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【数据结构】之二叉树的java实现

2015-12-31 22:33 465 查看


二叉树的定义:

二叉树是树形结构的一个重要类型。许多实际问题抽象出来的数据结构往往是二叉树的形式,即使是一般的树也能简单地转换为二叉树,而且二叉树的存储结构及其算法都较为简单,因此二叉树显得特别重要。

    二叉树(BinaryTree)是n(n≥0)个结点的有限集,它或者是空集(n=0),或者由一个根结点及两棵互不相交的、分别称作这个根的左子树和右子树的二叉树组成。

    这个定义是递归的。由于左、右子树也是二叉树, 因此子树也可为空树。下图中展现了五种不同基本形态的二叉树。

 



 

    其中 (a) 为空树, (b) 为仅有一个结点的二叉树, (c) 是仅有左子树而右子树为空的二叉树, (d) 是仅有右子树而左子树为空的二叉树, (e) 是左、右子树均非空的二叉树。这里应特别注意的是,二叉树的左子树和右子树是严格区分并且不能随意颠倒的,图 (c) 与图 (d) 就是两棵不同的二叉树。

二叉树的遍历

对于二叉树来讲最主要、最基本的运算是遍历。

    遍历二叉树 是指以一定的次序访问二叉树中的每个结点。所谓 访问结点 是指对结点进行各种操作的简称。例如,查询结点数据域的内容,或输出它的值,或找出结点位置,或是执行对结点的其他操作。遍历二叉树的过程实质是把二叉树的结点进行线性排列的过程。假设遍历二叉树时访问结点的操作就是输出结点数据域的值,那么遍历的结果得到一个线性序列。

从二叉树的递归定义可知,一棵非空的二叉树由根结点及左、右子树这三个基本部分组成。因此,在任一给定结点上,可以按某种次序执行三个操作:

     (1)访问结点本身(N),

     (2)遍历该结点的左子树(L),

     (3)遍历该结点的右子树(R)。

以上三种操作有六种执行次序:

     NLR、LNR、LRN、NRL、RNL、RLN。
注意:

    前三种次序与后三种次序对称,故只讨论先左后右的前三种次序。

  由于被访问的结点必是某子树的根,所以N(Node)、L(Left subtlee)和R(Right subtree)又可解释为根、根的左子树和根的右子树。NLR、LNR和LRN分别又称为先根遍历、中根遍历和后根遍历。

二叉树的java实现

首先创建一棵二叉树如下图,然后对这颗二叉树进行遍历操作(遍历操作的实现分为递归实现和非递归实现),同时还提供一些方法如获取双亲结点、获取左孩子、右孩子等。



java实现代码:

[java]
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package study_02.datastructure.tree;  
  
import java.util.Stack;  
  
/** 
 * 二叉树的链式存储 
 * @author WWX 
 */  
public class BinaryTree {  
  
      
    private TreeNode root=null;  
      
    public BinaryTree(){  
        root=new TreeNode(1,"rootNode(A)");  
    }  
      
    /** 
     * 创建一棵二叉树 
     * <pre> 
     *           A 
     *     B          C 
     *  D     E            F 
     *  </pre> 
     * @param root 
     * @author WWX 
     */  
    public void createBinTree(TreeNode root){  
        TreeNode newNodeB = new TreeNode(2,"B");  
        TreeNode newNodeC = new TreeNode(3,"C");  
        TreeNode newNodeD = new TreeNode(4,"D");  
        TreeNode newNodeE = new TreeNode(5,"E");  
        TreeNode newNodeF = new TreeNode(6,"F");  
        root.leftChild=newNodeB;  
        root.rightChild=newNodeC;  
        root.leftChild.leftChild=newNodeD;  
        root.leftChild.rightChild=newNodeE;  
        root.rightChild.rightChild=newNodeF;  
    }  
      
      
    public boolean isEmpty(){  
        return root==null;  
    }  
  
    //树的高度  
    public int height(){  
        return height(root);  
    }  
      
    //节点个数  
    public int size(){  
        return size(root);  
    }  
      
      
    private int height(TreeNode subTree){  
        if(subTree==null)  
            return 0;//递归结束:空树高度为0  
        else{  
            int i=height(subTree.leftChild);  
            int j=height(subTree.rightChild);  
            return (i<j)?(j+1):(i+1);  
        }  
    }  
      
    private int size(TreeNode subTree){  
        if(subTree==null){  
            return 0;  
        }else{  
            return 1+size(subTree.leftChild)  
                    +size(subTree.rightChild);  
        }  
    }  
      
