二叉平衡树的插入和删除操作
1. 二叉平衡树
二叉排序树查找、插入和删除操作的时间复杂度和树的深度n有关。构建树时，当先后插入的结点按关键字有序时，二叉排序树退化为单枝树，平均查找长度为(n+1)/2，查找效率比较低。提高查找效率，关键在于最大限度地降低树的深度n。因此需要在构建二叉排序树的过程中进行“平衡化”处理，使之成为二叉平衡树。
二叉平衡树，又称AVL树。它或者是一棵空树，或者是具有下列性质的树：
1) 具备二叉排序树的所有性质；
2) 左子树和右子树深度差的绝对值不超过1；
3) 左子树和右子树都是二叉平衡树。
二叉平衡树结点的平衡因子定义为左子树与右子树的深度之差。二叉平衡树结点的平衡因子只可能取-1，0，1三个值。含有n个结点的二叉平衡树的深度与logn同数量级，平均查找长度也和logn同数量级。
二叉平衡树采用二叉链表的结构进行存储。结构体中增加结点的高度，用以计算结点的平衡因子。结点高度定义：空结点的高度为0；非空结点的高度为以该结点为根结点的树的高度。
二叉链表：
/*
* 二叉树的二叉链表存储结构。
* 额外添加树的高度，以判断结点的平衡度。
*/
typedef int TElemType;
typedef struct BiNode
{
TElemType data;
struct BiNode *lchild;
struct BiNode *rchild;
int height;
}BiNode, *BiTree;
结点高度：
/*
* 当T=NULL ,即树为空树时，无法通过T->height获取树的高度0，所以要额外编写该函数。
*/
int GetHeight(BiTree T)
{
if (T)
return T->height;
return 0;
}
2. 处理失衡的四种旋转方式
如何在插入结点的时候进行“平衡化”处理？当在树中插入一个结点时，检查树是否因插入操作而失衡，若失衡，则找出其中的最小不平衡二叉树，对最小不平衡二叉树进行调整，以达到新的平衡。最小不平衡二叉树定义为以离插入结点最近，且平衡因子绝对值大于1的结点作为根结点的树。
对最小不平衡树进行调整的操作是旋转，共有4种旋转方式LL型，LR型，RL型，RR型，分别介绍如下：
1) LL型(单次右旋)
当根结点左子树的左子树中的节点导致根结点的平衡因子为2时，采用LL型旋转进行调整。图示为两种需进行单次右旋的不平衡树。
LL型旋转即单次右旋，是将根结点的左孩子作为新的根结点，根结点左孩子的右子树作为老根结点的左子树。图示如下：
注意：旋转之后，整个树中只有结点k1,k2的高度发生变化，而x,y,z三棵子树中所有结点的高度均未发生变化。
代码：
/*
* 当T的左子树的左子树上的节点使得T的平衡度为2时，以T为中心进行右旋。
*/
bool LLRotate(BiTree *T)
{
BiTree lc;
lc = (*T)->lchild;
(*T)->lchild = lc->rchild;
lc->rchild = (*T);
//注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
lc->height = max(GetHeight(lc->lchild), GetHeight(lc->rchild)) + 1;
*T = lc;
return true;
}
2) RR型(单次左旋)
当根结点右子树的右子树中的节点导致根结点的平衡因子为-2时，采用RR型旋转进行调整。图示为两种需进行单次左旋的不平衡树。RR型旋转与LL型旋转相对称。
RR型旋转即单次左旋，是将根结点的右孩子作为新的根结点，根结点右孩子的左子树作为老根结点的右子树。图示如下：
注意：旋转之后，整个树中只有结点k1,k2的高度发生变化，而x,y,z三棵子树中所有结点的高度均未发生变化。
代码：
/*
* 当T的右子树的右子树上的节点使得T的平衡度为-2时，以T为中心进行左旋。
*/
bool RRRotate(BiTree *T)
{
BiTree rc;
rc = (*T)->rchild;
(*T)->rchild = rc->lchild;
rc->lchild = (*T);
//注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
rc->height = max(GetHeight(rc->lchild), GetHeight(rc->rchild)) + 1;
*T = rc;
return true;
}
3) LR型(先单次左旋，再单次右旋)
当根结点左子树的右子树中的节点导致根结点的平衡因子为2时，采用LR型旋转进行调整。图示为两种需进行LR型旋转的不平衡树。
LR型旋转是先以根结点的左孩子为中心进行单次左旋，再以根结点为中心进行单次右旋。图示如下：
代码：
/*
* 当T的左子树的右子树上的节点使得T的平衡度为2时，
* 先以T的左子树为中心进行左旋，再以T为中心进行右旋。
*/
bool LRRotate(BiTree *T)
{
RRRotate(&((*T)->lchild));
LLRotate(T);
return true;
}
4) RL型(先单次右旋，再单次左旋)
当根结点右子树的左子树中的节点导致根结点的平衡因子为-2时，采用RL型旋转进行调整。图示为两种需进行RL型旋转的不平衡树。RL型旋转与LR型旋转相对应。
RL型旋转是先以根结点的右孩子为中心进行单次右旋，再以根结点为中心进行单次左旋。图示如下：
代码：
/*
* 当T的右子树的左子树上的节点使得T的平衡度为-2时，
* 先以T的右子树为中心进行右旋，再以T为中心进行左旋。
*/
bool RLRotate(BiTree *T)
{
LLRotate(&((*T)->rchild));
RRRotate(T);
return true;
}
3. 插入操作
插入操作的代码如下。
/*
* 插入操作。
* 如果以*T为根结点的二叉平衡树中已有结点key，插入失败，函数返回FALSE；
* 否则将结点key插入到树中，插入结点后的树仍然为二叉平衡树，函数返回TRUE。
*/
bool AVLInsert(BiTree *T, TElemType key)
{
BiTree t;
//如果当前查找的根结点为空树，表明查无此结点，故插入结点。
if (!*T)
{
t = (BiTree)malloc(sizeof(BiNode));
t->data = key;
t->height = 1;
t->lchild = NULL;
t->rchild = NULL;
*T = t;
return true;
}
