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二叉树类型设计说明
(时间:2007-8-7 15:58:25 共有 人次浏览)
一、引言
1.背景
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,因此,二叉树显得特别重要。
2.摘要
这是一个简单的二叉树类型及在此类型上的一些常用操作。该二叉树采用的是二叉链表的存储结构,C++实现。
3.工作条件 / 限制
由于时间仓促,外加人力有限,本二叉树类型的实现难免存在一些不足。可能会存在用户想要的接口没有定义的情况,也可能会存在是一些操作的实现效率低下等等……就此,可能会在以后的时间里进行类型的再设计与优化。
 
二、总体设计
1.概要设计
这是一个二叉树的类模板,用户可以根据自己的需要设置二叉树的节点类型,以下分为两部分说明:
⑴二叉树节点类型的功能规格说明
// 根据类型T设置节点的存储数据类型
template <class T>
class BinaryTreeNode 
{
    public:// 用户接口说明
       // 缺省的构造器
       BinaryTreeNode(void);
       // 带参数的构造器
       BinaryTreeNode(const T &data,   // 该节点保存的数据
                       BinaryTreeNode *leftChild = NULL, // 左指针域
                       BinaryTreeNode *rightChild = NULL); // 右指针域
       // 返回该节点的数据
       T& GetData(void);
       // 返回该节点的左孩子指针
       BinaryTreeNode<T>* GetLeftChild(void);
       // 返回该节点的右孩子指针
       BinaryTreeNode<T>* GetRightChild(void);
       // 设置该节点的数据
       void SetData(const T &data);
       // 设置该节点的左孩子指针域
       void SetLeftChild(BinaryTreeNode<T> *leftChild);
       // 设置该节点的右孩子指针域
       void SetRightChild(BinaryTreeNode<T> *rightChild);
    private: // 私有方法及数据说明
       T m_data;      // 存储该节点的数据
       BinaryTreeNode<T> *m_leftChild; // 存储该节点的左孩子指针
       BinaryTreeNode<T> *m_rightChild;// 存储该节点的右孩子指针
};
 
⑵整体二叉树类型的功能规格说明
// 根据类型T设置节点的存储数据类型
template<class T>
class BinaryTree 
{
    
    public:// 用户接口说明
       // 缺省的构造器,初始化该树
       BinaryTree(void);
       // 析构器,释放资源给OS
       virtual ~BinaryTree(void);
       // 判断树是否是空树
       bool IsEmpty(void)   const;
       // 判断一个节点是否是左孩子
       bool IsLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p);
       // 判断一个节点是否是右孩子
       bool IsRightChild(BinaryTreeNode<T> *p);
       // 取得整棵树的树根
       BinaryTreeNode<T>* GetRoot(void);
       // 取得一个节点的父亲节点指针
       BinaryTreeNode<T>* GetParent(BinaryTreeNode<T> *p);
       // 取得一个节点的左子树根指针
       BinaryTreeNode<T>* LeftChild(BinaryTreeNode<T> *root) const;
       // 取得一个节点的右子树根指针
       BinaryTreeNode<T>* RightChild(BinaryTreeNode<T> *root) const;
       // 取得一个节点的左兄弟指针
       BinaryTreeNode<T>* LeftSibling(BinaryTreeNode<T> *leftChild);
       // 取得一个节点的右兄弟指针
       BinaryTreeNode<T>* RightSibling(BinaryTreeNode<T> *rightChild);
       // 返回一个节点的数据
       T Retrieve(BinaryTreeNode<T> *p)   const;
       // 设置一个节点的数据
       void Assign(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const;
       // 插入右孩子到当前节点下
       void InsertRightChild(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const;
       // 插入左孩子到当前节点下
       void InsertLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const;
       // 删除当前节点的右孩子
       void DeleteRightChild(BinaryTreeNode<T> *p);
       // 删除当前节点的左孩子
       void DeleteLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p);
       // 先序遍历整棵树
       virtual void PreOrderTraverse(void)    const;
       // 中序遍历整棵树
        virtual void InOrderTraverse(void) const;
       // 后序遍历整棵树
       virtual void PostOrderTraverse(void)   const;
       // 按层遍历整棵树
       virtual void LevelOrderTraverse(void)  const;
    protected:// 保护的数据或方法
       // 用于存储树根
       BinaryTreeNode<T> *m_root;
       // 根据给定数据创建树的根节点
       void CreateRoot(const T &data);
       // 从一个节点开始先序遍历其子树
       virtual void PreOrder(BinaryTreeNode<T> *root)   const;
       // 从一个节点开始中序遍历其子树
       virtual void InOrder(BinaryTreeNode<T> *root) const;
       // 从一个节点开始后序遍历其子树
       virtual void PostOrder(BinaryTreeNode<T> *root)  const;
       // 从一个节点开始按层遍历其子树
       virtual void LevelOrder(BinaryTreeNode<T> *root)const;
       // 取得给定节点的父亲节点指针
       BinaryTreeNode<T>* Parent(BinaryTreeNode<T> *root,                                         BinaryTreeNode<T> *p);
       // 从给定节点开始销毁其子树
       void Destroy(BinaryTreeNode<T> *p);
};
 
