算法系列15天速成——第十一天 树操作（上）
最近项目赶的紧，歇了一个星期没写博客了，趁周末继续写这个系列。
先前我们讲的都是“线性结构”，他的特征就是“一个节点最多有一个”前驱“和一个”后继“。那么我们今天讲的树会是怎样的呢？
我们可以对”线性结构“改造一下，变为”一个节点最多有一个"前驱“和”多个后继“。哈哈，这就是我们今天说的”树“。
一： 树
我们思维中的”树“就是一种枝繁叶茂的形象，那么数据结构中的”树“该是怎么样呢？对的，他是一种现实中倒立的树。
1：术语
其实树中有很多术语的，这个是我们学习树形结构必须掌握的。
<1> 父节点，子节点，兄弟节点
这个就比较简单了，B和C的父节点就是A，反过来说就是B和C是A的子节点。B和C就是兄弟节点。
<2> 结点的度
其实”度“就是”分支数“，比如A的分支数有两个“B和C",那么A的度为2。
<3> 树的度
看似比较莫名其妙吧，他和”结点的度“的区别就是，树的度讲究大局观，乃树中最大的结点度，其实也就是2。
<4> 叶结点，分支结点
叶结点就是既没有左孩子也没有右孩子结点，也就是结点度为0。分支节点也就是if的else的条件咯。
<5> 结点的层数
这个很简单，也就是树有几层。
<6> 有序树，无序树
有序树我们先前也用过，比如“堆”和“二叉排序树”，说明这种树是按照一定的规则进行排序的，else条件就是无序树。
<7> 森林
现实中，很多的树形成了森林，那在数据结构中，我们把上图的“A”节点砍掉，那么B，C子树合一起就是森林咯。
2: 树的表示
树这个结构的表示其实有很多种，常用的也就是“括号”表示法。
比如上面的树就可以表示为：(A(B(D),(E)),(C(F),(G)))
二： 二叉树
在我们项目开发中，很多地方都会用到树，但是多叉树的处理还是比较纠结的，所以俺们本着“大事化小，小事化了“的原则
把”多叉树“转化为”二叉树“，那么问题就简化了很多。
1： ”二叉树“和”树“有什么差异呢？
第一点: 树的度没有限制，而“二叉树”最多只能有两个，不然也就不叫二叉树了，哈哈。
第二点：树中的子树没有左右划分，很简单啊，找不到参照点，二叉树就有参照物咯。
2： 二叉树的类型
二叉树中有两种比较完美的类型，“完全二叉树”和“满二叉树”。
<1> 满二叉树
除叶子节点外，所有节点的度都为2，文章开头处的树就是这里的“满二叉树”。
<2> 完全二叉树
必须要满足两个条件就即可： 干掉最后一层，二叉树变为“满二叉树”。
最后一层的叶节点必须是“从左到右”依次排开。
我们干掉文章开头处的节点“F和”G",此时还是“完全二叉树”，但已经不是“满二叉树”了，你懂的。
3： 二叉树的性质
二叉树中有5点性质非常重要，也是俺们必须要记住的。
<1> 二叉树中，第i层的节点最多有2(i-1)个。
<2> 深度为k的二叉树最多有2k-1个节点。
<3> 二叉树中，叶子节点树为N1个，度为2的节点有N2个，那么N1=N2+1。
<4> 具有N个结点的二叉树深度为（Log2 N）+1层。
<5> N个结点的完全二叉树如何用顺序存储，对于其中的一个结点i，存在以下关系，
2*i是结点i的父结点。
i/2是结点i的左孩子。
(i/2)+1是结点i的右孩子。
4： 二叉树的顺序存储
同样的存储方式也有两种，“顺序存储”和“链式存储”。
<1> 顺序存储
说实话，树的存储用顺序结构比较少，因为从性质定理中我们都可以看出只限定为“完全二叉树”，那么如果二叉树不是
“完全二叉树”，那我们就麻烦了，必须将其转化为“完全二叉树”，将空的节点可以用“#”代替，图中也可看出，为了维护
性质定理5的要求，我们牺牲了两个”资源“的空间。
<2> 链式存储
上面也说了，顺序存储会造成资源的浪费，所以嘛，我们开发中用的比较多的还是“链式存储”，同样“链式存储”
也非常的形象，非常的合理。
一个结点存放着一个“左指针”和一个“右指针”，这就是二叉链表。
如何方便的查找到该结点的父结点，可以采用三叉链表。
5: 常用操作
一般也就是“添加结点“，“查找节点”，“计算深度”，“遍历结点”，“清空结点”
<1> 这里我们就用二叉链表来定义链式存储模型
1 #region 二叉链表存储结构
2 /// <summary>
3 /// 二叉链表存储结构
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 public class ChainTree<T>
7 {
8 public T data;
9
10 public ChainTree<T> left;
11
12 public ChainTree<T> right;
13 }
14 #endregion
<2> 添加结点
要添加结点，我们就要找到添加结点的父结点，并且根据指示插入到父结点中指定左结点或者右结点。
1 #region 将指定节点插入到二叉树中
2 /// <summary>
3 /// 将指定节点插入到二叉树中
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 /// <param name="tree"></param>
7 /// <param name="node"></param>
8 /// <param name="direction">插入做左是右</param>
9 /// <returns></returns>
10 public ChainTree<T> BinTreeAddNode<T>(ChainTree<T> tree, ChainTree<T> node, T data, Direction direction)
11 {
12 if (tree == null)
13 return null;
14
15 if (tree.data.Equals(data))
16 {
17 switch (direction)
18 {