//已有此结点，不再插入。
else if (key == (*T)->data)
{
return false;
}
//在左子树中递归插入。
else if (key < (*T)->data)
{
if (!AVLInsert(&((*T)->lchild), key))
return false;
else
{
//插入成功，修改树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
//已在*T的左子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。
if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))
{
//在左子树的左子树中插入结点。
if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild))
{
LLRotate(T);
}
//在左子树的右子树中插入结点。
else
{
LRRotate(T);
}
}
return true;
}
}
//在右子树中递归插入。
else // (key > (*T)->data)
{
if (!AVLInsert(&(*T)->rchild, key))
return false;
else
{
//插入成功，修改树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
//已在*T的右子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。
if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))
{
//在右子树的左子树中插入结点。
if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild))
{
RLRotate(T);
}
//在右子树的右子树中插入结点。
else
{
RRRotate(T);
}
}
return true;
}
}
}
以下图为例进行两个关键点的说明：进行旋转的树为最小不平衡二叉树；插入结点之后父结点高度的递归修正。
假如要在图一二叉平衡树中插入结点1，
函数调用步骤：
|
1 |
调用函数AVLInsert(&9,1)(为表述方便，以&9代表指向结点9的指针)； |
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2 |
由于1<9，继续调用AVLInsert(&7,1)； |
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3 |
由于1<7，继续调用AVLInsert(&3,1)； |
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4 |
由于1<3，继续调用AVLInsert(&2,1)； |
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5 |
由于2<1，继续调用AVLInsert(NULL,1)，此时由于*T为空树，增加结点1，并把结点1的高度设置为1，左右孩子分别为空树，如图二所示。函数返回TRUE； |
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6 |
AVLInsert(NULL,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&2,1)，因插入成功，所以更新结点2的高度为max(1,0)+1=2，结点2的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE； |
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7 |
AVLInsert(&2,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&3,1)，因插入成功，所以更新结点3的高度为max(2,1)+1=3，结点3的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE； |
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8 |
AVLInsert(&3,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&7,1)，因插入成功，所以更新结点7的高度为max(3,1)+1=4，结点7的平衡因子为2，进行旋转操作，旋转之后，更新结点3的高度为2，结点7的高度为2，如图三所示。函数返回TRUE； |
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9 |
AVLInsert(&7,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&9,1)，因插入成功，所以更新结点9的高度为max(2,1)+1=4，结点9的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE，插入过程结束。 |
插入的结点一定为叶子结点，插入结点之后依次进行递归调用的返回操作，在返回之后，修正父结点的高度(2->3->7->9)，之后判断父结点的平衡因子，当平衡因子超范围(结点7)时，以该结点为根结点的树为最小不平衡二叉树，此时进行旋转操作。当AVLInsert(&7,1)函数返回之后，以结点7的父结点9为根结点的树将不再需要进行旋转操作。因此每次通过函数AVLInsert()插入一个结点时，旋转操作只在最小不平衡二叉树中进行一次。已插入结点的父结点的高度是在递归过程中依次进行修正的。
4. 删除操作
删除操作的代码如下。
/*
* 删除操作。
* 如果以*T为根结点的树中存在结点key，将结点删除，函数返回TRUE，
* 否则删除失败，函数返回FALSE。
*/
bool AVLDelete(BiTree *T, TElemType key)
{
BiTree pre, post;
//没有找到该结点。
if (!*T)
return false;
//找到结点，将它删除。
else if (key == (*T)->data)
{
//待删除节点为叶子结点。
