C語(yǔ)言二叉樹與堆的概念與實(shí)現(xiàn)
引言—樹的故事
在自然界中有很多樹 它們是這樣的
但是在我們的眼中 他是這樣的
顯而易見 樹的特點(diǎn)就是一對(duì)多 ,我們利用這個(gè)一對(duì)多的特點(diǎn),可以讓我們更好的解決編程中的問題,在樹中 ,最基礎(chǔ)的二叉樹是我們的重點(diǎn)研究對(duì)象。
在看一眼神奇的堆排序的動(dòng)態(tài)圖
做事情,先求對(duì),在求巧,一步一步才可有所成就,所以讓我們從基礎(chǔ)開始吧!
樹的基本性質(zhì)和描述
樹是一個(gè)一對(duì)多的特殊數(shù)據(jù)類型,樹的根在上 葉子在上 。有種一生二,二生三,三生萬(wàn)物的感覺。
樹的基本特點(diǎn)
樹有且只有一個(gè)根,且根沒有后繼結(jié)點(diǎn)。
樹是互不相交的
ps: 圖可知 不構(gòu)成閉合回路則不相交。
每一個(gè)結(jié)點(diǎn)可在分為一個(gè)子樹。
樹的定義是一個(gè)遞歸定義,即樹在定義時(shí)又會(huì)用到樹的概念,他道出了樹的固有特性。
樹的關(guān)鍵字解析
樹有一大段關(guān)鍵字很讓人頭疼
結(jié)點(diǎn)的分類:
ps:
結(jié)點(diǎn)的度: 結(jié)點(diǎn)擁有的子樹數(shù)稱為結(jié)點(diǎn)的度。度為0的點(diǎn)成為葉節(jié)點(diǎn)或終端結(jié)點(diǎn),度不為0的節(jié)點(diǎn)稱為非終端結(jié)點(diǎn)。樹的度是樹內(nèi)各個(gè)結(jié)點(diǎn)的最大值。此圖 D為最大的結(jié)點(diǎn),
結(jié)點(diǎn)的層次:從根開始為第一層,依次遞增
簡(jiǎn)單對(duì)比 樹形結(jié)構(gòu)與線性結(jié)構(gòu):
樹的表示方法
雙親表示法
typedef struct { int data; int parent; // 雙親位置 }PtNode; typedef struct { PtNode nodes[10]; int root ; int n; }PTree;
此圖數(shù)字表示父親的結(jié)點(diǎn)
通過“父親的下標(biāo)”即可找到父親的位置
注:
找雙親時(shí)間復(fù)雜度 O(1);找結(jié)點(diǎn)兒子需要遍歷樹
數(shù)據(jù)的增刪查改。
左孩子右兄弟
typedef struct CSNode { int data; struct CSNode* firstchild, * rightsib; };
左孩子右兄弟的方式就是 多一個(gè)指針 一個(gè)指針指向自己最左側(cè)的孩子 另一個(gè)指針指向自己右側(cè)兄弟
這種表示法是我們常用的表示法。
二叉樹的概念結(jié)構(gòu)
二叉樹
二叉樹是一種特殊的樹,他的特點(diǎn)是一個(gè)根節(jié)點(diǎn)兩個(gè)子節(jié)點(diǎn),這兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)又分別叫做左子樹和右子樹。
注意
二叉樹的度不超過二二叉樹左右子樹不可顛倒二叉樹有且只有一個(gè)子樹時(shí),也需要區(qū)分左右。
特殊二叉樹
滿二叉樹
一個(gè)二叉樹每一層都是滿的,那么這個(gè)二叉樹就是滿二叉樹。如果一個(gè)二叉樹的層數(shù)為k,且結(jié)點(diǎn)總數(shù)是(2^k)-1
完全二叉樹
一個(gè)完全二叉樹的前k層都是滿的第k層可以不滿 ,但是必須連續(xù),及滿足先左后右。
注意
滿二叉樹一定是完全二叉樹,反之就不對(duì)。完全二叉樹一定是先左后右,如下圖則不對(duì)
完全二叉樹葉子的結(jié)點(diǎn)都在最后兩層,左側(cè)集中最后第k層的葉子,右側(cè)集中第k-1層的葉子
二叉樹的性質(zhì)
在二叉樹的第i層上至多有2^(i-1)的結(jié)點(diǎn)i>0
深度為k的二叉樹至多有2^k-1個(gè)結(jié)點(diǎn)
對(duì)任何一個(gè)二叉樹T,如果其終端結(jié)點(diǎn)樹為n0,度為2的結(jié)點(diǎn)樹為n2則no=n2+1;
具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹的深度為log2(n)+1
對(duì)于具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹,如果按照從上至下從左至右的順序從0開始編號(hào),則對(duì)與序號(hào)為i的結(jié)點(diǎn)有:
1. 若i>0,i位置結(jié)點(diǎn)的雙親序號(hào)為(i-1)/2;
2. 若2i+1<n,左孩子序號(hào):2i+1,2i+1>=n則無(wú)左孩子
3. 若2i+2<n,右孩子序號(hào);2i+2,2i+2>=n則無(wú)有孩子
假設(shè)父親的結(jié)點(diǎn)序號(hào)為parent,左孩子為leftchild,右孩子為ringhtchild。 有: leftchild=parent*2+1 rightchild=parent*2+2
e~g