19 case Direction.Left:
20 if (tree.left != null)
21 throw new Exception("树的左节点不为空，不能插入");
22 else
23 tree.left = node;
24
25 break;
26 case Direction.Right:
27 if (tree.right != null)
28 throw new Exception("树的右节点不为空，不能插入");
29 else
30 tree.right = node;
31
32 break;
33 }
34 }
35
36 BinTreeAddNode(tree.left, node, data, direction);
37 BinTreeAddNode(tree.right, node, data, direction);
38
39 return tree;
40 }
41 #endregion
<3> 查找节点
二叉树中到处都散发着递归思想，很能锻炼一下我们对递归的认识，同样查找也是用到了递归思想。
1 #region 在二叉树中查找指定的key
2 /// <summary>
3 ///在二叉树中查找指定的key
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 /// <param name="tree"></param>
7 /// <param name="data"></param>
8 /// <returns></returns>
9 public ChainTree<T> BinTreeFind<T>(ChainTree<T> tree, T data)
10 {
11 if (tree == null)
12 return null;
13
14 if (tree.data.Equals(data))
15 return tree;
16
17 return BinTreeFind(tree, data);
18 }
19 #endregion
<4> 计算深度
这个问题纠结了我二个多小时，原因在于没有深刻的体会到递归，其实主要思想就是递归左子树和右子树，然后得出较大的一个。
1 #region 获取二叉树的深度
2 /// <summary>
3 /// 获取二叉树的深度
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 /// <param name="tree"></param>
7 /// <returns></returns>
8 public int BinTreeLen<T>(ChainTree<T> tree)
9 {
10 int leftLength;
11 int rightLength;
12
13 if (tree == null)
14 return 0;
15
16 //递归左子树的深度
17 leftLength = BinTreeLen(tree.left);
18
19 //递归右子书的深度
20 rightLength = BinTreeLen(tree.right);
21
22 if (leftLength > rightLength)
23 return leftLength + 1;
24 else
25 return rightLength + 1;
26 }
27 #endregion
<5> 遍历结点
二叉树中遍历节点的方法还是比较多的，有“先序”，“中序”，“后序”，“按层”，其实这些东西只可意会，不可言传，真的很难在口头
上说清楚，需要反复的体会递归思想。
先序：先访问根，然后递归访问左子树，最后递归右子树。（DLR模式）
中序：先递归访问左子树，在访问根，最后递归右子树。（LDR模式）
后序：先递归访问左子树，然后递归访问右子树，最后访问根。（LRD模式）
按层：这个比较简单，从上到下，从左到右的遍历节点。
1 #region 二叉树的先序遍历
2 /// <summary>
3 /// 二叉树的先序遍历
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 /// <param name="tree"></param>
7 public void BinTree_DLR<T>(ChainTree<T> tree)
8 {
9 if (tree == null)
10 return;
11
12 //先输出根元素
13 Console.Write(tree.data + "\t");
14
15 //然后遍历左子树
16 BinTree_DLR(tree.left);
17
18 //最后遍历右子树
19 BinTree_DLR(tree.right);
20 }
21 #endregion
22
23 #region 二叉树的中序遍历
24 /// <summary>
25 /// 二叉树的中序遍历
26 /// </summary>
27 /// <typeparam name="T"></typeparam>
28 /// <param name="tree"></param>
29 public void BinTree_LDR<T>(ChainTree<T> tree)
30 {
31 if (tree == null)
32 return;
33
34 //优先遍历左子树
35 BinTree_LDR(tree.left);
36
37 //然后输出节点
38 Console.Write(tree.data + "\t");
39
40 //最后遍历右子树
41 BinTree_LDR(tree.right);
42 }
43 #endregion
44
45 #region 二叉树的后序遍历
46 /// <summary>