if (!(*T)->lchild && !(*T)->rchild)
*T = NULL;
//待删除结点只有右孩子。
else if (!(*T)->lchild)
*T = (*T)->rchild;
//待删除结点只有左孩子。
else if (!(*T)->rchild)
*T = (*T)->lchild;
//待删除结点既有左孩子，又有右孩子。
else
{
//当待删除结点*T左子树的高度大于右子树的高度时，用*T的前驱结点pre代替*T，
//再将结点pre从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。
if (GetHeight((*T)->lchild) > GetHeight((*T)->rchild))
{
//寻找前驱结点pre。
pre = (*T)->lchild;
while (pre->rchild)
{
pre = pre->rchild;
}
//用pre替换*T。
(*T)->data = pre->data;
//删除节点pre。
//虽然能够确定pre所属最小子树的根结点为&pre，
//但是不采用AVLDelete(&pre,pre->data)删除pre，目的是方便递归更改节点的高度。
AVLDelete(&((*T)->lchild), pre->data);
}
//当待删除结点*T左子树的高度小于或者等于右子树的高度时，用*T的后继结点post代替*T，
//再将结点post从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。
else
{
//寻找后继节点post。
post = (*T)->rchild;
while (post->lchild)
post = post->lchild;
//用post替换*T。
(*T)->data = post->data;
//删除节点post。
//虽然能够确定post所属最小子树的根结点为&post，
//但是不采用AVLDelete(&post,post->data)删除post，目的是方便递归更改节点的高度。
AVLDelete(&((*T)->rchild), post->data);
}
}
return true;
}
//在左子树中递归删除。
else if (key < (*T)->data)
{
if (!AVLDelete(&((*T)->lchild), key))
return false;
else
{
//删除成功，修改树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
//已在*T的左子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。
if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))
{
if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild))
{
RLRotate(T);
}
else
{
RRRotate(T);
}
}
return true;
}
}
//在右子树中递归删除。
else
{
if (!AVLDelete(&((*T)->rchild), key))
return false;
else
{
//删除成功，修改树的高度。
(*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;
//已在*T的右子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。
if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))
{
if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild))
{
LLRotate(T);
}
else
{
LRRotate(T);
}
}
return true;
}
}
}
关键点：
1. 当待删除结点*T既有左子树又有右子树且左子树高度大于右子树高度时，用结点*T的前驱结点pre替换*T，之后再删除前驱结点pre；当右子树高度大于左子树高度时，用结点*T的后继节点post替换结点*T，之后再删除后继结点post。这样可以保证在删除操作之后，树在不进行旋转操作的情况下仍为二叉平衡树。
2. 在删除前驱结点pre和后继结点post时，使用AVLDelete(&((*T)->lchild), pre->data)和AVLDelete(&((*T)->rchild), post->data)。这样可以保证被删除结点pre和post的父节点直至根结点的结点高度都会被递归修正一次。结点高度的递归修正同插入操作。
5. 时间复杂度
在平衡树上进行查找的过程和排序树相同，因此在查找过程中和给定值进行比较的关键字个数不超过树的深度。假设F(N)表示N层平衡二叉树的最少结点个数，则F[1]=1，F[2]=2，F(N)=F(N-2)+F(N-1)+1。在平衡树上进行查找的时间复杂度为O(logn)。
6. 完整源代码
#ifndef AVL_H #define AVL_H #include <stdio.h> #include <stdlib.h> //内含max(a,b)宏，故不需自己编写。 #include <stdbool.h> /* * 二叉树的二叉链表存储结构。 * 额外添加树的高度，以判断结点的平衡度。 */ typedef int TElemType; typedef struct BiNode { TElemType data; struct BiNode *lchild; struct BiNode *rchild; int height; }BiNode, *BiTree; //函数声明 bool AVLInsert(BiTree *T, TElemType key); bool AVLDelete(BiTree *T, TElemType key); bool LLRotate(BiTree *T); bool LRRotate(BiTree *T); bool RLRotate(BiTree *T); bool RRRotate(BiTree *T); int GetHeight(BiTree T); #endif