在具有2n個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹中,葉子的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為
解 在完全二叉樹中有且只有3種情況
度為0
度為0,即只有根結(jié)點(diǎn) 葉子的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也為n
有且只有一個(gè)度為1的結(jié)點(diǎn)
設(shè) x等于讀為2的結(jié)點(diǎn)數(shù) ,y等于葉子節(jié)點(diǎn)數(shù) x+y+1=2n 又由葉子數(shù)等于度為2的加1得 y=x+1
得 y=n
沒有度為1的結(jié)點(diǎn)
由圖可知 顯然不能構(gòu)成偶數(shù)個(gè)結(jié)點(diǎn) 故舍棄。
綜上所述:葉子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n
一個(gè)具有完全二叉樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)為531個(gè),那么這棵樹的高度是
解: 直接帶公式得 10;
一個(gè)具有767個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹,其葉子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為。
解 由前面的結(jié)論可知 此二叉樹必定是
所以 設(shè)雙結(jié)點(diǎn)為x 葉子為y y=x+1 且 y+y-1=767 解得 y=384
一顆度為2的樹和二叉樹有什么區(qū)別
解:
度為2的樹是無(wú)序樹 不區(qū)分左右 ,而二叉樹必須先左后右。度為2的樹 一定有一個(gè)結(jié)點(diǎn)度為2,二叉樹可以沒有
證明 一個(gè)滿k叉樹上的葉子結(jié)點(diǎn)數(shù)n0和非葉子結(jié)點(diǎn)數(shù)n1瞞住*n0=(k-1)n1+1
首先,我們知道了滿二叉樹 ,滿k叉樹就是第n層以上的所有個(gè)結(jié)點(diǎn)的度都為k
總分支結(jié)點(diǎn)數(shù)=k倍的n1
總結(jié)點(diǎn)數(shù)=n0+n1
總分支結(jié)點(diǎn)數(shù)+1=總結(jié)點(diǎn)數(shù)
kn1+1=no+n1
二叉樹的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
二叉樹的存儲(chǔ)是按照自上而下,從左往右的排序的
如果將該二叉樹存入數(shù)組中 就會(huì)得到
二叉樹與堆
堆是一種特殊的數(shù),即是完全二叉樹。
觀察這個(gè)樹 他的父結(jié)點(diǎn)都小于子結(jié)點(diǎn),我們稱之為最小堆,反之如果所有的父結(jié)點(diǎn)都比子結(jié)點(diǎn)大,這樣的完全二叉樹就被成為最大堆
注意:
堆是一顆完全二叉樹堆只有大堆和小堆兩種每個(gè)子樹都是堆
堆的實(shí)現(xiàn)
有如下數(shù)組
int arr[] = { 23,2,5,12,7,17,25,19,36,99,22,28,46,92 };
如何將其調(diào)整成最小堆呢?
由圖可知,最小堆的特點(diǎn)就是父親小于兒子 ,而此樹圈起來(lái)的地方兒子大于父親,所以我們需要把最小的兒子換上去。
換下來(lái)后 我們發(fā)現(xiàn)還是不滿足 所以還得交換
畫圈處該二叉樹任然不滿足 只需要在交換一次,便是最小堆了
此時(shí)二叉樹滿足了最小堆。
此過程的算法,我們稱之為向下調(diào)整算法,如果我們將一顆二叉樹分區(qū) 即
向下調(diào)整的本質(zhì)就是先滿足上面的,在滿足下面的
注意:
向下調(diào)整算法,被調(diào)整元素的左右字樹都必須是最小堆。向下調(diào)整算法,調(diào)整到葉子結(jié)點(diǎn)時(shí),即可停止如果小的孩子比父親打,則不需要處理,整個(gè)樹已經(jīng)是最小堆。
附上代碼
#include<stdio.h> void AdjustDown(int a[], int n, int parent) { int child = 2 * parent + 1;//套用公式可得 while (child < n) { if (child+1<n&&a[child] > a[child + 1]) { child++; } if (a[parent] > a[child]) { int tmp = a[child]; a[child] = a[parent]; a[parent] = tmp; parent = child; child = 2 * parent + 1; } else { break; } } } int main() { int arr[14] = { 23,2,5,12,7,17,25,19,36,99,22,28,46,92 }; int n = 14; AdjustDown(arr, n, 0); return 0; }
代碼解讀
那么更一般的情況 左右子樹都不是小堆的情況 ,怎么調(diào)整呢?
