线索二叉树(thread tree)

本文介绍了一种使用括号表达式构建二叉树的方法,并实现了二叉线索树的创建与中序遍历。通过解析输入字符串,递归地创建二叉树节点,并对其进行线索化处理,使得能够高效进行中序遍历。

//a(b(d,e(h(j,k(l,m(,n))))),c(f,g(,i))) #include<iostream> using namespace std; const int SIZE=10000; typedef struct TBTNode{ char data; struct TBTNode * lchild,*rchild; int ltag,rtag; }TBTNode; void createBtree(TBTNode * &bt,char *str){ TBTNode* st[SIZE],*p=NULL; int top=-1,k,j=0; char ch; bt=NULL; ch=str[j]; while(ch){ switch(ch){ case '(':top++;st[top]=p;k=1;break; case ')':top--; break; case ',':k=2;break; default: p=(TBTNode *)malloc(sizeof(TBTNode)); p->data=ch;p->lchild=p->rchild=NULL; if(bt==NULL) bt=p; else{ switch(k){ case 1:st[top]->lchild=p;break; case 2:st[top]->rchild=p;break; } } } j++; ch=str[j]; } } void display(TBTNode * bt){ if(bt!=NULL){ cout<<bt->data; if(bt->lchild!=NULL || bt->rchild!=NULL){ cout<<"("; display(bt->lchild); if(bt->rchild!=NULL) cout<<","; display(bt->rchild); cout<<")"; } } //cout<<endl; } TBTNode *pre; void Thread(TBTNode *&p){ if(p!=NULL){ Thread(p->lchild); if(p->lchild==NULL){ p->lchild=pre; p->ltag=1; } else p->ltag=0; if(pre->rchild==NULL){ pre->rchild=p; pre->rtag=1; } else pre->rtag=0; pre=p; Thread(p->rchild); } } TBTNode *CreaThread(TBTNode *bt){ TBTNode *head; head=(TBTNode *)malloc(sizeof(TBTNode)); head->ltag=0;head->rtag=1; head->rchild=bt; if(bt==NULL) head->lchild=head; else{ head->lchild=bt; pre=head; Thread(bt); pre->rchild=head; pre->rtag=1; head->rchild=pre; } return head; } //TBTNode *pre; //void Thread(TBTNode *&p){ // if(p!=NULL){ // Thread(p->lchild); // if(p->lchild==NULL){ // p->lchild=pre; // p->ltag=1; // } // else p->ltag=0; // if(pre->rchild==NULL){ // pre->rchild=p; // pre->rtag=1; // } // else pre->rtag=0; // pre=p; // Thread(p->rchild); // } //} //TBTNode * CreaThread(TBTNode *b){ // TBTNode *root; // root=(TBTNode* )malloc (sizeof(TBTNode)); // root->ltag=0;root->rtag=1; // root->rchild=b; // if(b==NULL) root->lchild=root; // else{ // root->lchild=b; // pre=root; // Thread(b); // pre->rchild=root; // pre->rtag=1; // root->rchild=pre; // } // return root; //} void ThInOrder(TBTNode *tb){ TBTNode *p=tb->lchild; while(p!=tb){ while(p->ltag==0) p=p->lchild; cout<<p->data; while(p->rtag==1 && p->rchild!=tb){ p=p->rchild; cout<<p->data; } p=p->rchild; } } int main(){ char str[100]; cin>>str; TBTNode *bt; createBtree(bt,str); display(bt); cout<<endl; TBTNode * btt; btt=CreaThread(bt); cout<<endl; cout<<"sequence:"; ThInOrder(btt); cout<<endl; }