/* * 实现二叉平衡树的插入、删除操作 */ #include "AVL.h" /* * 插入操作。 * 如果以*T为根结点的二叉平衡树中已有结点key，插入失败，函数返回FALSE； * 否则将结点key插入到树中，插入结点后的树仍然为二叉平衡树，函数返回TRUE。 */ bool AVLInsert(BiTree *T, TElemType key) { BiTree t; //如果当前查找的根结点为空树，表明查无此结点，故插入结点。 if (!*T) { t = (BiTree)malloc(sizeof(BiNode)); t->data = key; t->height = 1; t->lchild = NULL; t->rchild = NULL; *T = t; return true; } //已有此结点，不再插入。 else if (key == (*T)->data) { return false; } //在左子树中递归插入。 else if (key < (*T)->data) { if (!AVLInsert(&((*T)->lchild), key)) return false; else { //插入成功，修改树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; //已在*T的左子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。 if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild)) { //在左子树的左子树中插入结点。 if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild)) { LLRotate(T); } //在左子树的右子树中插入结点。 else { LRRotate(T); } } return true; } } //在右子树中递归插入。 else // (key > (*T)->data) { if (!AVLInsert(&(*T)->rchild, key)) return false; else { //插入成功，修改树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; //已在*T的右子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。 if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild)) { //在右子树的左子树中插入结点。 if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild)) { RLRotate(T); } //在右子树的右子树中插入结点。 else { RRRotate(T); } } return true; } } } /* * 删除操作。 * 如果以*T为根结点的树中存在结点key，将结点删除，函数返回TRUE， * 否则删除失败，函数返回FALSE。 */ bool AVLDelete(BiTree *T, TElemType key) { BiTree pre, post; //没有找到该结点。 if (!*T) return false; //找到结点，将它删除。 else if (key == (*T)->data) { //待删除节点为叶子结点。 if (!(*T)->lchild && !(*T)->rchild) *T = NULL; //待删除结点只有右孩子。 else if (!(*T)->lchild) *T = (*T)->rchild; //待删除结点只有左孩子。 else if (!(*T)->rchild) *T = (*T)->lchild; //待删除结点既有左孩子，又有右孩子。 else { //当待删除结点*T左子树的高度大于右子树的高度时，用*T的前驱结点pre代替*T， //再将结点pre从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。 if (GetHeight((*T)->lchild) > GetHeight((*T)->rchild)) { //寻找前驱结点pre。 pre = (*T)->lchild; while (pre->rchild) { pre = pre->rchild; } //用pre替换*T。 (*T)->data = pre->data; //删除节点pre。 //虽然能够确定pre所属最小子树的根结点为&pre， //但是不采用AVLDelete(&pre,pre->data)删除pre，目的是方便递归更改节点的高度。 AVLDelete(&((*T)->lchild), pre->data); } //当待删除结点*T左子树的高度小于或者等于右子树的高度时，用*T的后继结点post代替*T， //再将结点post从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。 else { //寻找后继节点post。 post = (*T)->rchild; while (post->lchild) post = post->lchild; //用post替换*T。 (*T)->data = post->data; //删除节点post。 //虽然能够确定post所属最小子树的根结点为&post， //但是不采用AVLDelete(&post,post->data)删除post，目的是方便递归更改节点的高度。 AVLDelete(&((*T)->rchild), post->data); } } return true; } //在左子树中递归删除。 else if (key < (*T)->data) { if (!AVLDelete(&((*T)->lchild), key)) return false; else { //删除成功，修改树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; //已在*T的左子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。 if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild)) { if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild)) { LLRotate(T); } else { LRRotate(T); } } return true; } } //在右子树中递归删除。 