2.详细设计
⑴二叉树节点类型具体实现说明
template<class T> // 以下函数均基于类型T
//=============================
// 函数名:BinaryTreeNode
// 功能:缺省的构造函数,设置该节点的左右孩子指针域均为空
// 输入参数:void
// 输出参数:无
BinaryTreeNode<T>::BinaryTreeNode(void)
{
    m_leftChild = m_rightChild = NULL;
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:BinaryTreeNode
// 功能:带参数的构造函数,根据参数设置该节点的左右孩子指针域
// 输入参数:const T &data:用于初始化该节点数据域
//           BinaryTreeNode *leftChild:用于初始化该节点左孩子指针
//           BinaryTreeNode *rightChild:用于初始化该节点左孩子指针
// 输出参数:无
BinaryTreeNode<T>::BinaryTreeNode(const T &data, 
                              BinaryTreeNode *leftChild,
                                  BinaryTreeNode *rightChild)
{
    m_data = data;
    m_leftChild = leftChild;
    m_rightChild = rightChild;
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:GetData
// 功能:返回该节点的数据
// 输入参数:void
// 输出参数:T&:该节点的数据
T& BinaryTreeNode<T>::GetData(void)
{
    return m_data;
}
//=============================
// 函数名:GetLeftChild
// 功能:返回该节点的左孩子指针
// 输入参数:void
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:该节点的左孩子指针
BinaryTreeNode<T>* BinaryTreeNode<T>::GetLeftChild(void)
{
    return m_leftChild;
}
//=============================
// 函数名:GetRightChild
// 功能:返回该节点的右孩子指针
// 输入参数:void
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:该节点的右孩子指针
BinaryTreeNode<T>* BinaryTreeNode<T>::GetRightChild(void)
{
    return m_rightChild;
}
//=============================
// 函数名:SetData
// 功能:设置该节点的数据域
// 输入参数:const T &data:根据此参数设置数据域
// 输出参数:void
void BinaryTreeNode<T>::SetData(const T &data)
{
    m_data = data;
        
    return;
}
//=============================
// 函数名:SetLeftChild
// 功能:设置该节点的左孩子指针域
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *leftChild:根据此参数设置左孩子指针域
// 输出参数:void
void BinaryTreeNode<T>::SetLeftChild(BinaryTreeNode<T> *leftChild)
{
    m_leftChild = leftChild;
        
    return;
}
//=============================
// 函数名:SetRightChild
// 功能:设置该节点的右孩子指针域
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *RightChild:根据此参数设置右孩子指针域
// 输出参数:void
void BinaryTreeNode<T>::SetRightChild(BinaryTreeNode<T> *rightChild)
{
    m_rightChild = rightChild;
        