    //返回双亲结点  
    public TreeNode parent(TreeNode element){  
        return (root==null|| root==element)?null:parent(root, element);  
    }  
      
    public TreeNode parent(TreeNode subTree,TreeNode element){  
        if(subTree==null)  
            return null;  
        if(subTree.leftChild==element||subTree.rightChild==element)  
            //返回父结点地址  
            return subTree;  
        TreeNode p;  
        //现在左子树中找,如果左子树中没有找到,才到右子树去找  
        if((p=parent(subTree.leftChild, element))!=null)  
            //递归在左子树中搜索  
            return p;  
        else  
            //递归在右子树中搜索  
            return parent(subTree.rightChild, element);  
    }  
      
    public TreeNode getLeftChildNode(TreeNode element){  
        return (element!=null)?element.leftChild:null;  
    }  
      
    public TreeNode getRightChildNode(TreeNode element){  
        return (element!=null)?element.rightChild:null;  
    }  
      
    public TreeNode getRoot(){  
        return root;  
    }  
      
    //在释放某个结点时,该结点的左右子树都已经释放,  
    //所以应该采用后续遍历,当访问某个结点时将该结点的存储空间释放  
    public void destroy(TreeNode subTree){  
        //删除根为subTree的子树  
        if(subTree!=null){  
            //删除左子树  
            destroy(subTree.leftChild);  
            //删除右子树  
            destroy(subTree.rightChild);  
            //删除根结点  
            subTree=null;  
        }  
    }  
      
    public void traverse(TreeNode subTree){  
        System.out.println("key:"+subTree.key+"--name:"+subTree.data);;  
        traverse(subTree.leftChild);  
        traverse(subTree.rightChild);  
    }  
      
    //前序遍历  
    public void preOrder(TreeNode subTree){  
        if(subTree!=null){  
            visted(subTree);  
            preOrder(subTree.leftChild);  
            preOrder(subTree.rightChild);  
        }  
    }  
      
    //中序遍历  
    public void inOrder(TreeNode subTree){  
        if(subTree!=null){  
            inOrder(subTree.leftChild);  
            visted(subTree);  
            inOrder(subTree.rightChild);  
        }  
    }  
      
    //后续遍历  
    public void postOrder(TreeNode subTree) {  
        if (subTree != null) {  
            postOrder(subTree.leftChild);  
            postOrder(subTree.rightChild);  
            visted(subTree);  
        }  
    }  
      
    //前序遍历的非递归实现  
    public void nonRecPreOrder(TreeNode p){  
        Stack<TreeNode> stack=new Stack<TreeNode>();  
        TreeNode node=p;  
        while(node!=null||stack.size()>0){  
            while(node!=null){  
                visted(node);  
                stack.push(node);  
                node=node.leftChild;  
            }  
            <span abp="507" style="font-size:14px;">while</span>(stack.size()>0){  
                node=stack.pop();  
                node=node.rightChild;  
            }   
        }  
    }  
      
    //中序遍历的非递归实现  
    public void nonRecInOrder(TreeNode p){  
        Stack<TreeNode> stack =new Stack<BinaryTree.TreeNode>();  
        TreeNode node =p;  
        while(node!=null||stack.size()>0){  
            //存在左子树  
            while(node!=null){  
                stack.push(node);  
                node=node.leftChild;  
            }  
            //栈非空  
            if(stack.size()>0){  
                node=stack.pop();  
                visted(node);  
                node=node.rightChild;  
            }  
        }  
    }  
      
    //后序遍历的非递归实现  
    public void noRecPostOrder(TreeNode p){  
        Stack<TreeNode> stack=new Stack<BinaryTree.TreeNode>();  
        TreeNode node =p;  
        while(p!=null){  
            //左子树入栈  
            for(;p.leftChild!=null;p=p.leftChild){  
                stack.push(p);  
            }  
            //当前结点无右子树或右子树已经输出  
            while(p!=null&&(p.rightChild==null||p.rightChild==node)){  
                visted(p);  
                //纪录上一个已输出结点  
                node =p;  
                if(stack.empty())  
                    return;  
                p=stack.pop();  
            }  
            //处理右子树  
            stack.push(p);  
            p=p.rightChild;  
        }  
    }  
    public void visted(TreeNode subTree){  
        subTree.isVisted=true;  
        System.out.println("key:"+subTree.key+"--name:"+subTree.data);;  
    }  
      