我們只需自下而上,由小的堆樹變成大的堆樹
即是 先滿足下面在滿足上面
先滿足下面的堆 在滿足上面 那么 只需要給函數(shù)依次傳進(jìn)去所有的父親結(jié)點(diǎn)即可
#include<stdio.h> void AdjustDown(int a[], int n, int parent) { int child = 2 * parent + 1; while (child < n) { if (child+1<=n && a[child] >a[child + 1]) { child++; } if (a[parent] < a[child]) { int tmp = a[child]; a[child] = a[parent]; a[parent] = tmp; parent = child; child = 2 * parent + 1; } else { break; } } } int main() { int arr[14] = { 23,2,5,12,7,17,25,19,36,99,22,28,46,92 }; int n = 14; int tmp = 0; int i = (n - 1 - 1) / 2; for (i; i >= 0; i--) { AdjustDown(arr, n, i); } return 0; }
堆排序
以升序?yàn)槔?,我們首先會(huì)想到小堆 但是 小堆不適合。我們看
我們知道 堆頂元素一定是最小的 那么我們只需要依次拿走堆頂
當(dāng)我們拿走2 后 7成了堆頂 之后
當(dāng)去掉堆頂后 下一個(gè)元素補(bǔ)上 小堆蕩然無(wú)存,順序全亂了 。所以,小堆不適合排升序。
大堆排升序又該怎么辦呢?
此時(shí) ,我們只需要把10和80互換,不把80考慮在堆內(nèi)
那么代碼實(shí)現(xiàn)又當(dāng)如何呢?
附上整體代碼
#include<stdio.h> void AdjustDown(int a[], int n, int parent) { int child = 2 * parent + 1; while (child < n) { if (child+1<n && a[child] <a[child + 1]) { child++; } if (a[parent] < a[child]) { int tmp = a[child]; a[child] = a[parent]; a[parent] = tmp; parent = child; child = 2 * parent + 1; } else { break; } } } int main() { int arr[14] = { 23,2,5,12,7,17,25,19,36,99,22,28,46,92 }; int n =14 ; int tmp = 0; int i = (n - 1 - 1) / 2; for (i; i >= 0; i--) { AdjustDown(arr, n, i); } int end = n - 1; while (end > 0) { int tmp = arr[0]; arr[0] = arr[end]; arr[end] = tmp; AdjustDown(arr, end, 0); end--; } return 0; }
堆排序是一種高效的排序
堆的總結(jié):
- 物理結(jié)構(gòu)是一個(gè)數(shù)組
- 邏輯結(jié)構(gòu)是完全二叉樹
- 大堆與小堆關(guān)系
- 堆排序
- 插入元素
- 快速找出最大或最小
堆的功能實(shí)現(xiàn)
堆的插入
的插入,要求插入之后還是堆。 這里我們引入堆的向上調(diào)整
那么代碼如何實(shí)現(xiàn)呢? 和向下排序類似
附上代碼
void AdjustUp(int* a, int n, int child) { int parent = (child - 1) / 2; while (child>0) { if (a[parent] < a[child]) { Swap(&a[parent], &a[child]); child = parent; parent = (child - 1) / 2; } else { break; } } }
插入元素后經(jīng)過一次向上排序即可。
也可以使用向下排序 但麻煩許多。
TOPK問題
TopK問題的本質(zhì)就是取小堆取頂操作 建堆 ,然后取頂,甚至你可以說(shuō)就是一個(gè)排順序。把前四個(gè)放進(jìn)別的數(shù)組。但是排序就意味著時(shí)間復(fù)雜度的加重 , 請(qǐng)讀者使用建堆知識(shí),取堆頂數(shù)據(jù)的方式,拿到最小數(shù)據(jù), 這里給出題目和答案
* Note: The returned array must be malloced, assume caller calls free(). */ /* 交換 */ void swap(int* a, int* b) { int tmp = *a; *a = *b; *b = tmp; } /* 從堆下層向上交換元素,使得堆為大根堆 */ void swim(int* nums, int k) { while (k > 1 && nums[k] > nums[k / 2]) { swap(&nums[k], &nums[k / 2]); k /= 2; } } /* 從堆上層向下層交換元素,使得堆為大根堆 */ void sink(int* nums, int k, int numsSize) { while (2 * k < numsSize) { int child = 2 * k; if (child < numsSize && nums[child] < nums[child + 1]) { child++; } if (nums[k] > nums[child]) { break; } swap(&nums[k], &nums[child]); k = child; } } /* 定義堆的結(jié)構(gòu)體 */ typedef struct Heap { int* data; int szie; int capacity; }T_Heap, *PT_Heap; /* 初始化一個(gè)堆 */ PT_Heap createHeap(int