### 线索二叉树的定义 线索二叉树Threaded Binary Tree)是一种对普通二叉树存储结构的改进,它通过利用原本二叉树节点中空闲的左右子节点指针,来存储节点在某种遍历顺序下的前驱和后继信息。在普通的二叉链表存储结构中,每个节点通常包含两个指针,分别指向左孩子和右孩子。如果某个节点没有左孩子或右孩子,对应的指针就为空,这导致大量的存储空间被浪费。线索二叉树正是为了解决这一问题而提出的。 在线索二叉树中,每个节点除了包含数据域和左右孩子指针外,还引入了两个标志位(通常称为 `LTag` 和 `RTag`),用于区分指针是指向子节点还是前驱或后继节点[^1]。如果某个节点的 `LTag` 为 `Thread`,表示其左指针指向该节点的前驱节点;如果 `RTag` 为 `Thread`,则表示右指针指向该节点的后继节点。反之,如果标志位为 `Link`,则表示指针指向子节点。 ### 线索二叉树的实现原理 线索二叉树的实现主要依赖于对二叉树的某种遍历方式(如中序、先序或后序)。在遍历过程中,将节点的空指针替换为指向其前驱或后继的线索。以中序遍历为例,线索化的目的是使得每个节点的左指针指向其在中序序列中的前驱节点,而右指针指向其后继节点。 在实现线索二叉树时,首先需要定义节点的数据结构。以下是一个典型的线索二叉树节点定义: ```c typedef enum { Link, Thread } PointerTag; typedef struct BiThrNode { char data; // 节点数据 struct BiThrNode *lchild; // 左孩子指针 struct BiThrNode *rchild; // 右孩子指针 PointerTag LTag; // 左标志 PointerTag RTag; // 右标志 } BiThrNode, *BiThrTree; ``` 在该结构中,`LTag` 和 `RTag` 分别用于标识左指针和右指针的类型。如果 `LTag` 为 `Link`,表示 `lchild` 指向该节点的左孩子;如果为 `Thread`,则表示 `lchild` 指向该节点的前驱节点。同理,`RTag` 为 `Link` 时,`rchild` 指向右孩子;为 `Thread` 时,指向后继节点[^1]。 ### 线索二叉树的优势 线索二叉树的主要优势在于提高了遍历的效率。在普通二叉树中,遍历操作通常需要借助递归或栈等额外的数据结构来实现。而在线索二叉树中,由于每个节点已经保存了其前驱和后继的信息,因此可以通过指针直接访问这些节点,从而实现非递归的高效遍历。 此外,线索二叉树还能够节省存储空间。由于原本空闲的指针被用来存储线索信息,因此在某些应用场景中,可以避免额外的空间开销[^3]。 ### 线索二叉树的应用场景 线索二叉树特别适用于需要频繁进行遍历操作的场景。例如,在实现某些需要查找节点在某种遍历序列中的前驱和后继的应用中,使用线索二叉树可以显著提高效率。常见的应用场景包括数据库索引、文件系统的目录结构管理等。 ### 线索二叉树的实现示例 以下是一个简单的中序线索二叉树的实现示例: ```c BiThrNode* pre = NULL; // 始终指向刚刚访问过的节点 void InThreading(BiThrTree p) { if (p) { InThreading(p->lchild); // 递归线索化左子树 // 线索化当前节点 if (!p->lchild) { p->LTag = Thread; p->lchild = pre; // 左指针指向前驱 } if (pre && !pre->rchild) { pre->RTag = Thread; pre->rchild = p; // 右指针指向后继 } pre = p; // 更新前驱节点 InThreading(p->rchild); // 递归线索化右子树 } } ``` 在该示例中,`InThreading` 函数用于对二叉树进行中序线索化。函数通过递归的方式遍历每个节点,并根据当前节点是否有左孩子或右孩子来决定是否将其指针设置为线索。`pre` 指针用于记录前一个访问的节点,从而建立当前节点前驱和后继之间的联系。 ### 总结 线索二叉树是一种高效的二叉树存储结构,它通过利用空指针域存储节点的前驱和后继信息,实现了非递归的高效遍历。其核心思想在于对二叉树进行线索化,使得每个节点的空指针域不再浪费,而是用于存储遍历过程中的线索信息。这种结构在需要频繁进行遍历操作的场景中具有显著的优势。
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