47 /// 二叉树的后序遍历
48 /// </summary>
49 /// <typeparam name="T"></typeparam>
50 /// <param name="tree"></param>
51 public void BinTree_LRD<T>(ChainTree<T> tree)
52 {
53 if (tree == null)
54 return;
55
56 //优先遍历左子树
57 BinTree_LRD(tree.left);
58
59 //然后遍历右子树
60 BinTree_LRD(tree.right);
61
62 //最后输出节点元素
63 Console.Write(tree.data + "\t");
64 }
65 #endregion
66
67 #region 二叉树的按层遍历
68 /// <summary>
69 /// 二叉树的按层遍历
70 /// </summary>
71 /// <typeparam name="T"></typeparam>
72 /// <param name="tree"></param>
73 public void BinTree_Level<T>(ChainTree<T> tree)
74 {
75 if (tree == null)
76 return;
77
78 //申请保存空间
79 ChainTree<T>[] treeList = new ChainTree<T>[Length];
80
81 int head = 0;
82 int tail = 0;
83
84 //存放数组
85 treeList[tail] = tree;
86
87 //循环链中计算tail位置
88 tail = (tail + 1) % Length;
89
90 while (head != tail)
91 {
92 var tempNode = treeList[head];
93
94 head = (head + 1) % Length;
95
96 //输出节点
97 Console.Write(tempNode.data + "\t");
98
99 //如果左子树不为空,则将左子树存于数组的tail位置
100 if (tempNode.left != null)
101 {
102 treeList[tail] = tempNode.left;
103
104 tail = (tail + 1) % Length;
105 }
106
107 //如果右子树不为空，则将右子树存于数组的tail位置
108 if (tempNode.right != null)
109 {
110 treeList[tail] = tempNode.right;
111
112 tail = (tail + 1) % Length;
113 }
114 }
115 }
116 #endregion
<6> 清空二叉树
虽然C#里面有GC，但是我们能自己释放的就不麻烦GC了，同样清空二叉树节点，我们用到了递归，说实话，这次练习让我喜欢
上的递归，虽然XXX的情况下，递归的不是很好，但是递归还是很强大的。
1 #region 清空二叉树
2 /// <summary>
3 /// 清空二叉树
4 /// </summary>
5 /// <typeparam name="T"></typeparam>
6 /// <param name="tree"></param>
7 public void BinTreeClear<T>(ChainTree<T> tree)
8 {
9 //递的结束点，归的起始点
10 if (tree == null)
11 return;
12
13 BinTreeClear(tree.left);
14 BinTreeClear(tree.right);
15
16 //在归的过程中，释放当前节点的数据空间
17 tree = null;
18 }
19 #endregion
最后上一下总的代码
View Code
1 using System;
2 using System.Collections.Generic;
3 using System.Linq;
4 using System.Text;
5
6 namespace ChainTree
7 {
8 public class Program
9 {
10 static void Main(string[] args)
11 {
12 ChainTreeManager manager = new ChainTreeManager();
13
14 //插入节点操作
15 ChainTree<string> tree = CreateRoot();
16
17 //插入节点数据
18 AddNode(tree);
19
20 //先序遍历
21 Console.WriteLine("\n先序结果为： \n");
22 manager.BinTree_DLR(tree);
23
24 //中序遍历
25 Console.WriteLine("\n中序结果为： \n");
26 manager.BinTree_LDR(tree);
27
28 //后序遍历
29 Console.WriteLine("\n后序结果为： \n");
30 manager.BinTree_LRD(tree);
31
32 //层次遍历
33 Console.WriteLine("\n层次结果为： \n");
34 manager.Length = 100;
35 manager.BinTree_Level(tree);
36
37 Console.WriteLine("\n树的深度为：" + manager.BinTreeLen(tree) + "\n");
38