    return;
}
⑵整体二叉树类型具体实现说明
template<class T> // 以下函数均基于类型T
//=============================
// 函数名:BinaryTree
// 功能:构造器,初始化整棵树为空树
// 输入参数:void
// 输出参数:无
BinaryTree<T>::BinaryTree(void)
{
    m_root = NULL;
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:~BinaryTree
// 功能:析构器,基于函数Destory销毁整棵树,释放资源给OS
// 输入参数:void
// 输出参数:无
BinaryTree<T>::~BinaryTree(void)
{
    Destroy(m_root);
    m_root = NULL;
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:IsEmpty
// 功能:判断这棵树是否是空树
// 输入参数:void
// 输出参数:bool:如果是则返回true,反之返回false
bool BinaryTree<T>::IsEmpty(void)       const
{
    return m_root == NULL ? true:false;
}
//=============================
// 函数名:IsLeftChild
// 功能:判断该节点p是否为左孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 注意:树根不能作为输入参数
// 输出参数:bool:为真说明是左孩子,反之是右孩子
bool BinaryTree<T>::IsLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    return p == GetParent(p)->GetLeftChild() ? true:false;
}
//=============================
// 函数名:IsRightChild
// 功能:判断该节点p是否为右左孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 注意:树根不能作为输入参数
// 输出参数:bool:为真说明是右孩子,反之是左孩子
bool BinaryTree<T>::IsRightChild(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    return p == GetParent(p)->GetRightChild() ? true:false;
}
//=============================
// 函数名:Destroy
// 功能:销毁给定树,释放资源
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:void 
void BinaryTree<T>::Destroy(BinaryTreeNode<T> *p)\
{
    if (NULL != p)
    {
        Destroy(p->GetLeftChild());
        Destroy(p->GetRightChild());
        delete p;
    }
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:GetRoot
// 功能:取得整棵树的根节点指针
// 输入参数:void
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:整棵树的树根指针
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::GetRoot(void)
{
    return m_root;
}
//=============================
// 函数名:GetParent
// 功能:基于函数Parent取得给定节点的父亲指针
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:指向该节点父亲的指针
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::GetParent(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    return Parent(m_root, p);
}
//=============================
// 函数名:Parent
// 功能:取得给定节点的父亲指针
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:从root指向的节点开始寻找
BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:指向该节点父亲的指针
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::Parent(BinaryTreeNode<T> *root,
                                         BinaryTreeNode<T> *p)
{
    BinaryTreeNode<T> *q;
 
    if (NULL == root)
    {
       return NULL;
    }
    if ((p == root->GetLeftChild()) || (p == root->GetRightChild()))
    {
       return root;
    }
    if (NULL != (q = Parent(root->GetLeftChild(), p)))
    {
       return q;
     }
     else
     {
       return Parent(root->GetRightChild(), p);
     }
}
//=============================
// 函数名:RightSibling
// 功能:基于Parent函数取得给定节点的右兄弟的指针
// 注意:如果该节点就是右孩子,那么函数将返回空值
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:指向该节点右兄弟的指针或空值
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::RightSibling(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    BinaryTreeNode<T> *q;
 
    q = Parent(m_root, p);
    if ((NULL == q) || (p == q->GetRightChild()))
    {
        return NULL;
    }
    else
    {
        return q->GetRightChild();
    }
}
//=============================
// 函数名:LeftSibling
// 功能:基于Parent函数取得给定节点的左兄弟的指针
// 注意:如果该节点就是左孩子,那么函数将返回空值
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:指向该节点左兄弟的指针或空值
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::LeftSibling(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    BinaryTreeNode<T> *q;
 