k) { PT_Heap obj = (PT_Heap)malloc(sizeof(T_Heap)); obj->data = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1)); obj->szie = 0; obj->capacity = k + 1; return obj; } /* 判斷堆是否為空 */ bool isEmpty(PT_Heap obj) { return obj->szie == 0; } /* 獲得堆的當(dāng)前大小 */ int getHeapSize(PT_Heap obj) { return obj->szie; } /* 將元素入堆 */ void pushHeap(PT_Heap obj, int elem) { /* 新加入的元素放入堆的最后 */ obj->data[++obj->szie] = elem; /* 對(duì)當(dāng)前堆進(jìn)行排序,使其成為一個(gè)大根堆 */ swim(obj->data, obj->szie); } /* 獲得堆頂元素 */ int getHeapTop(PT_Heap obj) { return obj->data[1]; } /* 將堆頂元素出堆 */ int popHeap(PT_Heap obj) { /* 保存堆頂元素 */ int top = obj->data[1]; /* 將堆頂元素和堆底元素交換,同時(shí)堆長(zhǎng)度減一 */ swap(&obj->data[1], &obj->data[obj->szie--]); /* 將原先的堆底元素賦值為INT_MIN */ obj->data[obj->szie + 1] = INT_MIN; /* 從堆頂開始重新堆化 */ sink(obj->data, 1, obj->szie); return top; } int* getLeastNumbers(int* arr, int arrSize, int k, int* returnSize){ /* 若數(shù)組為空、或k為0,返回NULL */ if (arrSize == 0 || k == 0) { *returnSize = 0; return NULL; } else { *returnSize = k; } /* 返回?cái)?shù)組長(zhǎng)度為k */ int* ret = (int*)calloc(k, sizeof(int)); /* 初始化一個(gè)大小為k的堆 */ PT_Heap heap = createHeap(k); /* 將輸入數(shù)組前k個(gè)元素堆化 */ for (int i = 0; i < k; i++) { pushHeap(heap, arr[i]); } /* 將輸入數(shù)組剩下的元素依次插入堆,得出最小的k個(gè)數(shù) */ for (int i = k; i < arrSize; i++) { if (arr[i] < getHeapTop(heap)) { popHeap(heap); pushHeap(heap, arr[i]); } } /* 將堆中元素傳入返回?cái)?shù)組 */ for (int i = 0; i < k; i++) { ret[i] = popHeap(heap); } return ret; }
二叉樹的結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)
二叉樹的遍歷
1、先序遍歷
若二叉樹為空,則空操作;否則
訪問根節(jié)點(diǎn);
先序遍歷左子樹
先序遍歷右子樹;
2、中序遍歷
若二叉樹為空,則空操作;否則
中序遍歷左子樹
訪問根節(jié)點(diǎn);
中序遍歷右子樹;
3、后序遍歷
后序遍歷左子樹
后序遍歷右子樹;
訪問根節(jié)點(diǎn);
代碼實(shí)現(xiàn)
void PrevOrder(BTNode* root) { if (root == NULL) { printf(" NULL "); return; } printf(" %c ", root->data); PrevOrder(root->left); PrevOrder(root->right); } void InOrder(BTNode* root) { if (root == NULL) { printf("NULL"); return; } InOrder(root->left); printf(" %c ", root->data); InOrder(root->right); } void PostOrder(BTNode* root) { const BTNode* a = root; if (root == NULL) { printf(" NULL "); return; } PostOrder(root->left); PostOrder(root->right); printf(" %c ", root->data); }
程序?qū)崿F(xiàn)方法 以及遞歸小技巧 遞歸先確定你要遞歸的函數(shù)的功能 比如:他返回什么,他傳入什么,他干了什么分情況討論 盡可能分清楚。設(shè)計(jì)好函數(shù)出口
以本題為例
只要這三行代碼 順序變化 那么遍歷方式也變化,這是為什么呢。
首先 函數(shù)的出口為root為空 而PostOrder(root->left);
則是一直往左子樹方向走,走到什么時(shí)候進(jìn)行下一句呢? 走到底,走到底之后 就如圖
此時(shí)根據(jù)函數(shù)出口,return ;
回回到上一層 如圖
此時(shí)進(jìn)入 PostOrder(root->right);
如圖
此時(shí)又滿足了 函數(shù)出口 返回上一層 回到 19 往下走 打印 如此往復(fù) 我們得出結(jié)論,遍歷只需要換即可。
總結(jié)
到此這篇關(guān)于C語(yǔ)言二叉樹與堆的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語(yǔ)言二叉樹與堆內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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