39 Console.ReadLine();
40
41 }
42
43 #region 生成根节点
44 /// <summary>
45 /// 生成根节点
46 /// </summary>
47 /// <returns></returns>
48 static ChainTree<string> CreateRoot()
49 {
50 ChainTree<string> tree = new ChainTree<string>();
51
52 Console.WriteLine("请输入根节点，方便我们生成树\n");
53
54 tree.data = Console.ReadLine();
55
56 Console.WriteLine("根节点生成已经生成\n");
57
58 return tree;
59 }
60 #endregion
61
62 #region 插入节点操作
63 /// <summary>
64 /// 插入节点操作
65 /// </summary>
66 /// <param name="tree"></param>
67 static ChainTree<string> AddNode(ChainTree<string> tree)
68 {
69 ChainTreeManager mananger = new ChainTreeManager();
70
71 while (true)
72 {
73 ChainTree<string> node = new ChainTree<string>();
74
75 Console.WriteLine("请输入要插入节点的数据：\n");
76
77 node.data = Console.ReadLine();
78
79 Console.WriteLine("请输入要查找的父节点数据：\n");
80
81 var parentData = Console.ReadLine();
82
83 if (tree == null)
84 {
85 Console.WriteLine("未找到您输入的父节点，请重新输入。");
86 continue;
87 }
88
89 Console.WriteLine("请确定要插入到父节点的：1 左侧，2 右侧");
90
91 Direction direction = (Direction)Enum.Parse(typeof(Direction), Console.ReadLine());
92
93 tree = mananger.BinTreeAddNode(tree, node, parentData, direction);
94
95 Console.WriteLine("插入成功，是否继续？ 1 继续， 2 退出");
96
97 if (int.Parse(Console.ReadLine()) == 1)
98 continue;
99 else
100 break;
101 }
102
103 return tree;
104 }
105 #endregion
106 }
107
108 #region 插入左节点或者右节点
109 /// <summary>
110 /// 插入左节点或者右节点
111 /// </summary>
112 public enum Direction { Left = 1, Right = 2 }
113 #endregion
114
115 #region 二叉链表存储结构
116 /// <summary>
117 /// 二叉链表存储结构
118 /// </summary>
119 /// <typeparam name="T"></typeparam>
120 public class ChainTree<T>
121 {
122 public T data;
123
124 public ChainTree<T> left;
125
126 public ChainTree<T> right;
127 }
128 #endregion
129
130 /// <summary>
131 /// 二叉树的操作帮助类
132 /// </summary>
133 public class ChainTreeManager
134 {
135 #region 按层遍历的Length空间存储
136 /// <summary>
137 /// 按层遍历的Length空间存储
138 /// </summary>
139 public int Length { get; set; }
140 #endregion
141
142 #region 将指定节点插入到二叉树中
143 /// <summary>
144 /// 将指定节点插入到二叉树中
145 /// </summary>
146 /// <typeparam name="T"></typeparam>
147 /// <param name="tree"></param>
148 /// <param name="node"></param>
149 /// <param name="direction">插入做左是右</param>
150 /// <returns></returns>
151 public ChainTree<T> BinTreeAddNode<T>(ChainTree<T> tree, ChainTree<T> node, T data, Direction direction)
152 {
153 if (tree == null)
154 return null;
155
156 if (tree.data.Equals(data))
157 {
158 switch (direction)
159 {
160 case Direction.Left:
161 if (tree.left != null)
162 throw new Exception("树的左节点不为空，不能插入");
163 else
164 tree.left = node;
165
166 break;
167 case Direction.Right:
168 if (tree.right != null)
169 throw new Exception("树的右节点不为空，不能插入");
170 else
171 tree.right = node;
172
173 break;
174 }
175 }
176
177 BinTreeAddNode(tree.left, node, data, direction);
178 BinTreeAddNode(tree.right, node, data, direction);
179
180 return tree;
181 }
182 #endregion
183
184 #region 获取二叉树指定孩子的状态
185 /// <summary>
186 /// 获取二叉树指定孩子的状态
187 /// </summary>
188 /// <typeparam name="T"></typeparam>
189 /// <param name="tree"></param>
190 /// <param name="direction"></param>
191 /// <returns></returns>
192 public ChainTree<T> BinTreeChild<T>(ChainTree<T> tree, Direction direction)
193 {
194 ChainTree<T> childNode = null;
195
196 if (tree == null)
197 throw new Exception("二叉树为空");
198
199 switch (direction)
200 {
201 case Direction.Left:
202 childNode = tree.left;
203 break;
204 case Direction.Right:
205 childNode = tree.right;
206 break;
207 }
208
209 return childNode;
210 }
211
212 #endregion
213
214 #region 获取二叉树的深度
215 /// <summary>
216 /// 获取二叉树的深度
217 /// </summary>
218 /// <typeparam name="T"></typeparam>
219 /// <param name="tree"></param>
220 /// <returns></returns>
221 public int BinTreeLen<T>(ChainTree<T> tree)
222 {
223 int leftLength;
224 int rightLength;
225
226 if (tree == null)
227 return 0;
228
229 //递归左子树的深度
230 leftLength = BinTreeLen(tree.left);
231
232 //递归右子书的深度
233 rightLength = BinTreeLen(tree.right);
234
235 if (leftLength > rightLength)
236 return leftLength + 1;
237 else
238 return rightLength + 1;
239 }
240 #endregion
241
242 #region 判断二叉树是否为空
243 /// <summary>
244 /// 判断二叉树是否为空
245 /// </summary>
246 /// <typeparam name="T"></typeparam>
247 /// <param name="tree"></param>
248 /// <returns></returns>
249 public bool BinTreeisEmpty<T>(ChainTree<T> tree)
250 {
251 return tree == null ? true : false;
252 }
253 #endregion
254
255 #region 在二叉树中查找指定的key
256 /// <summary>
257 ///在二叉树中查找指定的key
258 /// </summary>
259 /// <typeparam name="T"></typeparam>
260 /// <param name="tree"></param>
261 /// <param name="data"></param>
262 /// <returns></returns>
263 public ChainTree<T> BinTreeFind<T>(ChainTree<T> tree, T data)
264 {
265 if (tree == null)
266 return null;
267
268 if (tree.data.Equals(data))
269 return tree;
270
271 return BinTreeFind(tree, data);
272 }
273 #endregion
274
275 #region 清空二叉树
276 /// <summary>
277 /// 清空二叉树
278 /// </summary>
279 /// <typeparam name="T"></typeparam>