else { if (!AVLDelete(&((*T)->rchild), key)) return false; else { //删除成功，修改树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; //已在*T的右子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。 if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild)) { if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild)) { RLRotate(T); } else { RRRotate(T); } } return true; } } } /* * 当T的左子树的左子树上的节点使得T的平衡度为2时，以T为中心进行右旋。 */ bool LLRotate(BiTree *T) { BiTree lc; lc = (*T)->lchild; (*T)->lchild = lc->rchild; lc->rchild = (*T); //注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; lc->height = max(GetHeight(lc->lchild), GetHeight(lc->rchild)) + 1; *T = lc; return true; } /* * 当T的左子树的右子树上的节点使得T的平衡度为2时， * 先以T的左子树为中心进行左旋，再以T为中心进行右旋。 */ bool LRRotate(BiTree *T) { RRRotate(&((*T)->lchild)); LLRotate(T); return true; } /* * 当T的右子树的左子树上的节点使得T的平衡度为-2时， * 先以T的右子树为中心进行右旋，再以T为中心进行左旋。 */ bool RLRotate(BiTree *T) { LLRotate(&((*T)->rchild)); RRRotate(T); return true; } /* * 当T的右子树的右子树上的节点使得T的平衡度为-2时，以T为中心进行左旋。 */ bool RRRotate(BiTree *T) { BiTree rc; rc = (*T)->rchild; (*T)->rchild = rc->lchild; rc->lchild = (*T); //注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。 (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1; rc->height = max(GetHeight(rc->lchild), GetHeight(rc->rchild)) + 1; *T = rc; return true; } /* * 当T=NULL ,即树为空树时，无法通过T->height获取树的高度0，所以要额外编写该函数。 */ int GetHeight(BiTree T) { if (T) return T->height; return 0; }
/* * 二叉平衡树的插入和删除操作 */ #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include "AVL.h" #define TOTAL 10 bool InOrderTraverse(BiTree T); bool print(BiTree *T); int main() { BiTree T = NULL; //注意一定要将T初始化为空树。 int i, num; //插入操作。 printf("输入Total个数以构建二叉平衡树:\n"); for (i = 0; i < TOTAL; i++) { scanf("%d", &num); AVLInsert(&T, num); } //检验插入操作。 printf("树结构为:\n"); print(&T); printf("中序遍历该树，检验是否为由小到大:\n"); InOrderTraverse(T); putchar('\n'); printf("树的深度为：%d\n", T->height); //删除操作。 printf("输入待删除的数:"); scanf("%d", &num); AVLDelete(&T, num); //检验删除操作。 printf("删除后，树结构为:\n"); print(&T); printf("中序遍历该树，检验是否为由小到大:\n"); InOrderTraverse(T); putchar('\n'); printf("树的深度为：%d\n", T->height); return 0; } /* * 中序遍历输出树结构。 */ bool InOrderTraverse(BiTree T) { if (T) { InOrderTraverse(T->lchild); printf("%-3d ", T->data); InOrderTraverse(T->rchild); } return true; } /* * 输出树结构，且标明父子关系。 */ bool print(BiTree *T) { if (!*T) return false; else { //如果树有左孩子或者右孩子，则输出它的左孩子和右孩子。 //例：5有左孩子3和右孩子6，输出形式为：5(3,6) //5只有左孩子3，输出形式为：5(3, ) //5只有右孩子6，输出形式为：5( ,6) if ((*T)->lchild || (*T)->rchild) { printf("%d(", (*T)->data); if ((*T)->lchild) { printf("%-3d,", (*T)->lchild->data); } else { printf(" ,"); } if ((*T)->rchild) { printf("%-3d)\n", (*T)->rchild->data); } else { printf(" )\n"); } } //递归输出左孩子和右孩子。 print(&((*T)->lchild)); print(&((*T)->rchild)); return true; } }
7. 测试结果
参考：