    q = Parent(m_root, p);
    if ((NULL == q) || (p == q->GetLeftChild()))
    {
        return NULL;
    }
    else
    {
        return q->GetLeftChild();
    }
}
//=============================
// 函数名:InOrder
// 功能:从给定节点开始先序遍历其子树
// 注意:使用的时候请根据数据类型T适当修改输出方式
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::InOrder(BinaryTreeNode<T> *root)    const
{
    if (NULL != root)
    {
        InOrder(root->GetLeftChild());
        //cout << root->GetData();      // NOTE!
        InOrder(root->GetRightChild());
    }
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:PostOrder
// 功能:从给定节点开始后序遍历其子树
// 注意:使用的时候请根据数据类型T适当修改输出方式
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::PostOrder(BinaryTreeNode<T> *root)  const
{
    if (NULL != root)
    {
        PostOrder(root->GetLeftChild());
        PostOrder(root->GetRightChild());
        //cout << root->GetData();      // NOTE!
    }
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:PreOrder
// 功能:从给定节点开始先序遍历其子树
// 注意:使用的时候请根据数据类型T适当修改输出方式
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::PreOrder(BinaryTreeNode<T> *root)   const
{
    if (NULL != root)
    {
        //cout << root->GetData();      // NOTE!
        PreOrder(root->GetLeftChild());
        PreOrder(root->GetRightChild());
     }
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:LevelOrder
// 功能:从给定节点开始按层遍历其子树(需要一个队列的支持)
// 注意:使用的时候请根据数据类型T适当修改输出方式
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::LevelOrder(BinaryTreeNode<T> *root) const
{
    queue<BinaryTreeNode<T> *> q;
 
    if (NULL != root)
    {
        q.push(root);
    }
 
    while (!q.empty())
    {
       root = q.front(), q.pop();
        //cout << p->GetData();         // NOTE!
        if (root->GetLeftChild())
        {
          q.push(root->GetLeftChild());
        }
       if (root->GetRightChild())
       {
           q.push(root->GetRightChild());
        }
    }
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:LevelOrderTraverse
// 功能:基于函数LevelOrder按层遍历遍历整棵二叉树
// 输入参数:void
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::LevelOrderTraverse(void)    const
{
    LevelOrder(m_root);
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:PostOrderTraverse
// 功能:基于函数PostOrder后序遍历遍历整棵二叉树
// 输入参数:void
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::PostOrderTraverse(void)     const
{
   PostOrder(m_root);
 
   return;
}
 
//=============================
// 函数名:InOrderTraverse
// 功能:基于函数InOrder中序遍历遍历整棵二叉树
// 输入参数:void
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::InOrderTraverse(void)       const
{
    InOrder(m_root);
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:PreOrderTraverse
// 功能:基于函数PreOrder中序遍历遍历整棵二叉树
// 输入参数:void
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::PreOrderTraverse(void)       const
{
    PreOrder(m_root);
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:DeleteLeftChild
// 功能:基于函数Destroy删除给定节点的左孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::DeleteLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    Destroy(p->GetLeftChild());
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:DeleteRightChild
// 功能:基于函数Destroy删除给定节点的右孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::DeleteRightChild(BinaryTreeNode<T> *p)
{
    Destroy(p->GetRightChild());
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:InsertLeftChild
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数SetLeftChild设置给定节点的左孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
//        const T &d:设置到左孩子的数据
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::InsertLeftChild(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const
{
    BinaryTreeNode<T> *q = new BinaryTreeNode<T>(d);
 
    q->SetLeftChild(p->GetLeftChild());
    p->SetLeftChild(q);
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:InsertRightChild
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数SetRightLeftChild设置给定节
//       点的右孩子
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
//        const T &d:设置到右孩子的数据
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::InsertRightChild(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const
{
    BinaryTreeNode<T> *q = new BinaryTreeNode<T>(d);
 
    q->SetRightChild(p->GetRightChild());
    p->SetRightChild(q);
 
    return;
}
//=============================
// 函数名:Assign
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数SetData设置给定节点的数据
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
//        const T &d:设置到该节点的数据
// 输出参数:void
void BinaryTree<T>::Assign(BinaryTreeNode<T> *p, const T &d) const
{
    p->SetData(d);
 
