cur->data << ‘ ‘;
        if (cur->lchild)
            q.push(cur->lchild);
        if (cur->rchild)
            q.push(cur->rchild);
    }
}

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