      
    /** 
     * 二叉树的节点数据结构 
     * @author WWX 
     */  
    private class  TreeNode{  
        private int key=0;  
        private String data=null;  
        private boolean isVisted=false;  
        private TreeNode leftChild=null;  
        private TreeNode rightChild=null;  
          
        public TreeNode(){}  
          
        /** 
         * @param key  层序编码 
         * @param data 数据域 
         */  
        public TreeNode(int key,String data){  
            this.key=key;  
            this.data=data;  
            this.leftChild=null;  
            this.rightChild=null;  
        }  
  
  
    }  
      
      
    //测试  
    public static void main(String[] args) {  
        BinaryTree bt = new BinaryTree();  
        bt.createBinTree(bt.root);  
        System.out.println("the size of the tree is " + bt.size());  
        System.out.println("the height of the tree is " + bt.height());  
          
        System.out.println("*******(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************");  
        bt.preOrder(bt.root);  
          
        System.out.println("*******(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************");  
        bt.inOrder(bt.root);  
         
        System.out.println("*******(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************");  
        bt.postOrder(bt.root);  
          
        System.out.println("***非递归实现****(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************");  
        bt.nonRecPreOrder(bt.root);  
          
        System.out.println("***非递归实现****(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************");  
        bt.nonRecInOrder(bt.root);  
          
        System.out.println("***非递归实现****(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************");  
        bt.noRecPostOrder(bt.root);  
    }  
}  
</span>  

package study_02.datastructure.tree;

import java.util.Stack;

/**
* 二叉树的链式存储
* @author WWX
*/
public class BinaryTree {

private TreeNode root=null;

public BinaryTree(){
root=new TreeNode(1,"rootNode(A)");
}

/**
* 创建一棵二叉树
* <pre>
*           A
*     B          C
*  D     E            F
*  </pre>
* @param root
* @author WWX
*/
public void createBinTree(TreeNode root){
TreeNode newNodeB = new TreeNode(2,"B");
TreeNode newNodeC = new TreeNode(3,"C");
TreeNode newNodeD = new TreeNode(4,"D");
TreeNode newNodeE = new TreeNode(5,"E");
TreeNode newNodeF = new TreeNode(6,"F");
root.leftChild=newNodeB;
root.rightChild=newNodeC;
root.leftChild.leftChild=newNodeD;
root.leftChild.rightChild=newNodeE;
root.rightChild.rightChild=newNodeF;
}

public boolean isEmpty(){
return root==null;
}

//树的高度
public int height(){
return height(root);
}

//节点个数
public int size(){
return size(root);
}

private int height(TreeNode subTree){
if(subTree==null)
return 0;//递归结束:空树高度为0
else{
int i=height(subTree.leftChild);
int j=height(subTree.rightChild);
return (i<j)?(j+1):(i+1);
}
}

private int size(TreeNode subTree){
if(subTree==null){
return 0;
}else{
return 1+size(subTree.leftChild)
+size(subTree.rightChild);
}
}

//返回双亲结点
public TreeNode parent(TreeNode element){
return (root==null|| root==element)?null:parent(root, element);
}

public TreeNode parent(TreeNode subTree,TreeNode element){
if(subTree==null)
return null;
if(subTree.leftChild==element||subTree.rightChild==element)
//返回父结点地址
return subTree;
TreeNode p;
//现在左子树中找,如果左子树中没有找到,才到右子树去找
if((p=parent(subTree.leftChild, element))!=null)
//递归在左子树中搜索
return p;
else
//递归在右子树中搜索
return parent(subTree.rightChild, element);
}

public TreeNode getLeftChildNode(TreeNode element){
return (element!=null)?element.leftChild:null;
}

public TreeNode getRightChildNode(TreeNode element){
return (element!=null)?element.rightChild:null;
}

public TreeNode getRoot(){
return root;
}

//在释放某个结点时,该结点的左右子树都已经释放,
//所以应该采用后续遍历,当访问某个结点时将该结点的存储空间释放
public void destroy(TreeNode subTree){
//删除根为subTree的子树
if(subTree!=null){
//删除左子树
destroy(subTree.leftChild);
//删除右子树
destroy(subTree.rightChild);
//删除根结点
subTree=null;
}
}

public void traverse(TreeNode subTree){
System.out.println("key:"+subTree.key+"--name:"+subTree.data);;
traverse(subTree.leftChild);
traverse(subTree.rightChild);
}