280 /// <param name="tree"></param>
281 public void BinTreeClear<T>(ChainTree<T> tree)
282 {
283 //递的结束点，归的起始点
284 if (tree == null)
285 return;
286
287 BinTreeClear(tree.left);
288 BinTreeClear(tree.right);
289
290 //在归的过程中，释放当前节点的数据空间
291 tree = null;
292 }
293 #endregion
294
295 #region 二叉树的先序遍历
296 /// <summary>
297 /// 二叉树的先序遍历
298 /// </summary>
299 /// <typeparam name="T"></typeparam>
300 /// <param name="tree"></param>
301 public void BinTree_DLR<T>(ChainTree<T> tree)
302 {
303 if (tree == null)
304 return;
305
306 //先输出根元素
307 Console.Write(tree.data + "\t");
308
309 //然后遍历左子树
310 BinTree_DLR(tree.left);
311
312 //最后遍历右子树
313 BinTree_DLR(tree.right);
314 }
315 #endregion
316
317 #region 二叉树的中序遍历
318 /// <summary>
319 /// 二叉树的中序遍历
320 /// </summary>
321 /// <typeparam name="T"></typeparam>
322 /// <param name="tree"></param>
323 public void BinTree_LDR<T>(ChainTree<T> tree)
324 {
325 if (tree == null)
326 return;
327
328 //优先遍历左子树
329 BinTree_LDR(tree.left);
330
331 //然后输出节点
332 Console.Write(tree.data + "\t");
333
334 //最后遍历右子树
335 BinTree_LDR(tree.right);
336 }
337 #endregion
338
339 #region 二叉树的后序遍历
340 /// <summary>
341 /// 二叉树的后序遍历
342 /// </summary>
343 /// <typeparam name="T"></typeparam>
344 /// <param name="tree"></param>
345 public void BinTree_LRD<T>(ChainTree<T> tree)
346 {
347 if (tree == null)
348 return;
349
350 //优先遍历左子树
351 BinTree_LRD(tree.left);
352
353 //然后遍历右子树
354 BinTree_LRD(tree.right);
355
356 //最后输出节点元素
357 Console.Write(tree.data + "\t");
358 }
359 #endregion
360
361 #region 二叉树的按层遍历
362 /// <summary>
363 /// 二叉树的按层遍历
364 /// </summary>
365 /// <typeparam name="T"></typeparam>
366 /// <param name="tree"></param>
367 public void BinTree_Level<T>(ChainTree<T> tree)
368 {
369 if (tree == null)
370 return;
371
372 //申请保存空间
373 ChainTree<T>[] treeList = new ChainTree<T>[Length];
374
375 int head = 0;
376 int tail = 0;
377
378 //存放数组
379 treeList[tail] = tree;
380
381 //循环链中计算tail位置
382 tail = (tail + 1) % Length;
383
384 while (head != tail)
385 {
386 var tempNode = treeList[head];
387
388 head = (head + 1) % Length;
389
390 //输出节点
391 Console.Write(tempNode.data + "\t");
392
393 //如果左子树不为空,则将左子树存于数组的tail位置
394 if (tempNode.left != null)
395 {
396 treeList[tail] = tempNode.left;
397
398 tail = (tail + 1) % Length;
399 }
400
401 //如果右子树不为空，则将右子树存于数组的tail位置
402 if (tempNode.right != null)
403 {
404 treeList[tail] = tempNode.right;
405
406 tail = (tail + 1) % Length;
407 }
408 }
409 }
410 #endregion
411
412 }
413 }
我们把文章开头的“二叉树”的节点输入到我们的结构中，看看遍历效果咋样。