    return;
}
 
//=============================
// 函数名:Retrieve
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数GetData返回给定节点的数据
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *p:给定p指向树中的一个节点
// 输出参数:T:返回的数据
T BinaryTree<T>::Retrieve(BinaryTreeNode<T> *p) const
{
    return p->GetData();
}
//=============================
// 函数名:RightChild
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数GetRightChild返回给定节点的
//     右子树根指针
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:给定节点的右子树根指针或是空值
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::RightChild(BinaryTreeNode<T> *root) const
{
    return root == NULL ? NULL:root->GetRightChild();
}
//=============================
// 函数名:LeftChild
// 功能:基于二叉树节点类型里的函数GetLeftChild返回给定节点的
//     左子树根指针
// 输入参数:BinaryTreeNode<T> *root:给定root指向树中的一个节点
// 输出参数:BinaryTreeNode<T>*:给定节点的左子树根指针或是空值
BinaryTreeNode<T>* BinaryTree<T>::LeftChild(BinaryTreeNode<T> *root) const
{
    return root == NULL ? NULL:root->GetLeftChild();
}
//=============================
// 函数名:CreateRoot
// 功能:根据输入数据建立整棵树的根节点
// 输入参数:const T &data:给定的数据
// 输出参数:void 
void BinaryTree<T>::CreateRoot(const T &data)
{
    m_root = new BinaryTreeNode<T>(data);
 
    return;
}
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
⑶各子程序间的调用关系图
 
 
 
三、典型测试案例
案例1:
#include "BinaryTreeNode.h"
#include "BinaryTree.h"
 
int main(int argc, char* argv[])
{
        BinaryTree<int> myBinTree;
 
        myBinTree.CreateRoot(0);
 
        for (int i = 1; i < 9; i += 2)
        {
                myBinTree.InsertLeftChild(myBinTree.GetRoot(), i);
                myBinTree.InsertRightChild(
myBinTree.GetRoot(), i + 1);
        }
 
        cout << "Is Empty? : " << myBinTree.IsEmpty() << endl;
 
cout << "Root data: " <<myBinTree.Retrieve(myBinTree.GetRoot());
        cout << endl << "Assign root with 9!";
        myBinTree.Assign(myBinTree.GetRoot(), 9);
        cout << "Current root dadta: "
             << myBinTree.Retrieve(myBinTree.GetRoot()) << endl;
 
        cout << "LevelOrder: ";
        myBinTree.LevelOrderTraverse();
 
        cout << "PreOrder: ";
        myBinTree.PreOrderTraverse();
 
        cout << endl << "InOrder: ";
        myBinTree.InOrderTraverse();
 
        cout << endl << "PostOrder: ";
        myBinTree.PostOrderTraverse();
 
        cout << endl;
 
        return 0;
}
 
测试结果:
    
经分析,此测试结果无误。
 
案例2
#include "BinaryTreeNode.h"
#include "BinaryTree.h"
 
int main(int argc, char* argv[])
{
        BinaryTree<char> myBinTree;
 
        myBinTree.CreateRoot('a');
 
        for (int i = 1; i < 9; i += 2)
        {
                myBinTree.InsertLeftChild(myBinTree.GetRoot(), i+65);
                myBinTree.InsertRightChild(
myBinTree.GetRoot(), i + 66);
        }
 
        cout << "Is Empty? : " << myBinTree.IsEmpty() << endl;
 
        cout << "Root data: " 
<< myBinTree.Retrieve(myBinTree.GetRoot());
        cout << endl << "Assign root with A!";
        myBinTree.Assign(myBinTree.GetRoot(), 'A');
        cout << "Current root dadta: "
             << myBinTree.Retrieve(myBinTree.GetRoot()) << endl;
 
        cout << "LevelOrder: ";
        myBinTree.LevelOrderTraverse();
 
        cout << "PreOrder: ";
        myBinTree.PreOrderTraverse();
 
        cout << endl << "InOrder: ";
        myBinTree.InOrderTraverse();
 
        cout << endl << "PostOrder: ";
        myBinTree.PostOrderTraverse();
 
        cout << endl;
 
        return 0;
}
测试结果:
 
经分析,此测试结果无误。
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