//前序遍历
public void preOrder(TreeNode subTree){
if(subTree!=null){
visted(subTree);
preOrder(subTree.leftChild);
preOrder(subTree.rightChild);
}
}

//中序遍历
public void inOrder(TreeNode subTree){
if(subTree!=null){
inOrder(subTree.leftChild);
visted(subTree);
inOrder(subTree.rightChild);
}
}

//后续遍历
public void postOrder(TreeNode subTree) {
if (subTree != null) {
postOrder(subTree.leftChild);
postOrder(subTree.rightChild);
visted(subTree);
}
}

//前序遍历的非递归实现
public void nonRecPreOrder(TreeNode p){
Stack<TreeNode> stack=new Stack<TreeNode>();
TreeNode node=p;
while(node!=null||stack.size()>0){
while(node!=null){
visted(node);
stack.push(node);
node=node.leftChild;
}
<span abp="507" style="font-size:14px;">while</span>(stack.size()>0){
node=stack.pop();
node=node.rightChild;
}
}
}

//中序遍历的非递归实现
public void nonRecInOrder(TreeNode p){
Stack<TreeNode> stack =new Stack<BinaryTree.TreeNode>();
TreeNode node =p;
while(node!=null||stack.size()>0){
//存在左子树
while(node!=null){
stack.push(node);
node=node.leftChild;
}
//栈非空
if(stack.size()>0){
node=stack.pop();
visted(node);
node=node.rightChild;
}
}
}

//后序遍历的非递归实现
public void noRecPostOrder(TreeNode p){
Stack<TreeNode> stack=new Stack<BinaryTree.TreeNode>();
TreeNode node =p;
while(p!=null){
//左子树入栈
for(;p.leftChild!=null;p=p.leftChild){
stack.push(p);
}
//当前结点无右子树或右子树已经输出
while(p!=null&&(p.rightChild==null||p.rightChild==node)){
visted(p);
//纪录上一个已输出结点
node =p;
if(stack.empty())
return;
p=stack.pop();
}
//处理右子树
stack.push(p);
p=p.rightChild;
}
}
public void visted(TreeNode subTree){
subTree.isVisted=true;
System.out.println("key:"+subTree.key+"--name:"+subTree.data);;
}

/**
* 二叉树的节点数据结构
* @author WWX
*/
private class  TreeNode{
private int key=0;
private String data=null;
private boolean isVisted=false;
private TreeNode leftChild=null;
private TreeNode rightChild=null;

public TreeNode(){}

/**
* @param key  层序编码
* @param data 数据域
*/
public TreeNode(int key,String data){
this.key=key;
this.data=data;
this.leftChild=null;
this.rightChild=null;
}

}

//测试
public static void main(String[] args) {
BinaryTree bt = new BinaryTree();
bt.createBinTree(bt.root);
System.out.println("the size of the tree is " + bt.size());
System.out.println("the height of the tree is " + bt.height());

System.out.println("*******(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************");
bt.preOrder(bt.root);

System.out.println("*******(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************");
bt.inOrder(bt.root);

System.out.println("*******(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************");
bt.postOrder(bt.root);

System.out.println("***非递归实现****(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************");
bt.nonRecPreOrder(bt.root);

System.out.println("***非递归实现****(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************");
bt.nonRecInOrder(bt.root);

System.out.println("***非递归实现****(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************");
bt.noRecPostOrder(bt.root);
}
}
</span>

 

输出结果

the size of the tree is 6

the height of the tree is 3

*******(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************

key:1--name:rootNode(A)

key:2--name:B

key:4--name:D

key:5--name:E

key:3--name:C

key:6--name:F

*******(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************

key:4--name:D

key:2--name:B

key:5--name:E

key:1--name:rootNode(A)

key:3--name:C

key:6--name:F

*******(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************

key:4--name:D

key:5--name:E

key:2--name:B

key:6--name:F

key:3--name:C

key:1--name:rootNode(A)

***非递归实现****(前序遍历)[ABDECF]遍历*****************

key:1--name:rootNode(A)

key:2--name:B

key:4--name:D

key:5--name:E

key:3--name:C

key:6--name:F

***非递归实现****(中序遍历)[DBEACF]遍历*****************

key:4--name:D

key:2--name:B

key:5--name:E

key:1--name:rootNode(A)

key:3--name:C

key:6--name:F

***非递归实现****(后序遍历)[DEBFCA]遍历*****************

key:4--name:D

key:5--name:E

key:2--name:B

key:6--name:F

key:3--name:C

key:1--name:rootNode(A)
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